（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信中智能天线数字波束形成技术的研究.pdf

摘要 随着移动用户数量的急剧增加，频谱资源变得十分有限。移动通信 需要解决的一个实际问题是，如何在增加系统容量的同时更高效地利用 频谱资源。智能天线在增加系统容量、提高频谱利用率、扩大系统的覆 盖区域等方面都显示出其巨大的开发潜力。 数字波束形成( d b f ，d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) 是智能天线的关键技 术之一，数字波束形成利用现代数字信号处理技术，对空间信号进行白 适应滤波，在期望信号方向上形成最大波束，在干扰方向形成零陷，达 到充分高效地利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。 数字波束形成主要解决如何通过观测数据获得辐射源来波方向的 准确估计一即波达方向( d o a ) 估计。波达方向估计的基本问题就是确 定同时处在空间某一区域内多个信号的空间位置，即各个信号到达阵列 参考阵元的方向角。 本论文研究了智能天线数字波束形成的基本思想和技术原理，重点 论述了下行链路数字波束形成的实现方案，论文最后对智能天线数字波 束形成技术进行了m a t l a b 仿真，包括天线阵波达方向估计的 m 枷，a b 仿真，以及天线阵数字波束形成的m 棚，a b 仿真。 关键字：智能天线数字波束形成波达方向 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i di n c r e a s i n go f m o b i l es u b s c r i b e r sq u a n t i t y , a n ds p e c t r u m r e s o u r c eb e c o m e sv e r yl i m i t e d m o b i l ec , o m m u n i e a t i o nn e e d st os o l v ea p r a c t i c a lp r o b l e mt h a th o wt oi n c r e a s et h es y s t e m a t i cc a p a c i t ya n du s e s p e c t r u mr e s o u r c em o r el a i g h - e f i 5 c i e n t l y s m a r ta n t e n n a h a sd e m o n s t r a t e di t s e d _ o m l o u sp o t e n t i a l i t yt ob ee x p l o i t e di ni n c r e a s i n gt h es y s t e m a t i cc a p a c i t y , i m p r o v i n gt h es p e c m l l mu t i l i z a t i o nr a t i o ，e x p a n d i n gt h es y s t e m a t i cc o v e r i n g a l r c ae t c 1 1 1 ed b f ( d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yt os m a r t a n t e n n a , t h ed b fu t i l i z e sm o d e m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a c h i e v e sa d a p t i v ef i l t e r i n gt os p a c es i g n a l ，f o r m st h eb i g g e s tb e a mi nt h e s i g n a ld i r e c t i o nt ob ee x p e c t e da n d z e r of a l l i n gi nt h ed i r e c t i o no f i n t e r f e r i n g d i r e c t i o n , a c h i e v i l st h ep u r p o s e so fu t i l i z i n gm o b i l es u b s e r i b e r ss i g n a lf u l l y a n dh i g h e f f i c i e n t l ya n di n h i b i t i n gi n t e r f e r i n gs i g n a l t h ed 1 3 ；fm a i n l ys o l v e sh o wt ou t i l i z ed a t ao fo b s e r v i n gt oo b t a i n a c c u r a t ee s t i m a t i o no fr a d i a t i o nf e s o u r c ei ng e t t i n gt ow a v ed i r e c t i o n d i r e c t i o no f a r r i v a le s t i m a t i o n ( d o ae s t i m a t i o n ) 1 1 1 eb a s i cp r o b l e mi nd o a e s t i m a t i o ni st oc o n f i r mal o to fs p a c ep o s i t i o no fs i g n a la tt h es a m et i m ei n ac e r t a i ns p a c ea r e a , a sw e l la st h ed i r e c t i o na n g l eo fa r r a yr e f e r e n c eu n i t t h a te a c hs i 鳓a la r r i v e sa t 皿et h e s i sr e s e a r c h e st h eb a s i ct h o u g h ta n dt e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l eo f t h ed b fo f s m a r ta n t e n n a , e s p e c i a l l yd i s c u s s e $ t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo f t h e d b fo fd o w n l i n ka n dh a se m u l a t e dt h ed b fo fs m a r ta n t e n n au s i n g m a t l a b l a n g u a g ee v e n t u a l l y , i n c l u d i n gm a t i a be m u l a t i o no f t h ed o a e s t i m a t i o no f a n t e n n aa r r a y , a n d 蝴l a be m u l a t i o no f t h ed b fo f a n t e n n a a r r a y k e yw o r d s ：s m a r ta n t e l l n a i ) b fd o a i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，第三代移动通信中智能 天线数字波束形成技术的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j ! ! 生堂! 翌年! 月l 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垂垄竺2 年土月三日 指导导师签名：冱霎幻年旦月立日 第一章绪论 1 1 智能天线数字波束形成技术的研究现状 智能天线最初以自适应天线的形式广泛应用于雷达、声纳及军事通 信领域“。但由于造价昂贵、实现复杂、技术不够成熟，长期无法民用。 近年来，随着移动通信的发展以及对移动通信电波传播、组网技术、天 线理论等方面的研究逐渐深入，自适应天线阵列开始用于具有复杂电波 传播环境的移动通信。尤其是半导体微电子技术的快速发展，元器件性 能价格比的大幅度增加，智能天线的商用目前已成为可能。波束形成技 术随着智能天线的诞生就开始有相关研究，随着智能天线的推广而深入 发展。发表于1 9 6 4 年i e e et r a n s a p 的关于波束形成的第一篇文章， 引起了不同杂志许多方面的讨论，以及后来发表的许多专稿论文、书籍 等，逐渐深入研究了不同的波束形成方法、权向量的自适应算法、波达 方向( d o a ) 估计方法和阵列系统对参数干扰的敏感性等。 一目前智能天线的数字波束形成技术研究工作主要集中在系统理论 和工程实现。其中系统理论的研究主要是指自适应波束形成算法，工程 实现的研究主要是数字波束形成的硬件实现。 波束形成技术在最近几年有着日新月异的发展，波束形成的研究方 向在于寻找更快更准确的算法，在减少由阵列数据规模增加而带来的计 算量的同时，保持波束形成的优良性能。目前，许多大学、研究机构和 通信公司都竞相致力于智能天线数字波束形成的研究和开发。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e d c o m m u n i c a t i o ni ne u r o p e ) 计划中实施的第一阶段智能天线技术研究 t s u n a m i ( t h et e c h n o l o g yi ns m a r ta n t e n n a sf o ru n i v e r s a la d v a n c e d m o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) 由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成“。项目 组在d e c t 基站基础上构造智能天线试验模型，并于1 9 9 5 年初开始现 场试验。天线阵由8 个阵元组成，射频工作频率在1 8 9 g h z ，阵元间距 可调，天线阵列有直线型、圆环型和平面型3 种形式。该模型采用e r a 技术有限公司的专用a s i c 芯片d b f l l 0 8 完成波束成形，使用 t m s 3 2 0 c 4 0 芯片作为中央控制。现场测试表明圆阵等平面天线阵适于 室内通信环境使用，而在市区环境则更适合采用简单的直线阵。 日本的a t r 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波 束智能天线，并且提出了基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处 环境不同，利用软件方法实现算法分集，利用f p g a 实现实时天线配置， 完成智能处理。 日本n t t - d o c o m o 公司研制的用于3 g 的u m t sw - c d m a 体制的 智能天线实验系统采用2 d r a k e 接收机结合最小均方误差( m m s e ) 自适应波束形成处理。实验系统有三个小区基站以评价切换和其他网络 功能。实验表明就平均b e r 来说智能天线比空间分集有显著改善。 e r i c s s o n m a n n e s m a n 公司的g s m d c sb s 智能天线实验系统。该 系统用于g s m d c s1 8 0 0 体制。基站天线系统由8 阵元、双极化阵列天 线组成。基于对目标定向以实现自适应波束形成。上行链路确定d o a ， 下行链路采用切换波束和自适应波束。在外场试验中，无论对上行还是 下行，载波噪声比( c n r ) 改善均为4 5 d b 。在都市和乡村宏小区， 智能天线分别提供了另外的1 0 d b 和6 d b 的载波干扰比改善。根据试验 结果，容量增加可达1 0 0 2 0 0 ，又4 5 d b 的c n r 改善则等效于减 少5 0 的基站。 美国a t & t 公司研制的智能天线实验台系统，针对8 5 0 m h z 1 9 g h z i s 1 3 6 系统应用。该实验台天线为4 阵元，上行采用d m i 算法形成自 适应波束。下行采用切换波束( 可带功控或不带功控) 。与两天线分集 相比在瑞利衰落环境和误比特率( b e r ) 为1 0 1 条件下智能天线可达到 5 d b 增益。这相当于4 0 的覆盖距离增加。当干扰以相应于6 0 里小时 的速率衰落，且干扰电平接近需要信号时，智能天线仍可保持1 0 1 的 b e r 。 中国大唐电信信威公司研究开发的t d s c d m a 系统，将智能天线 应用于t d d 方式的w l l 系统中，是国际上第一套应用智能天线的同 步c d m a 无线通信系统。系统根据相干接收到的、来自终端的信号在 每个天线阵元及其连接的接收机的反应，进行相应的空间谱处理，获得 此信号的空间特征矢量及矩阵，并得到信号的功率估值和d o a 估值， 在此基础上计算各个天线阵元的权值，实现上、下行波束赋值。 1 2 本课题研究的目的与意义 在移动通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域。 近年来，几乎所有先进的移动通信系统都需要采用此技术。智能天线 技术给移动通信系统带来的优势是目前任何技术都难以替代的。 3 g 系统采用智能天线技术可提高其容量及系统服务质量， w c d m a 系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。由我国大 唐电信提出并拥有较多的基本专利的t d - - s c d m a 系统是应用智能天 2 线技术的典烈范例。 目前，囡际上已经将智能天线技术作为3 g 技术发展的主要方向 之一。第三代移动通信系统已明确提出将采用智能必线来抵消多址干 扰，增加系统蜜藿。，。 餐能天线技零苓稷虿鞋镬瘸程t d d 系统孛，稳突全霹骧镬震裂 f d d 系统中，程世赛上各国都程嬲紧对f d d 系统巾使用餐能天线酶 技术进行研究，对使用智能天线的f d d 基站样机避行开发。智能天线 的广泛应用猩定程度上正是为推动3 g 技术的发膨提供了一个领先 的、完善的技术平台。 无线移动通信信道是一个多径、多址信道，存在蓿信号衰落、时 延扩展、多瀵勃频率扩曩以及共臻道于扰、多垃于戋i | ：等严重闯题。已 采蘑煞簿决羔遮瓣惩豹办法主要毽捂调割簿调技零、臻遂缡码技术、 均衡技术、蒋通分集联合技术等。这些技术已日蕊成熬，对于上述闯 题的进一步解决已十分困难。空域自适应滤波即智能天线技术在移动 通信领域的引入为这些问题的解决带来了新的思路，因而被称为无线 移动通信技术“最后的疆界”u “。 智能天线的优越性在于自身w 以分析到达无线阵列的信号，灵活、 饶曩二建楚蕉波霖，减多于撬翻被予羧戆极会；疆褰了频率瓣嚣爱率， 改善了系统佼熊。这就是自适应哭线阵列的替靛纯，窀体现了自适应、 自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完蔷起到重大的推动 作用。 智能天线蝴当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波 束的控制下，w 以显著降低用户储号彼此间的干扰。具体而言，智能 天线将在以下方嚣提毫未来移动邋馈系统的性能嘲： ( 1 ) 扩大系统豹覆盖区域。 采曩智黢天线可以增加分集增菔，这等效于同时掇嵩7 天线阵列静 接收灵敏度或增加了基站发射机的等效全向辐射功率( e i r p ) 0 1 ，因此 在同等的发射功率条件下，基站w 以接收到更远的信号。 ( 2 ) 提离系统容量。 智能天线邋过抑制干扰，提离了载干比。而载于比将决定系统容量， 因我载于毙懿掇篱遣藏意磅着系统容塞熬提裹”。 ( 3 ) 撬薅簇谱稠嗣效率。 智能天线爨利用用户空间位鬣的不同来区分不同膈户的，不同于传 统的时分多蚍( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 或码分多址( c d m a ) 方式。智能必线引入了第四维多蚍方式：空分多址( s d m a ) 方式”3 。 在相同时隙、相同频率或相同地址穰 情况下，用户仍w 以根据信号不同 的空间传播路径两区分，提高了频谱的剩用率。 3 发展的最后阶段将是全空分多址。这意味着1 个以上的用户能同时 被分配在同一个蜂窝单元和同一个通信物理信道中，而仅仅由角度区 分。用在t d m a 系统中，则同一单元的2 个用户将可同时占用相同的时 隙和载波频率，从而使容量额外增加“。 ( 4 ) 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号问干扰与电磁 环境污染。 在传统天线系统中，因不知道用户的确切位置，能量在空中大面 积的发射，造成了空中污染1 。不同于常规的扇区天线和天线分集方 法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄 的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号 发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。 智能天线应用于3 ( 3 系统时，同时也带来了相应的新问题，如： 智能天线的校准、智能天线和其他抗干扰技术的结合、波束赋形的速 度问题、设备复杂性的考虑、共享下行信道及不连续发射、帧结构及 有关物理层技术等。在推动标准演进和产品设计上都需要考虑和不断 解决这些问题”。 波束形成是智能天线的关键技术之一，本论文主要研究第三代 移动通信系统中智能天线的数字波束形成技术。 1 3 本论文研究的主要内容及章节安排 本论文主要研究智能天线数字波束形成技术，包括基本思想、技术 原理、上行及下行链路数字波束形成；研究智能天线数字波束形成的 m a t l a b 仿真技术，包括天线阵波达方向( d o a ) 估计的m a t l a b 仿 真，以及天线阵数字波束形成( d b f ) 的m a t l a b 仿真。 本论文的章节安排如下： 第一章智能天线数字波束形成技术的研究现状以及本课题研究的 目的与意义； 第二章无线移动信道的传播特性； 第三章无线移动通信中的多址技术与天线技术； 第四章智能天线数字波束形成的基本思想、技术原理以及智能天 线上行与下行链路数字波束形成； 第五章利用m a t l a b 仿真工具，重点对天线阵波达方向估计以及 天线阵的数字波束形成进行了仿真。 4 第二章无线移动信道的传播特性 在蜂窝移动通信系统中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体 上可归纳为视距传播、反射传播、绕射传播和散射传播，图2 1 表示了 基本的视距传播和反射传播两种情况。 图2 1 电磁波的直射和反射传播 由于无线传播路径中各种物体( 例如建筑物) 的阻挡，蜂窝移动通 信应用环境下的发射机和接收机之间一般不存在直射路径，而高层建筑 产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同 长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时，随着发射机和接收机 之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。 在理想的自由空间中，电磁波以真空中的光速传播，不存在电磁波 的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象。自由空间定义为：( 1 ) 均 匀无损耗的无限大空间；( 2 ) 各向同性；( 3 ) 电导率为零，相对介电 常数和相对磁导率恒等于1 。通常，自由空间无线信道的传播模型可分 为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和小尺度( s m a l l s c a l e ) 传播模型两 种。大尺寸传播模型称为路径损失模型；小尺寸传播模型称为衰落模型。 大尺度模型主要用于描述发射机与接收机( t - r ) 之问长距离( 几百或 几千米) 的信号强度变化。小尺度模型用于短距离( 几个波长) 或短时 间( 毫秒级) 内接收信号强度的快速变化。但两种模型并不是相互独立 的，在同一个无线信道中，既存在大尺度衰减，也存在小尺度衰落。一 般而言，大尺度表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境 的变化而呈现的缓慢变化，小尺度表征了接收信号短时间内的快速波 动。实际的无线信道衰减因子可表示为 叩( f ) = 善( f ) f ( f ) ( 2 1 ) 式中，7 ( f ) 表示信道的衰落因子；善( f ) 表示小尺度衰落( 也称为快衰落) ： f ( f ) 表示大尺度衰落( 也称为长期衰落) ，如图2 2 所示。 篮 图2 2 无线信道衰落举例 陆地移动信道的主要特征是多径传播。电磁波在传播过程中会遇到 很多建筑物、树木和起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透，以及电磁 波的反射、散射及绕射等。 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而 是许多路径来的众多入射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不 同，因而各路径来的入射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的 多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱。 这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径 引起的，所以称为多径衰落n ，。 移动信道的多径衰落，可以从空间和时间两个方面来描述和测试。 从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变 动而衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化， 其局部均值为随距离增加而起伏的下降的曲线，反映了地形起伏所引起 的衰落以及空间扩散损耗。 从时间角度来看，由于各个路径的长度不同，因而信道到达的时间 就不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该 6 脉冲，而且还包含它的各个时她信号。这种由于多径效应簪 起的接收信 号中脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展。 2 1 无线信道缓号酶大尺凌变纯 2 1 1 自由空间中的信号变化 瓣手理想豹戈援耗天线，京掰骞方囱上鹩发瓣功率丈夺郄槎霾。这 种天线叫做全向天线。设其输入功率为p t ，在距离r 处的功率密度( 即 每单位区域功率) 为： p 府) = 彘 ( 2 2 ) 其中，假设传播媒质是自由空间，不存在地物干扰或环境障碍物。 黠手寿彝天线，其功率密发取决予捷摇穷舄设菜方粕上尹蠢 r ) 是 功率密度的最大值，全向天线增益a 定义为： a = p d ( r ) p i ( r ) ( 2 3 ) 缝合茂( 2 2 ) _ 帮式( 2 3 ) t 终尹露p ) 写灸： 尸d ( 小墨 ( 2 4 ) 当取菝1 0 为底蠢孽辩数羯矗b 表零辩，萁天线壤兹为： g d b i = 1 0 1 0 9 ( a 1 ( 2 5 ) e i r p 是两根天线具有相同功率密度时的全向天线输入功率。根据 e i r p 豹定文，若蠢囱天线输入耱率秀魂，天线瑷盏为a 澈， e i r p = a p t ( 2 6 ) 囊天线接收到彝擘功率，取决子天线豹尺寸，帮天线纛径。它蔹次 正比乎天线增益和波长的平方。由式( 2 4 ) ，p ，可表示为： ， 州巾器( 譬 眩7 ， 其中a f 和a ，分别是相应全囊天线的发射和接收天线的增蕊， 是信号 频率熬波长。舔专巾懿矮舞接狡天线豹骞效琵径。 引起信号衰减的因素还有许多。铆如，雨、雪等大气条件都会增加 信号衰减。总之，频率越高，衰减也越大。当频率为1 0 g h z 时，l m m h 的降雨率所引起的信号衰减为0 0 1 d b k m ，而1 0 0 m m h 的降雨率会将衰 减增加到约5 d b k m 。同样，当频率为2 0 g h z 时，l m m h 的降雨率所引 起的信号衰减为0 1 d b k m ，两频率为1 0 0 g h z 对衰减为t d b k m 。 2 1 2 市区中自堍形稻堆戆干捷孳| 熬辩信号变亿 在式( 2 7 ) 中，假设通过自由疑问传输，接收信号只由两根天线 间的直射信号缀成。由于在大多数情况下，沿传播路径j 字在建筑物、塔 式建筑、树木和山丘，不存在任何囊接的直视路径，因此在接收天线处 接收到豹信号可熊不会有饪何直接发送豹波。相反，它霹能只由反射信 号掰缓或，或囊怒童菇嚣反射痿号瓣缝合，懿强2 ，3 联零。 图2 3 基站和移动台间的信号传播 移动叁接渡翻戆售号强疫不仅取决手发射秘功率、移动台巍基建翅 豹分隔距离、载波频率帮天线离度，繇豆取决于趣形特蔹、环境地物干 扰( 如建筑物、树术、湖泊或其他承体) 、移动台穿过的街道宽度、信 号入射到天线所取的角度和车辆相对于信号传播所进行的方向等。地貌 可以是光滑或肖小起伏( 准光滑) 的，即按照大约2 0 m 做平均，或者 是相当的不规则，像起伏的山丘、倾斜的地形、山脉或独崴的山峰。有 3 时，信号路径会包含大片水体，如海洋或湖泊。基于环境地物干扰，服 务区会是市区或人口稠密的市区，以高大建筑物为特征的高楼林立的地 区。同样会存在其建筑物既不高大也不稠密的郊区，以及除了树木和山 丘就很少有障碍物的乡下地区。 下面描述了距离、频率、天线高度和其他参数对市区环境接收信号 的影响。在下面的描述分析中，给出的信号变化趋势对大多数具有相同 环境类型的城市都有效。 ( 1 ) 距离的影响 图2 4 表示2 个不同频率的信号在离发射机不同距离远处的损耗情 况，给出了距离发射机l k m 远处自由空间中相对于信号电平的值。考 虑地形为准平滑的，其表面波动的平均高度是2 0 m 或更小。在图中还 给出了用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 计算出来的自由空间中的信号电平。 1 自由空间 矩离( k i ) 2 天线高度l t t = 8 2 0 s ，颈事f r e f 9 2 2 啊l l z3 天线被h t = 8 2 0 m ，频率e r e q = 1 9 2 0 u l l z 4 天蜣高度m t _ l 帕- ，频率矗f 铊2 l m z5 天线高度h t 1 4 0 - ，频率矗f 1 9 2 0 州z 图2 4 作为基站距离的函数，2 个不同频率的信号在市区中的相麻信号强度 首先，自由空日j 信号以每倍频程6 d b 或每数量级2 0 d b 的趋势减小。 其次，在市区所测的实际信号强度与在自由空间中信号强度之间的差别 在2 5 k i n 距离处有显著的增加。对于任何给定的频率，信号电平依据如 下经验关系随距离变化： p ，= k r 栉 ( 2 8 ) 其中k 是常数。在上述表达中，指数n 不是常数，而是随距离本身以及 9 天线高度变化。例如，以2 0 2 0 0 m 的基站天线高度，典型市区的f l 值 的范围是1 5 3 5 。 ( 2 ) 频率的影响 也可以把接收信号电平看成频率的函数，随频率的增加而减小。如 图2 4 所示，该减小的中值从距离3 k m 处的约4 0 d b 到距离约5 0 k m 处 的约7 d b 。事实上，信号电平随频率变化依据如下关系式： p r = k f ” ( 2 9 ) 其中k 是常数。 ( 3 ) 天线高度的影响 接收信号电平随基站天线高度而增加，几乎与频率无关。如图2 4 所示，信号的这种电平增加也取决于移动台和基站天线之间的距离。对 于达到1 0 k m 的距离，信号电平以6 d b 倍频程增加。在更长距离上，若 基站天线高于2 0 0 m 左右，则信号以9 d b 倍频程增加；若基站天线高度 更低，则信号只以6 d b 倍频程增加。 信号电平也取决于移动台天线高度。例如，若高度从1 5 m 增加到 3 m ，则信号电平增加约3 d b ，但是事实上这种增加在相对于基站的所有 距离上都是常数。 ( 4 ) 其他参数的影响 影响信号衰减的其他因素包括不规则的地形，如起伏的山丘、孤立 的山头、陆海混合的路径、隧道、植被和水体等，以及车辆所穿过的街 道相对于基站半径的方位。虽然对这些参数有了一些实验研究，但还没 有充分的数掘对其影响做出最后的结论。o k u m u r a 等人提出了一些校正 因子，可以用于预测在起伏和多坡的地形中的信号电平变化。通常，当 平均地形起伏高度在几公里范围内增加时，信号电平随之减小。 2 1 3 郊区和乡下的信号改变 前面只讨论了市区中的信号改变。因为郊区或乡下环境地物干扰的 影响不是很严重，所以这些地区的平均信号电平相当好。信号电平的改 善随频率增加而增加，但不取决于基站和移动台之间的距离以及天线高 度。与市区相比，在郊区的9 2 0 m h z 信号的平均信号电平要高大约1 0 d b ， 而在乡村要高2 9 d b 。若频率是1 9 2 0 m h z ，则这些改善将分别是1 2 d b 和3 2 5 d b 。o k u m u r a 等人建议采用一些预测曲线来计算信号的这种改 善，其结果对于大多数郊区和乡下都是统计有效的，如图2 5 所示。 1 0 图2 5 郊区和乡下的信号电平相对于市区的改善 2 1 4 信号电平局部平均值的变化 从前面的讨论可以看出，即使基站距离、天线高度、频率等这些因 子保持不变，信号电平局部平均值也将由于环境地物干扰而随机变化。 事实上，这种改变表现为对数正态分布。但正态分布的标准方差却没有 一个定论。例如对纽约市而言，离基站约2 k m 的地方方差大约为8 d b ， 而在离发射机更远一点的地方会增加到1 2 d b 。在其他城市，它或者随 距离而减小，或者一点都不随距离变化而只取决于频率。 通常，在离发射机为r 处所接收到的信号可以表示为： p r ( r ) = 哗竹 ( 2 1 0 ) ， 其中，k 是取决于发射机和接收机天线高度的常数。指数n 取决于环境。 若p f 以w 为单位，则对式( 2 1 0 ) 取对数，以d b 为单位的接收功 率p ，可表示为： p r = l o l o g ( k ) + l o l o g p t + l o l o g a t + l o l o g a r 一1 0 n l o g ( r ) 若乃以d b 为单位，g f 和g ，分别是发射机和接收机天线以d b 为 单位的增益，则上述表示式可以重新写为： p ，( d b ) = 口+ n ( d b ) + g f + g ，- 1 0 n l o g ( r ) 其中，a 是常数。也可以用参数距离r o 处的信号功率p ，o ( 以d b 为单 位) 的形式表示接收信号功率p ，( 以d b 为单位) ，即： p r = p r o - 1 0 n l o g ( ，0 ) 对于平均尺寸的小区来说，n - - i 以将参考距离，0 看作是l k m 。在这种情 况下， p r = p ，0 1 0 n l o g ( r ) ( 2 1 1 ) 若假设1 1 为4 ，则在1 0 k i n 远处的平均信号就在l k m 远处信号之下 的4 0 d b 处像指数n 一样，信号在参数距离，o ；b * e r o 也取决于 环境。对于乡村环境，该值高于市区环境的值。假设从基站天线发射 1 w ( 即3 0 d b m ) 的信号，作为距离的函数的典型信号变化如图2 6 所 示。 p r ( 血) 0 - 加0 0 一 0 - - 1 呻0 - - 1 1 0 0 一 - 1 0 - 1 0 - 一l 加o r o 一) 石 图2 6 一个接收信号随市区、郊区和乡下的距离而改变的例子 1 2 在任何点处测量的实际信号电平与使用式( 2 7 ) 所计算出来的值 不同。在有的文献中称该差别为过渡路径损耗，其他遵循对数正态分布。 在纽约和新泽西做出的实际测量结果表明：对于离基站1 英里的地方， 市区的过渡路径损耗有大约8 1 2 的标准偏差。 2 1 5 传播模型 正如前面所述，任何点处的路径损耗取决于许多因素，其中的主要 因素是环境地物干扰、与发射机的距离、频率、基站天线高度，而相当 小的程度上路径损耗是由移动台天线高度所决定。这种依赖性通常非常 复杂，很难用确切的数学公式来精确描述。但是，在设计蜂窝系统时， 可以采用已有的基于经验公式的许多传播模型来估计路径损耗，并估计 信号分布。利用这些结果，可以确定在服务区提供满意覆盖时所必需的 小区尺寸和基站数。 由理论研究和实际测量已验证下面的模型是非常简单、有效的，该 模型表达了在距离r 0 处的路径损耗： p l ( r ) = p 三( ，o ) + l o 舶g ( r r o ) ( 2 1 2 ) 若参考点，o 离发射机天线为l l a n 远，则上式简化为： p l ( r ) = p l ( r o ) + l o n l o g ( r ) 其中，r 以k m 为单位。其路径损耗如图2 7 所示。 p l ( r ) ( 盐) 嗡事：l o n 气f r o ) 。 lr 0 发射天线 图2 7 一个简单的路径损耗模型 一个类似的模型称为“h a t a - o k u m u r a ”，它基于前面讨论的o k u m u r a 模型测量的实际场强。如式( 2 1 2 ) 所示，依据该模型在任何点处的路 径损耗可表示为： p l = a + b l o g r ( 2 1 3 ) 其中，r 是发射机外到测试点距离( 以k m 为单位) ，p ，是路径损耗，a 和b 是常数。这些常数取决于地形特征、载波频率和天线高度。例如， 若基站天线高度为5 0 m ，且移动台高度是1 5 m ，则该模型给出9 0 0 m h z 时典型市区中的路径损耗为： p l = 1 2 2 3 3 + 3 3 7 7 1 0 9 r ( d b ) ，1 ( 砌) ，厶= 9 0 0 m h z ( 2 1 4 ) 在距离发射机l k m 处的路径损耗是1 2 3 3 3d b 。 同样，同一天线高度在9 0 0 m h z 时的路径损耗可表示为： p l = 1 3 1 8 2 + 3 3 7 7 l o g r ( d b ) ，r 1 ( 砌) ，f c = 1 9 0 0 m h z ( 2 1 5 ) 在郊区和开阔地的路径损耗小于市区的路径损耗。例如，在 1 9 5 0 m h z 时，这种路径损耗上的改善在郊区约为1 2 d b ，在开阔地约为 3 2 d b 。 2 2 无线信道信号的短时变化 如前所述，在市区和人口稠密的地区中，移动台和基站之间常常没 有直视路径。在这种情况下，信号由大量来自建筑物和障碍物的散射和 反射所组成。其结果是，在任何点上接收到的超过几个波长数量级短距 离的平均信号电平实质上保持为常数，其瞬时值( 即r f 信号的包络) 以瑞利分布在信号的平均电平附近随机地变化，而其相位则在o h 之 间均匀分布。移动台天线所接收信号e 由许多随机变化的成分构成，可 以将它表述为： e = 明c o s o d + x 2 s i n o d ( 2 1 6 ) 其中x l 和x 2 是两个独立的高斯随机变量，其均值为零、方差相等， 即为e ，c 是载频。e 的幅度由随机变量z ：厢给出。以这 种方式定义的变量z 具有瑞利分布，其概率密度函数可以表示为： 1 4 厂( z ) = 手p 高，： 0 ( 2 1 7 ) e 劫蟠 图2 8 显示了一个瑞利衰落信号的幅度改变。当移动台经过这种衰 落时，所接收的信号幅度将发生变化，依次通过其最大和最小值。当信 号幅度相对于其平均值落到一个给定的电平以下时，称该移动台进入了 衰落区域。 接收信号包路 注；图中示出在电平r 处相对于平均信号的衰落。信号最小值大约出现在半波长处 图2 8 一个瑞利衰落信号 在所接收信号的瞬时值低于电平z = e 处的v j ：n r 称为电平交叉 率，表述为 n r = x - 磊f d 。e l _ p - ( 5 7 晰) 2 ( 2 1 8 ) ，懈 其中，f d = v x 是d o p p l e r 频移，i i i i v 是移动台速度，九是载波波长。 在电平z = e 处的衰落的平均持续时间： 口：善一点进p ( ( 剧e 崩2 - 1 ) 加，d e ( 2 1 9 ) 显然，电平交叉率与每秒出现的衰落数相同。在许多其他参数中，衰落 持续时间取决于衰落电平。表2 1 列出了8 5 0 m h z 处的每秒衰落数。表 2 2 列出了同样载频处的平均衰落持续时间。衰落电平相对于信号的平 均值越低，每秒衰落数越少，衰落持续时间越短。 表2 18 5 0 m i - i z 处每秒衰落数 l车辆速度( k h 妇) 1 0 d b 哀落1 5 d b 衰落 i 3 21 8 1 0 8 i 1 1 2 6 43 8 4 表2 28 5 0 m h z 处平均衰落持续时间( 以m s 为单位) l车辆速度( k m m ) 1 0 d b 衰落1 5 d b 衰落 i 3 25 3 i2 8 8 i 1 1 2 i 4 9 0 8 l 图2 9 到达信号相对于车辆速度的方向 对于发射频率为c 的未调制载波，若移动台以恒定速度v 移动， 则所接收载波的功率谱将不固定在国c 上，而是分布载频段l 国一国。i j 上，如前所述，其中： 2 万矿 d 2 r 。0 8 口 它是以弧度为单位的d o p p l e r 频移。如图2 9 所示，这里a 是信号入射 方向与车辆运动方向之间的央角。对于l 一国c j d ，所接收信号包络 的功率谱密度s ( ) 可表示为： 跏，= 醐嘲m 5 眩z ， 1 6 世 羹 i f ( 蚍，e 毛s ) s ( ) 翎基站发射的j # 调制载波功率谮b ) 移动车辆天线接收到的信号包络功率谱 辫2 ，l e 基蘸发射与爱产接彀功率疆 f 图2 1 0 ( a ) 袭涿基站发射的个未调制裁波的频谱。这里，所有 能量集中在单频e 上。当以速度v 裁进的移动台接收到该信号时，其 能量不褥只集中在载频上，而是分布在d 。附近的2 t o 。带宽上，如图2 1 0 ( b ) 所示。 上述分析假设掰使用的天线怒全囱的，信号以相同的概率能玖所有 角度到达移动台天线。如前所述，e r m s 是信譬氆络的均方德。式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 表明，接收信号的随机起伏取决于车辆速度和载频，一些情 况下其俊可以在信譬平均值以- v3 0 d b 或更多。 囊薅区强凌孛，绩号存霹会蠢蹇菇路径，穗会骞菲喜瓣路径，虽然 不可熊像在市区重那样多。在乡下，常常是蠹射路径，但由予地形的缘 故，信号也会走一次绒两次的反射路径。当除了条或更多条反射线外 还有囊视成分时，称其信道为莱斯衰落信道。 焱数字系统孛，r f 售号短孵变化会导致接收数据流躬突发错误。 当信弩霄衰落眩，傣号衰落整分瀚数据篦特会狱概率出错，滋错概率取 决于衰落电平。为了描述突发错误的程度，下丽以一个窄带系统( 如基 于i s 1 3 6 或g s m 的t d m a ) 为例。假设载频为8 5 0 m h z ，移动速度为 3 2 k m h 。在这种情况下，信号每秒商1 1 次下降到其局部平均德以下1 5 d b 楚，势簿次豢在琴令邃平下保持终3 m s ( 嚣衰2 + t 羁2 。2 ) 。瓣鼗，该售 号3 的时间都处在液落中。于是对于一1 5 d b 的衰落，若假设衰落比特 出错的概率为0 5 ，则衰落期间的突发错误将导致0 0 1 5 的误比特率。 1 7 由于宽带c d m a 系统固有的对衰落不敏感，因此车辆趱动所引起的误 突发率在这些系统中并不严重。又因为无线移动信道是时变的，移动天 线处的信号具有d o p p l e r 频移，它与移动速度变化有关，所以移动台处 得到的信号频率念随时间变化傲髓机改变。这种称为“魈枧调频( f m ) ” 戆现象，终为纂磐孛兹瓣热臻声嚣褒系统孛表 垂，箕在数字系统孛会使 系统误毙特率壤搬褥更多m 。 1 8 第三章无线移动通信中的多址技术与天线技术 3 1 多址接入 蜂窝系统向用户提供服务的资源包括空间、时间、频率和编码方式 等。一般而言，不同的系统可以使用不同的通信资源( 可以看成抽象的 信道) 来区分通信对象，一个这样的信道只容纳一个用户进行通信，而 许多同时通信的用户，互相以不同的抽象信道的形式来区分，这就是多 址的概念。蜂窝移动通信系统是一个有多个抽象信道同时工作的系统， 同时在下行方向具有广播的特点和大面积覆盖的特点。在利用无线通信 环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接 入方式要解决的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。 3 1 1 多址接入方式 从移动通信网的构成可以看出，移动通信系统都有若干个基站和大 量的移动台。基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的， 有多个信道，而每个移动台只供一个用户使用，是单路的。许多用户同 时通话，以不同的通信资源相互分隔，防止相互干扰。同时，各用户信 号通过在射频波道上的复用，建立各自的通信信道，以实现双边通信的 连接称为多址接入。多址接入方式是移动通信网体制范畴，关系到系统 容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性。 多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以 表达为空间、时间、频率和码型的函数，即可写作 j ( c ，f , t ) = c ( f ) j ( j ， f ) ( 3 1 ) 式中，c ( f ) 是码型函数，j ( j ，f , t ) 是空间s 、时间t 和频率f 的函数。 当以传输信号存在的空间不同来区分信道建立多址接入时，称为空 分多址( s d m a ) 方式；当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立 多址接入时，称为频分多址( f d m a ) 方式；当以传输信号存在的时间 不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址( 1 1 ) m a ) 方式；当以 传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址 ( c d m a ) 方式。在实际应用中，上述几种多址方式可以结合使用。比 如g s m 系统就结合了f d m a 和t d m a 技术，同