（通信与信息系统专业论文）自适应波束成形技术在phs系统中应用的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 自适应波束成形技术 在p h s 系统中应用的研究 硕士生：王伟权 专业名称：通信与信息系统 指导老师：姜孝华副教授 周渊平教授 摘要 p h s 移动通信系统( 又名“小灵通”) 以无线方式接入固定电话网，依托现 有的固定电话网提供低廉的本地移动通信服务，近年来随着移动通信的日益普及 逐渐获得人们的青睐。p h s 系统除了其资费低廉之外，还具有手机体积小、重量 轻，发射功率小，通话时间长等特点，被人们称为绿色通信工具。但是，p h s 系统仍然存在信号不好、通话经常中断以及对用户移动速度有一定限制等问题。 将自适应波束成形技术应用到p h s 移动通信系统中，可以给期望用户信号 带来最大增益，并达到对干扰信号有效抑制的目的，从而扩大系统覆盖区域、提 高系统通信质量。 本文介绍了p h s 移动通信系统和自适应波束成形技术的特点和结构原理， 研究自适应波束成形技术在p h s 移动通信系统中的应用，并使用v i s u a lc + + 在 w m d o w s 系统下建立一个使用自适应波束成形技术的p h s 仿真系统，并对各种 自适应波束成形算法在此系统中的性能作了分析与比较，提出了适合于p h s 系 统的实现方案。 关键词： p h s ，r c r - s t d 2 8 协议，智能天线，自适应波束成形技术，多线程技术 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 r e s e a r c h0 1 1a d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yi n p h sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m n a m e ：w a n gw e i q u a n m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e m s u p e r v i s o r ：a s s o c e m i lj i a n g x i a o h u a p r o f z h o uy u a n p i n g a b s t r a c t p h sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc h i n af o rl a s t f e wy e a r s t h ep h sc e l lp h o n ei sv e r ys m a l la n dl i g h t ，a n di t st r a n s m i tp o w e ri sm u c h l o w e rt h a nt h a to fag s m c d m ac e l lp h o n e t h ep h sc e l lp h o n ei st h e r e f o r ec a l l e d g r e e np h o n e h o w e v e r , t h ep h sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sd i s a d v a n t a g e s t h es i g n a lq u a l i t yi sg e n e r a l l yl o wa n di to f t e nl d st ob r e a k a g eo f c o m m u n i c a t i o n a p p f i c a t i o no fa d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y t op h sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mw i l lb r i n gar e c e i v e rt h em a x i m u mg a i na tt h ed e s i r e ds i g n a ld i r e c t i o na n dt h e l o wi c s p o 皿s e si ni n t e r f e r e n c ed i t e c t i o n s t k t h es j g a iq u a l i t yi sg m a a yi n c r e a s e d a n dt h er a n g eo f c o m m u n i c a t i o ni st h e r e f o r ee x t e n d e d i nt h i st h e s j s ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ep h sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e a d a p t i v eb e a m f o r m i n g t h c na p p f i c a t i o no fa d a p t i v eb e a m f o r m i n gt ot h ep h ss y s t e m i sd i s c u s s e d t oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a t r so f t h ea d a p t i v eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s , as i m u l a t o ri sc o n s t r u c t e dw i t hv i s u a lc + + a n di tr t m si nw m d o w s s e v e r a l b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e dt h r o u g hs i m u l a t i o n a b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m t h a ti sm o s ts u i t a b l et ot h ep h ss y s t e mi si d e n t i f i e d k e y w o r d s ： p h s ，r c r - s t d 2 8p r o t o c o l , s m a r ta n t e n n a , a d a p t i v ew 棚f o r m i n g ， m u l l i - t h r e a dp r o 伊a m m i n g - 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 第1 章概述 1 1 研究背景 近十多年来，无线移动通信在全球范围内获得迅速发展，随着移动电话的日 益普及，每个人都希望自己可以随时随地的与他人沟通联系。然而，g s m c d m a 的通信费用高昂，使不少用户望而却步。在这种背景条件下，p h s 系统以其固定 电话的价格，本地移动电话的方便逐渐获得人们的青睐。 p h s 全称p e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m ( 个人便携式电话系统) ，又名“小灵 通”，是一种个人无线接入系统，它采用微蜂窝技术，以无线方式接入固定电话 网，依托现有的固定电话网提供低廉的本地移动通信服务。另一方面，p h s 手机 具有体积小，重量轻，通话时间长等特点，而且其发射功率小，平均发射功率只 有1 0 m w ，比g s m 手机和c d m a 手机的小得多，长期使用对人体没有危害， 被人们称为绿色通信工具。以上这些特点大大的满足了广大消费者对廉价与健康 的移动通信的需求，到目前为止，我国p h s 用户已超过1 5 0 0 万，已经成为全球 最大的p h s 市场。 p h s 系统是日本为无绳电话制定的技术标准，就其技术本身而言，它是一种 数字移动通信技术，属于第二代通信技术，与g s m 等处于同一个技术发展等级， 比a m p s 、t a c s 等模拟技术先进，而比3 g 技术落后。从无线基站来看，p h s 的空中接口技术并不落后，而且还有自身的特点l 】。但是，p h s 系统仍然存在 信号不好、通话经常中断以及对用户移动速度有一定限制等问题，如何提高p h s 系统的通信信号质量、降低掉话率，是一个很有研究价值的问题。 智能天线技术是近3 0 年中最先进的通信技术之一，它能产生空间定向波束， 使天线主波束即最大增益点对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信 号到达方向，从而给期望用户信号带来最大增益，同时达到对干扰信号抑制的目 的。 中山大学硕士学位论文 自适应波柬成形技术在p h s 系统中应用的研究 图1 - 1 智能天线的基本原理 传统的智能天线技术采用控制射频通道的增益和相位来达到空间波束成形， 但是实际使用中难度大，精度低，正逐步被淘汰。最近几年来，随着高速数字信 号处理技术的发展和半导体工艺的突飞猛进，直接在基带数字信号上进行自适应 处理的方法，即自适应波束成形技术，开始得到广泛应用。使用自适应阵列天线 技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、 提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号问干扰与电磁 环境污染等 6 - 7 1 。 自适应阵列天线技术最重要的部分在于基带数字信号处理部分，目前已经有 多种自适应算法提出，如通过获得天线最优加权算法有：取样协方差矩阵的直接 求逆( d m i ) 、最小均方算法( l m s ) 、递归最小二乘( r l s ) 算法、恒模( c m a ) 算法等；通过对频谱进行分析以获得信号到达方位角( d o a ) 估计的算法有： 多信号分类法( m u s i c ) 算法、旋转不变技术信号参数估计法( e s p i d 算法等 睁1 1 1 。 要将自适应波束成形技术应用到p h s 移动通信系统之中去，就必须要考虑 到p h s 系统本身的特性，结合p h s 系统的特点，同时不能影响原有系统处理过 程。实际的移动通信系统中对实时性具有一定的要求，因此算法的计算复杂度不 能过高，否则，即使该算法的效果再好，也不能适应实际系统的需要。所以，寻 找一种能够在实际的p h s 移动通信系统中有效工作的算法，是一个非常有意义 和使用价值的研究课题。 中山大学硕士学位论文白适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 1 2 研究目的 本论文的主要研究目的是研究自适应波束成形技术在p h s 移动通信系统中 的应用，建立一个使用自适应波束成形技术的p h s 仿真系统，测试各种算法在 此系统中的性能，并综合测试结果与其他影响因素，提出一种在实际环境较为可 行的实现方案。 1 - 3 论文结构 本文的内容安排如下： 第2 章主要介绍p h s 移动通信系统的特点和结构原理、自适应波束成形算 法与多线程编程方法等相关背景知识；第3 章主要描述了整个加入了自适应波束 成形技术的p h s 仿真系统的设计思想与实现方案；第4 章阐述了在p h s 仿真系 统中提到的几种自适应波束成形算法的实验结果及其分析；第5 章主要总结一下 所做的工作。 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 第2 章背景知识 2 1 p h s 系统概述 2 1 1 简介 p h s 系统是由日本发展的一种移动通信系统。在日本，p h s 标准规范从1 9 9 0 年开始着手作业，1 9 9 3 年宣布r c r s t d 2 8 作为p h s 的规范标准，1 9 9 4 年开始 推出p h s 系统实验网，1 9 9 5 年p h s 产品开始投放市场，p h s 系统正式投入商业 使用。 p h s 系统将市话传输与无线接入技术有机结合在一起，利用市话的交换传输 资源，以无线方式提供在一定范围内具备移动漫游性能的个人通信终端。简而言 之，就是通过一定的技术手段，是传统意义上的固定电话可以在无线网络覆盖范 围内随身携带、移动使用。 p h s 系统具有以下特点【1 州： p h s 系统是一种低功率的移动通信系统，低功率意味着可以制作地更紧凑、 体积更小的手机，而且一次充电后，通话时间长。p h s 系统的组网采用微蜂窝技 术，这意味着能满足商业中心等区域对通信的大容量需求，同时又可消除蜂窝区 移动系统在地下室或室内等区域的“盲区”，支持覆盖区域内手机的无缝漫游、 越区切换。 p h s 系统采用动态信道分配技术，当通话占用信道的信噪比降低时，系统可 以自动将通话切换到信噪比高的信道上继续通话，从而保证了通话质量的可靠 性。此外，系统可自动调整各基站的载频分配方案，方便扩容，省去了系统建设 前及建成后改扩建中复查的频率规划工作，方便了系统安装，增加了系统容量。 p h s 系统采用3 2 kb p sa d p c m 话音编码方式，通话质量非常接近于有线市 话，并优于普通蜂窝电话通话质量。它采用玎4 一q p s k 调制方式，以3 8 4 k b p s 的信道速率进行信息传送，大大提高了频谱利用率。有完善的鉴权和保密机制， 防止非法用户进入和窃听。用户终端p s ( p e r s o n a ls t a t i o n ，相当于手机) 通过空 中无线信号与基站c s ( c e l ls t a t i o n ) 取得联系，再通过基站与电信的业务平台 接通。通过业务平台于其他通信网络的互联，用户可以在网络覆盖范围内自由拨 打接听电话。 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 p h s 系统与交换机接口灵活，可通过标准化的v 5 2 接口相连，或者通过信 令转换设备与交换机的n o 7 信令系统相连。它充分地利用了现有的市话网络， 为用户提供固定市话网的移动终端服务和多项增值业务，同时也可以实现跨地 市、跨省大规模覆盖范围内的网络互联。 p h s 系统是适合于城市建设覆盖本地的无线市话网的系统。它充分利用现有 的市话网资源，为用户提供固定市话网的移动终端服务和多项增值业务。小灵通 服务的客户可在本地网络服务区内，以等同固定电话的资费和业务使用方式，享 受话音、短信、数据等通信业务。小灵通为我们的通话提供了大大的方便。尤其 它的单向收费标准，和固定电话一样的通话费用吸引了大部分人的消费。可以说 小灵通是近几年电信进入移动通信市场的一把有利的武器，也是目前移动通信市 场的一大突破，大有和移动分庭抗礼之势。 小灵通具有市话和移动电话的特点。该系统采用微蜂窝技术，将电话以数字 无线方式接入固定电话网，作为固定电话延伸的业务。由中心控制模块( c c m ) 、 移动管理中心( m m c ) 、操作维护中心( o m c ) 、接入网络单元( a n u ) 、基 站控制器( c s c ) 、基站( c s ) 和手机( p s ) 组成。p h s 的网络结构模型如图 所示。 图2 - 1p h s 系统网络结构 p h s 系统的空中接口标准起初由日本无线电系统研究与开发中心r c r 负责 制定，r c r 于1 9 9 3 年通过p h s 空中接口的标准，称为r c rs t d 2 8 。1 9 9 4 年 r c r 发展成为无线电产业协会a r i b ，p h s 标准转由a r i b 制定。 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 r c r s t d 2 8 协议是由运营商和a r i b 所制定的。1 9 9 2 年发布第一版；1 9 9 5 年第二版；1 9 9 7 年第三版；目前是第四版。它是针对亚洲城市人口密度高，因 而对容量要求高、移动速度低、价格低廉而制定的，主要用于传输语音和数据。 它的射频标准如下： 频率：1 9 0 0 m h z 1 9 1 5 m h z 载波间隔：3 0 0 k h z 多址方式：m u l t i - t d m a 双工方式：t d d 每信道多址数：4 调伟4 方式：石，4 一q p s k 发射功率：1 0 m w - 5 0 0 m w 声音编码方式：3 2 k b p s a d p c m 2 1 2 帧结构 p h s 系统中每帧长5 m s ，采用时分复用，分为八个时隙，每一时隙为6 2 5 u s 。 八个时隙中前四个为下行时隙( c s - - ) p s ) ，后四个为上行时隙( p s - - ) c s ) 。因 此，每个载波频点可以建立四个双工通道。每个时隙称为一个物理信道，它可以 用于信令的传输，称为控制时隙；也可以用于用户信息，称为通信时隙。四个通 道中包括一个控制信道和三个业务信道。控制信道可以占用四个时隙中的任意一 个，但一旦占用以后就固定在这个时隙上使用，直到下一次启动再重新分配 4 1 。 。+ 。1 。 r i t i r j 控制时隙通信时隙 i 时隙1 叫( 6 2 5 u s ) 卜一 图2 2p i i s 系统的时隙分配 每个物理信道中可以包含一个或多个逻辑信道，视逻辑信道需要的比特数决 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 定。逻辑信道指具有某种功能的数据组，如用于用户信息的信息( 业务) 信道或 呼叫控制的控制( 信令) 信道，常常在一个物理信道同时安排信息和控制着两种 逻辑信道。p h s 空中接口的逻辑信道的分类与说明如下表： 表2 - 1p h s 的逻辑信道 占用时隙逻辑信道名称功能 控制时隙 广播控制( b c a 毋 c s - - ) p s ，单向传输c s 的识别码等公用信息 寻呼( p c h )c s 专p s ，单向寻呼p s ，可以在一个或数个为蜂窝内 同时进行 信令控制( s c c h ) c s p s ，用于呼叫建立过程中双向传送系统指令， 如登记、鉴权、信道分配等 用户分组( u p c n ) p s c s ，用于p s 主叫得建立，请求分配一个s c c h 信道等 、 同步( s c h ) c s 静p s ，使双向通信时隙同步，给出同步码字、复 帧的组合方式、复帧中的帧号等信息 通信时隙 单独o c h ) c s p s 双向传输用户信息 低速结合控制 c s 静p s ，占用部分通信时隙，双向传输与某信道有 ( s a c c h )关的功率控制、用于微蜂窝切换的小区信号强度信息 等 高速结合控制 c s 静p s ，占用全部通信时隙、双向传输与某信道有 ( f a c c h ) 关的信令，如进行小区切换时，因占用时间短，不妨 碍通话 业务o c h )c s 铮p s ，语音业务和数据业务 每个时隙包含2 4 0 b i t 数据。控制时隙和通信时隙的结构略有不同，如图。每 个时隙的数据中，除了信息内容外，都包含有一个的标识字( u w 字) ，用于表 示该时隙是控制时隙还是通信时隙，是上行时隙还是下行时隙，也可以用它作为 导频信号。另外，每一帧都有1 6 b i t 的c r c 校验。时隙的具体结构如图所示： 中山大学硕士学位论文 自适应波柬成形技术在p h s 系统中应用的研究 1 ! ! ! ! ! ! ! ! 墅! ，l rs sp r【7 l rc ilc r cg t ( a ) 控制时隙 | ! 塑堕! ! ! 垫! ，l rs sp ru w c i s a i c r c g t ( b ) 通信时隙 图2 - 3 控制时隙与通信时隙的帧结构 时隙各个组成部分如下表所示： 表2 - 2 时隙各个组成部分列表 缩写长度用途 r4 相邻时隙缓冲间隔。供终端和基站打开发射机所需的时间。可取4 位 全0 。 s s2 初始码元。供远程解调器建立相位，用于同步。为“1 0 ” p r 6 2 6前导码。用于位时钟同步。一般取“0 1 1 0 0 1 1 0 ” u w 3 2 1 6 识别字。作为接收情况的指标，区分控制时隙与通信时隙。 c i4 逻辑信道标志。 s a1 6s a c c h 的信息。 l 1 0 4 1 6 0控制( 通信) 时隙内容 c r c1 6 循环冗余校验 g t1 6 保护时间。用于防止帧同步较差的情况下，相邻时隙数据重叠。取1 6 个“0 ”，延续时间为4 1 7 u s 对于非盲的自适应算法，需要一段已知的数据作为训练序列。以通信时隙为 例，它的s s ，p r 和u w 都是可以预先知道的信号，因此，只要能正确的找到帧 的起始位置，就可以将这2 4 位作为自适应算法的训练序列。 中山大学硕士学位论文 自适应波柬成形技术在p h s 系统中应用的研究 2 2 自适应波束成形算法期 自适应滤波器是在最佳滤波器的基础上发展起来的，自适应是指在环境统计 特性未知或变化的情况下调整系统使之保持最佳工作。因此，直接采用最佳滤波 准则的m m s e 算法与其它算法相比，在单纯的滤波效果上有着明显的优越性。 最小均方误差( m m s e ) 准则认为滤波器输出与需要信号之差的均方值最小为 最佳。维纳于1 9 4 9 年首先根据这一准则导出了最佳线性滤波器，奠定了最佳滤 波器的理论基础。因此，人们把根据最小均方误差准则建立的最佳线性滤波器称 在m m s e 方案中，根据输入信号x ( n ) 一k 0 ) x 2 ( n ) ，x u ( n ) 1 7 对参考信号 d ( n ) 进行估计，并取线性组合器的输出信号y ( n ) 为d o ) 的估计值d ( n ) ，即 d ( n ) 一y ( n ) 一 ，“x o )( 2 1 ) e ( n ) 一d o ) 一y ( n ) - d ( 一) 一w ”x ( n ) ( 2 2 ) 亭- e l e o ) 1 2 ) e e o k o 蚪 ( 2 3 ) n f l , , j 2 1 e i d ( n ) | f 一2 r e w a + 矿也w 、一 其中，科 表示取统计平均，r c 表示取实部，咒。- e 工( n 冷”o ) 为输入矢 量工o ) 的自相关矩阵，k - e x ( n ) d o ) ) 是输入信号j 白) 和d 扣) 的互相关矢量。 最佳求解问题归结为如下的无约束最佳化问题 m i n m i n ( e e 。蚓 亭取最小值的最佳权w o 可由令亭对w 的梯度为零求得： v 。亭一0( 2 - 5 ) f l q 式( 2 - 3 ) 和( 2 5 ) 可得最优权值，耐应满足的方程： j o w 。- r a( 2 - 6 ) 若满秩，则m m s e 算法所得到的最优解为： 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 一硭k( 2 - 7 ) 上式为m m s e 算法的主要计算公式，结构相当简单，理论上此算法的滤波 性能应该最优，但矩阵求逆运算为整个算法的关键部分，影响了整个算法的运行 性能。由于实现此算法的空间与时间复杂度都比较高，因此制约着整个算法的应 用前景。 m m s e 算法流程如下所示： 表2 - 3m m s e 算法流程 参量 l e n ：同步信号个数，b l l m ：天线阵元数 初始条件 无 运算 1 、取得长度为l e n 的一组工o ) d ( n ) 2 、计算r 一 善o m o o 3 、计算月一e i x ( n ) x ”o ) ) 4 、最优权向量w 叫一r 一1 r 2 2 2u m s 算法 l m s ( 最小均方) 算法是基于最小均方误差准则( m m s e ) 的维纳滤波器和 最陡下降法提出的。l m s 算法最早的提出是应用在时域自适应滤波，可以避免 m m s e 所需要的矩阵求逆运算，大大降低算法复杂度，后来被证实同样可以应 用在空域的自适应滤波。 由上文可知，均方误差的代价函数为： 亭：咖e j d ( n ) i ) j 矧2 r 嬲w 倍 一 2 ) - c 旷】+ ，”w 、 求亭对 ，的梯度为： v 。亭一2 ，k ( 2 9 ) 使v ，亭- o 就可得到w 。一蛾( 2 - 1 0 ) 现在，为了不直接对求逆而得到w 叫，先设置一个w 的初值w ( o ) 。可以 想象，沿着宇减小的方向调整i ，应该可以找到w ，。因为梯度的方向是亭增长 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p 玲系统中应用的研究 最快的方向，所以负的梯度方向就是亭减小最快的方向。这样，我们采用如下的 递推公式来调整w 以寻求，。 w ( n + 1 ) 1 w ( h ) 一，刃。亭1 w ( 一) 一芦【2 r 。w 一，0 】( 2 - 1 d 式中“为常数并被称为步长因子，这就是“最陡下降法”的递推公式。 在l m s 算法中用如下的梯度估计值 v 。亭一v ，e l p ( n ) 1 2 ；v 。l e ( n ) 1 2( 2 - 1 2 ) 即它用瞬时输出误差功率的梯度v ，i e ( n ) 1 2 作为均方误差梯度v 。以i e o ) 1 2 的估计值。换句话说，它用瞬时平方误差性能函数l e ( n ) 1 2 代替了均方误差代价函 数，所以我们可以推出l m s 的递推公式 w ( n + 1 ) 1 w ( n ) 一p v 。i e ( n ) p( 2 - 1 3 ) 由于e ( n ) 1 d 0 ) 一y ( n ) 1 d o ) 一w ”x ( n ) ，从而可得到 v 。i e ( n ) 1 2 1 2 乒e 。q 弦0 )( 2 1 4 ) 我们最后得到l m s 算法的递推公式为： n + 1 ) - w 0 ) + 2 e o n o )( 2 - 1 5 ) l m s 算法应用到p h s 系统中时，利用p h s 帧中每一个时隙的s s 、p r 、u w 字段用作参考信号，步长因子口对收敛过程影响很大。芦必须足够小，以保证满 足收敛条件0 t 芦 1 k ( k 为自相关矩阵屯的m 个特征值 ，如，中的 最大值) 。考虑实际情况及经过多次测试，在本程序中我们选取1 0 0 0 l ，在收 敛性和过渡性方面都有相当好的效果。失调系数6 生卑用来描述l m s 算法 的稳态均方误差对维纳误差的相对偏差，也可以用来表征稳态误差。由推理可得， l m s 算法的失调系数可表示为6 一譬一p t r r = ，即6 - p 嘏，可以看出， 最血 滤波器阶数m 愈高，步长因子肛和输入信号功率兄愈大，就使得失调系数愈大， 稳态误差愈大。同时，在研究l m s 算法的过渡过程时，引入时间常数 t 。i 百丽1一击，用来表征算法的收敛速度a 步长因子越大，t 越小， 中山大学硕士学位论文自适应波柬成形技术在p l i s 系统中应用的研究 收敛速度越快。 l m s 算法流程如下表所示，可以看出l m s 算法的复杂度为d 0 ) 。 表2 - 4l m s 算法流程 m = 滤波器抽头i t = 步长因子= 0 o o i 参量 o c t ) - l ，最t e 怕玎) 1 2 ) 初始条件w ( 0 ) = 0 或由先验知识决定 对n = l ，2 ， 1 、取得x ( n ) ，d ( n ) 运算 2 、滤波_ ，o ) 一”o 扣0 ) 3 、误差估计e ( n ) 一dn ) - y ( n ) 4 、更新权向量w ( n + 1 ) 一w 0 ) + 2 9 e + o ) 州一) 2 2 3n l m s 算法 l m s 算法的失调系数6tp t r l k - p 疵巴，当输入功率变化时，失调系数即 过剩误差p s 。) 将变化。若使l m s 算法的p 值随输入功率只成反比变化，则 过剩误差将保持不变。或者说若选 肛( ) 志 则可保证l m s 算法的过剩误差为给定值。因为 t r r = - t r e x ( n ) x ” ) ) - e t r x ( n ) x ”o ) 1 ) 一e x ”o ) z o ) ) 所以若取 p o ) - x n l ( n ) x ( n ) ( 2 - 1 6 ) 则可达到上述要求。此处弘为控制步长的常数。此时l m s 算法公式成为 w 。+ 1 ) 一，o ) + 蒜e 。) 善o ) ( 2 1 7 ) 这就是n l m s ( n o r m a l i z e al m s ，归一化l m s ) 算法的递推公式。 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 在实际应用时，工”0 p o ) 即输入信号功率可能很小，从而使p o ) 不稳定， 因而通常采用如下的递推公式作为归一化l m s 算法： w 。+ 1 ) w 。) + j i 蒜e + 。) 工。) ( 2 - 1 8 ) r l m s 算法流程如下表所示，可以看出n l m s 算法的复杂度为d 0 ) 。 表2 - 5n l m s 算法流程 参量 m ：滤波器阶数 u ：步长园子= 0 0 5 ，0 0 或 = 0 若y k 0 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 式中墨和分别是在同相位和正交两路的检测出不断扩大比特信息。 3 6 成形滤波器埘 根据p h s 系统的规定，接受和发送基带信号需进行平方根升余弦滚降滤波 处理。滤波器采用4 8 阶有限长单位冲击响应( f i r ) 滤波器，滚降系数a = o 5 。 f i r 成形滤波器的结构如图所示： 图3 - 1 4f i r 成形滤波器结构图 升余弦滚降滤波器的幅频响应可以表示为 以( ，) r ，( o - l l i ( 1 一a ) 2 t ) 牛c o s 却等) 忙( - y i “出l t 警 p s t ， o ，忡宁 ( t 为码元周期，口- 0 5 ) 在p h s 系统中，发送滤波器和接受滤波器为两个相同的平方根升余弦股降 滤波器，即： 协( ，) f - i c ( f ) f 一戤( 厂)( 3 3 2 ) 其中，置。( ，) 由公式( 3 3 1 ) 给出。 系统中，我们采用8 倍采样，即 而，i8(3-33) 则重叠频率为譬一手，又因为公式( 3 3 2 ) ，所以可以在一雁为间隔对 薪蓟 一 军 中山太学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 墨。( ，) 进行采样，其中n 固定为4 8 。因此可以得到： 6 。o ”) - g a m ) - 、= 丽- 、j i ：i 丽一萎j l l ( ) e j 鲁扣+ ；加 则滤波器的冲击响应可以表示为 i l ( 托) = 万1 磊n - 1 q ( m 扣寺“争 3 7 移动台运动模型 ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 综合考虑移动台运动所造成的多普勒频移效应以及对理想信号到达基站的 方向的影响，本模型中假定移动台从a 点接入，然后做一匀速y 的直线运动， 运动方向为与天线阵方向成一夹角f ，如图： v 。 。矿 ，、 | 1 5 0 。 童 r 、i r 0 x 图3 1 5 移动台运动模型示意图 其中吼为移动台移动到某一点b 时与天线阵列方向的夹角。 仿真程序根据用户提供接入参数，假设移动台从a 点开始接入，以设定方 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 向以速度为y 的匀速直线运动，随位置改变，移动台基站连线与天线阵列垂线 方向的夹角口不断改变，即移动台发到基站的上行理想用户信号到达方向( d o a ) 不断改变。仿真程序着重测试在这期间基站自适应天线阵列波束主瓣对移动台的 跟踪性能及在采用自适应波束成形技术后系统的误码、误帧性能。 3 8 信道模型 1 3 1 3 8 1 真实信道中的传播模型 在小尺度衰落模型中，瞬时接收信号强度会快速波动，这是因为接收信号是 来自不同方向的许多分量之和，因为相位是随机的，所以分量之和的变化范围很 大，我们下面所做的模型中，其强度服从瑞利衰落分布，其接收功率最大可变化 3 到4 个数量级( 3 0 4 0 d b ) ，但本地平均功率在几米的范围内保持恒定。当移 动台更加远离发射机时本地平均接受功率将逐渐减小，大尺度传播模型估计的正 是这种本地平均信号电平。我们采用的大尺度衰落模型基于城市环境，其平均路 径损耗公式： p l ( d b ) - 3 2 4 4 + l o n l g d ( k i n ) + 2 0 1 9 f ( m h z )f 3 3 6 ) 其中，h 为路径损耗指数，( 基于一般城市环境我们取n 一2 7 ) ，d 为基站与 移动台之间的距离，为载波频率 3 8 2 瑞利衰落信道的特性 由于移动台运动而造成在接收端的多普勒频移可表示为： 正。 e o s o ( 3 3 0 ， 其中v 为移动台运动速度，a 为传播波长，0 为移动台运动方向与电波入射 方向夹角。 多径衰落是移动台在移动过程中受到由不同路径来的同一信号源的电波干 扰所造成的结果，它的变化是随机的，因此只能用统计或概率的观点来研究并作 定量的分析。 假设传输信号被垂直极化，则移动台收到的平面波重叠场e 。为： 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 t 2 厶善e c o s ( 心f + 吃) ( 3 - 3 8 ) 当n 很大时可以近似为高斯随机过程： t t , ( t ) c o s w , t - t , ( t ) s i n w j( 3 - 3 9 ) 其概率分布公式为： e 的包络为，：撕f i 了， 荆；志e 一小争心或 口删a n 凸 将p 幔，i ) 变换为p ( r ，0 ) ，有 肿一刍e 舌 由于0 在0 幼内服从均匀分布，故有 2 x 1 r 2 p ( 删2 善寺2 一枷 其中p ( r ) 为瑞利密度函数，为幅度。 对于衰落信号的功率谱s ( f ) ，可设信号的垂直场强为 e z 一c l c o s t + 吃) ，它有厅个入射波吃一q f + 丸，在。一2 z 内的入射角是连 续的。用p ( a ) d a 表示a d a 内的功率，用c ( a ) 表示接收天线增益，b 为平均功 率，则按角度接收到的功率是6 g 位) p ( x v 口，频率变化，( 口) - 0 0 5 0 r ，故 跗) | 志懈抑( 训恻。孑b 丽虿1 雨 p 4 1 ) 其中d i f ( a ) i 一厶s i n a l d a i ，c ( a ) 一1 对b 进行归一化得到典型的多普勒功率普为 s 加刁丽1 ，i f - l l 繁 卜 图4 - 1 8r l s 算法的波束变化 5 u | i j j 南 叶1 山大学硕士学位论文自适应渡裒成阡；技术在p h s 系统中应f h 的研究 圈4 - 1 9m m s e 算法的跟踪性能 图42 0 m m f s e 算法的波柬变化 5 i 中山大学硕士肇位i 仓文 白适应波束成形技术在冉塔系统中应用的研究 默图中可暖定性的看到，上述各种自适应算法基本i - 都能跟踪上移动台的位 置变化，同时能馒零陷对准r 扰方向。 4 3 各种算法的误帧率性能 下面我们测试使用- 自适应波束成形技术与没有使用的情况下，两者的误帧 率性能差别。我们设定移动台在基站覆盖范围虎，在随规位置l 以角度随机的速 度v = 1 8 m i x 运动，在不同的环境条件下，统计不同算法的误帧率性能如下： s i n r 圈4 - 2 1 各种算法随信干噪比变化的误帧事特性 可以看出，在没有应黼自适应渡衮成形技术债况下，信干磲比大概在 q d 8 误帧辜约为1 0 ，而其他各种自适应算法基本上在信干噪比为7 d b 时，误帧率 中山大学硕士学位谗：史自适应波束成形技术在脯系统中应用的研究 就已经低于1 0 了。由此可见，使用自适应波束成形技术可以有效地提升p h s 系统的性能。 接着，我们设定移动台在基站覆盖范围内，在固定s i n r = 7 9 d b ( s n r = l o d b ，跚= 盛坞= 1 5 d b ) 的条件f ，在不同的移动台速度条件下，统 计不同算法的误帧率性能如下： v ( m s ) 阁4 - 2 2 各种算法瞰变化的误帧率特性 可以看出，随着速度的增大，系统豹误帧率也随之增大。 总结以卜两幅图，从误帧率性能来讲，在各种自适应算法中，m m s e 算法 的效果最好，在环境比较恶劣的条件下，依然有良好的性能，r l s 算法次之， l m s 算法和n l m s 算法之间的性能相差不大。但是可以看到，随着信干噪比的 不断增大或速度的不断降低，各种自适应算法之间的性能差别逐渐减少，因此， 就误帧率性能的测试结果而言，所测试的各种自适应算法都可以应用于实际环境 当中。 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 4 4l m s 与n l m s 的收敛曲线 最后，我们比较一下不同功率的发射信号下的l m s 和n l m s 这两个迭代算 法的收敛曲线。 渊 蹬 迭代次数 圈4 - 2 3l m s 算法的收敛曲线 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 测 继 融- - - 障_ | 叫l _ - ；0。 n l - 0 i 渺拳墨io l jl 二= ：型! i ： 图4 - 2 4n l m s 算法的收敛曲线 2 可以看到不论接收到的信号大小如何变化，n i 埘s 算法的收敛曲线基本一 致；而对l m s 算法而言，当实际信号与参考信号量级差不多时，算法是收敛的， 但当实际信号和参考信号相差比较大的时候，算法就不收敛了。这是由于l m s 1 算法中对卢的限制是0 t t ，当输入信号较大时，a 。就会较大，从而使限 制条件不满足，导致算法发散。因此在实际当中，如无法确定接收到的信号的功 率大小，则l m s 算法存在发散的隐患。 4 5 小结 通过对p h s 仿真系统进行详细的测试，对比使用了自适应波束成形技术的 p h s 模型与没有使用的p h s 模型的结果，分析不同环境及不同的自适应算法下 的结果，我们可以知道，加入自适应波束成形技术，的确可以使p h s 系统性能 得到提高。 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 而在各种不同算法中，m m s e 和r l s 算法的性能比较好，然而由2 2 节的 叙述可以知道，两个算法都需要计算信号相关矩阵墨。的逆矩阵r 0 ，他们之间 的区别是m m s e 算法是直接求解，r l s 采用递推的方式，但仍需要很多矩阵或 者向量乘加等运算，导致这两个算法的时间复杂度与空间复杂度比l m s 和 n l m s 算法高很多。而l m s 和n l m s 算法两者的性能相差不大，但l m s 存在 发散的风险。 因此我们认为，将自适应波束成形技术应用于p h s 移动通信系统时，n l m s 算法是以上各种自适应算法中最佳的一种。 中山大学硕士学位论文自适应波束成形技术在p h s 系统中应用的研究 第5 章结束语 小灵通p h s 系统作为数字无绳电话，以其优良的服务、低廉的收费及较低 的发射功率赢得了广大民众，其用户不断递增，前景非常广阔。目前随着p h s 系统的用户数量的逐渐增多，人们对小灵通的性能和网络的要求越来越高。如何 改善p h s 系统的信号，提高其通话质量，为用户提供更好的服务，成为一个非 常有实用价值的课题。将自适应波束成形技术应用于p h s 移动通信系统中将会 是一个提高p h s 系统性能的解决方案，本文就此问题进行了研究。 本文介绍了p h s 移动通信系统的结构和特点，并深入分析了p h s 系统的基 带传输过程；然后阐述了自适应波束成形技术的原理，并介绍了几种适合本系统 应用的自适应波束成形算法，包括m m s e 、l m s 、n l m s 和i 也s 等。在以上理 论分析的基础上，我们使用v i s u a lc + + 编写了一个应用了自适应波束成形技术 的p h s 仿真系统，利用多线程技术模拟了p h s 移动通信系统的基带传输过程。 通过该仿真系统，我们可以了解到使用自适应波束成形技术，的确可以提高p h s 系统的通信质量。同时，我们综合算法性能和实现代价，认为n l m s 算法是一 种适合p h s 系统的最佳自适应波束成形算法。 不过，本文对自适应波束成形技术应用于p h s 移动通信系统的研究仍然存 在许多不足之处。系统目前只考虑单一时隙工作的情况，也就是只有一个移动台 的情况，将来可以考虑加入多个移动台同时运动的情况。另一方面，在p c 机上 引入多线程技术来进行仿真，虽然更好的模拟了真实系统中各个模块同时运行的 情况，但是却使得算法的占用系统资源和执行时间情况无法准确的测定，而只能 根据各种算法理论来进行推算。 中山大学硕士学位论文 自适应波束成形技术在p b s 系统中应用的研究 参考文献 【1 】徐福新小灵通个人通信接入系统(