（物理电子学专业论文）智能天线的高分辨率doa算法研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信的飞速发展，与之而来的问题在不断增加，如高质量的通信质量 ( q o s ) 、高速的数据传输速率、大容量的通信信道、解决多用户间的相互干扰等。已 有的无线通信技术己无力解决这些问题，而智能天线技术被证明是可以用来解决这些 问题的可行方法，可以显著降低用户信号间的干扰、提高频谱利用率和系统容量，如 大唐移动推出的t d l t e 技术中便采用了智能天线技术。 数字信号处理是智能天线的核心关键技术，其中包括上行链路中的来波方向估计 ( d i r e c t i o no f a r r i v a l 。d o a ) 和下行链路中的波束赋形( b e a mf o r m i n g ) ，其中空间谱 估计方法是近年来d o a 的一个重要研究方向。本文重点研究了智能天线的d o a 空间 谱估计算法，以实现更高的d o a 精度。本文主要内容如下： 一、概述了课题的研究背景及其研究意义，并概要介绍了智能天线的发展现状。 二、论述了智能天线的理论基础，特别是对智能天线的工作原理及智能天线的阵 列模型做出了详细的分析，为d o a 算法的研究准备了基础。 三、对传统的d o a 算法进行了详细的理论分析，并给出了仿真比较，重点论述了 子空间方法( m u s l c 算法) 。 四、针对空间平滑m u s i c 算法的分辨度小、存在孔径损耗等缺点，提出了一种基 于t o e p l i t z 的m u s i c 改进算法。本方法不仅具有空间平滑m u s i c 技术对强相关信号 具有良好分辨率的优点，同时弥补了空间平滑m u s i c 技术分辨度小、存在孔径损耗、 算法复杂度高的缺点。实验仿真结果也有效地验证了该方法。 五、提出了一种新的利用导频信号来进行d o a 估计的方法，与以往所有的d o a 方法不同的是，该方法是在波束赋形后的d o a 估计算法，具有高分辨率、能够分辨数 目大于阵元数目的来波信号个数。本文将该方法应用于均匀圆形天线阵，既能发挥均 匀圆形天线阵的固有优势，同时又具备该方法的上述优点。 最后，对本文工作进行了总结和回顾，提出了未完成和有待改进的地方，并展望 下一步工作计划。 关键词：智能天线；d o a ；m u s i c ；t o e p l i t z ；均匀圆形天线阵( u c a ) ；高分辨率 广东工业大学硕士学住论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ea c c o m p a n i e d p r o b l e m sa r ea l s oi n c r e a s i n g ，s u c ha sh i g hc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y 、h i g hs p e e dd a t a r a t e 、l a r g ec h a n n e lc a p a c i t ya n dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h el a r g en u m b e ro fu s e r s a n de t c t h ee x i s t i n gw i r e l e s st e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e dt ob eu n a b l et os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，h o w e v er ，t h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yp r o v e dt ob eaf e a s i b l e m e t h o d t h i st e c h n o l o g yc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h eu s e m ， m e a n t i m e ，i m p r o v i n gs p e c t r u me f f i c i e n c ya n ds y s t e mc a p a c i t y t h et e c h n o l o g yh a s b e e nw i d e l yu s e d ，f o re x a m p l e ，i nd a t a n gm o b i l el a u n c h e d t d l t et e c h n o l o g y ， w h i c ha d o p t e ds m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y i ns m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y ，t h em o s ti m p o r t a n ta n dc r i t i c a li st h ep a r to fd i g i t a l p r o c e s s i n g ，w h i c hi n c l u d e st h ea r r i v i n gd i r e c t i o ne s t i m a t i o no ft h ec o m i n gw a v e si n u p l i n ka n dt h eb e a mf o r m i n gi nd o w n l i n k s p a t i a ls p e c t r u me s t i m a t i o nm e t h o di sa n i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ed o a m e t h o di nr e c e n ty e a r s ，t h i sp a p e ra n a l y z e s s o m ec l a s s i cs p a t i a ls p e c t r u ma l g o r i t h m s ，a n dm a d es o m ei m p r o v e m e n t st ot h e i n a d e q u a c i e so ft h e s ea l g o r i t h m si no r d e rt oa c h i e v eh i g h e ra c c u r a c y , s p e c i f i c a l l ya s f o i l o w s ： f i r s t ，t h ep a p e rp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n di t s s i g n i f i c a n c e ，a n da no v e r v i e wo ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h es m a r ta n t e n n a s e c o n d ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h es m a r ta n t e n n a ， e s p e c i a l l ym a k e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es m a r ta n t e n n a a n ds m a r ta n t e n n aa r r a ym o d e l ，t om a k ep r e p a r a t i o n sf o rt h ed o aa l g o r i t h m f o i l o w e d t h i r d ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft h et r a d i t i o n a ld o aa l g o r i t h m 。a n dm a k e d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so fs o m eo ft h e s ea l g o r i t h m s ，t h es i m u l a t i o nc o m p a r i s o n a r ea l s op r e s e n t e d i np a r t i c u l a r , t h ef o c u sp o i n t st os u b s p a c em e t h o d s ( m u s i c a l g o r i t h m ) ，t om a k ep r e p a r a t i o n sf o rt h em e t h o da sp r e s e n t e db e l o w a b s t r a c t f o ur i n t r o d u c et h ec o m m o n l yu s e ds p a t i a ls m o o t h i n gm u s i ct e c h n o l o g y ，b u ti t s s h o r t c o m i n gi sh a r dt od i s t i n g u i s hb e t w e e ns m a l li n t e r v a ls i g n a l sa n dl o s so fa p e r t u r e ， t h u s ，a ni m p r o v e dm u s i ca l g o r i t h mi sp u tb a s e do nt o e p l i t z t h em e t h o dn o to n l y h a st h ea d v a n t a g e so fs p a t i a ls m o o t h i n gm u s i ct e c h n o l o g y ，w h i c hi so fg o o d r e s o l u t i o no ns t r o n gs i g n a l s ，i nt h em e a n t i m e ，i tm a k e su pt h es h o r t c o m i n g so fs p a t i a l s m o o t h i n gm u s i ct h a th a sl o wr e s o l u t i o no n s m a l li n t e r v a ls i g n a l s 、a p e r t u r el o s s a n dh i g hc o m p l e x i t ya l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ov e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h e m e t h o d f i v e ，p r o p o s ean e wd o a e s t i m a t i o nm e t h o du s i n gp i l o ts i g n a l ，w h i c hi sd i f f e r e n t w i t hp r e v i o u sd o am e t h o d i t sd o ae s t i m a t i o ni sa f t e rb e a mf o r m i n g t h em e t h o d h a sh i g h e rr e s o l u t i o n ，a n dc a nd i s t i n g u i s ht h en u m b e ro fw a v en u m b e r so fs i g n a l s g r e a t e rt h a nt h en u m b e ro fa r r a ye l e m e n t s t h e na p p l yt h i sm e t h o di nu n j f 6 n 1 1 c i r c u l a ra r r a yw h i c hn o to n l yh a st h ea d v a n t a g eo fu n i f o r mc i r c u l a ra r r a y , b u ta l s o h a v et h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o d l a s t ，t h r o u g hs u m m a r i z i n ga n dr e v i e w i n gt h ew o r ko ft h i sp a p e lp u tw h a tt ob e c o m p l e t e da n di m p r o v e d ，a n dp r o s p e c t so ft h en e x ts t e pw o r kp l a n k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a s ；d o a ；m u s i c ；t o e p l i t z ；u n f o r n lc i r c u l a ra r r a y ( u c a ) ；h i g hr e s o l u t i o n 广东工业大学硕士学位论文 c on t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i c o n t e n t v i c h a p t e ril n t r o d u c t i o n 。1 1 1o v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fs m a r ta n t e n n a 1 1 。2 c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fs m a r ta n t e n n a 2 1 3 a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs m a r ta n t e n n a 4 1 4 p a p e rc o n t e n ta n da r r a n g e m e n t 4 c h a p t e r1 1 - f o u n d a t i o no fs m a r ta n t e n n a 6 2 1b a s i cc o n c e p to fs m a r ta n t e n n a 6 2 1 1b a s i cs t r u c t u r eo fs m a r ta n t e n n a 6 2 1 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fs m a r ta n t e n n a 7 2 1 3c l a s s i f i c a t i o no fs m a r ta n t e n n a 9 2 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs m a r ta n t e n n aa r r a y 1 0 2 2 1e x p r e s s i o no fa n t e n n aa r r a y 1 0 2 2 2s i g n a lp h a s o ra n dr e l a t e dm a t r i xo fa n t e n n aa r r a y 15 2 3s u m m a r y 1 6 c h a p t e r a n a l y s i sa n ds l m u l a t i o no ft r a d i t i o n a ld o aa l g o r i t h 17 3 1l i t e r a t u r er e v i e w 1 7 3 2t r a d i t i o n a lm e t h o do fd o ae s t i m a t i o na l g o r i t h m 18 3 2 1b a r t l e t ta l g o r i t h m 18 3 2 2c a p o na l g o r i t h m 18 3 2 3s i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r i s o no fa b o v et w oa l g o r i t h m 19 3 3d o ae s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns u b s p a c e 2 1 3 3 1e s p r i ta l g o r i t h m ( r o t a t i o ni n v a r i a n ts u b s p a c ea l g o r i t h m ) 2 1 3 3 2m u s i ca l g o r i t h m 2 3 c o n t e n t s 3 3 3s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 2 5 3 4 s u m m a r y 2 7 c h a p t e r s p a c es m o o t h i n ga l g o r i t h ma n dan e wm u s i cb a s e d o nt o e p l i t z 。2 8 4 1s p a c es m o o t h i n ga l g o r i t h m 3 6 - 3 8 】2 8 4 1 1f o r w a r ds p a c es m o o t h i n ga l g o r i t h m 2 8 4 1 2b a c k w a r ds p a c es m o o t h i n ga l g o r i t h m 2 9 4 1 3f o r w a r d - b a c k w a r ds p a c es m o o t h i n ga l g o r i t h m 3 0 4 1 4a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s 3 1 4 2m u s i c a l g o r i t h mb a s e do nt o e p l i t z 3 3 4 2 1an e wi m p r o v e dm u s i cb a s e do nt o e p l i t z 3 3 4 2 2a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s 3 5 4 3 s u m m a r y ：；7 c h a p t e rvan e wd o a m e t h o d a n di t sl m p r o v e m e n t 3 8 5 1s b d o a a l g o r i t h mp r i n c i p l e 3 8 5 1 1s i g n a lm o d e l 3 8 5 1 2m e t h o dd e s c r i p t i o n 3 9 5 1 3a l g o r i t h me x p r e s s i o nb a s e do nt w os u b a r r a yd i s t r i b u t i o n 4 0 5 2s b d o a a l g o r i t h ma p p l i c a t i o n 4 3 5 2 1s i g n a lm o d e l 一4 4 5 - 2 2m e t h o dd e s c r i p t i o n 4 4 5 3a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s 4 7 5 4 s u m m a r y 5 1 c o n c l u s l o n 5 2 o r i g i n a ls t a t e m e n t 5 4 m a l nr e f e r e n c e s 5 5 p a p e rp u b l i c a t i o n 5 8 t h a n k s 。5 9 第一章绪论 1 1 智能天线的发展概述 第一章绪论弟一早三百了匕 近二十年来，移动通信得到了快速的发展，移动通信的发展先后经历了以频分多 址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 和调频模拟电话信号传输作为主要 特征的第一代模拟通信系统，以时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 、 码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 以及窄带数字信号传输为主要特 征的第二代数字通信系统，以宽带数字信号传输为主要标志的第三代( c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 、t d s c d m a ) 数字通信系统，现在以正交频分复用( o f d m ) 为主要标志 的第四代数字移动通信系统也已处在加紧研究之中。 伴随着用户数量的急剧增加，以及对通信流量和数据速率的要求不断提高，信道 容量不足、通信质量下降等问题开始显现。大量用户间的相互干扰，共信道干扰 ( c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 、多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 、延时扩展( d e l a ys p r e a d ) 等因素严重制约着系统容量提高，严重影响通信质量【1 】。经过数十年的挖掘，时间、频 率和编码技术的潜力已经快达到极限，进一步提升的空间也存在较大的限制，空间资 源的开发已成为世界争夺的焦点。为了实现一个无处不在的全球网络，连通农村和人 口稀少的偏远地区仍然是最后一关。依托传统设备是低效，而且昂贵的。此时，结合 最新诞生的无线标准的智能天线被证明可能是可行、高效、可靠的替代方法。通过在 覆盖领域决定和跟踪用户的方向，并且进行方向性的传输和接收，智能天线大大增强 了新的无线标准下( 如：w i m a x ) 的覆盖能力、服务质量、和吞吐量。近十年来全球 之间的联系需要日益增加，尤其是农村和人口稀少的偏远地区，它们之间缺乏基础设 施，使得他们联系很少，或根本就没有连接。智能天线的应用不仅仅适用于在偏远地 区和商业发展地区提供联系，实际也可以用在动物跟踪、农业、雪崩受害者定位、甚 至可以作为现用系统( 如机场雷达系统) 的失效时的备用选择【z 】。智能天线采用空分多 址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，s d m a ) 技术，利用信号在传播方向上的差别， 将同频率、同时隙的信号从空域区分开来，这样就可以显著降低用户信号彼此间的干 扰，扩大系统容量和提高频谱利用率。结合其他复用技术，该技术便可以使有限的频 谱资源得到最大限度的利用。 广东工业大学硕士学住论文 智能天线并不是一个全新的名词，且数十年前就被提出。早期的智能天线只是用 来为政府在军事方面的服务，它利用方向性的波束来隐藏传输，从而逃过敌人的视线。 美国军方装备的“宙斯盾”系统是其中最著名的应用，得益于在军舰上安装了相控阵 雷达，该军舰的战斗力迅速增强。随着数字信号处理的飞速发展，智能天线，即自适 应天线阵列( a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ，a a a ) 近来受到越来越多的重视，也开始被应 用在具有复杂电波传输环境下的移动通信系统，智能天线是由多个天线单元组成的阵 列天线，它通过调节各个阵元接收信号的相位和加权幅度，以达到改变阵列天线方向， 并将主波束对准用户信号的方向，在干扰信号的方向形成零陷，从而达到提高信噪比 和抑制干扰的目的【3 】。相比教于传统的全向天线，智能天线的优点在于增益范围增加、 干扰减少、空间分集而且更加省电。结合新一代无线系统而出现的智能天线技术展现 了非常大的潜力。 1 2 智能天线的研究现状 在移动通信系统中，智能天线技术的应用研究早已经显示出巨大的潜力。至2 0 世 纪9 0 年代以来，第三代移动通信技术标准已经在热烈讨论之中，各国移动通信公司、 科研机构和大学均投入大量的人力、物力和财力开展了有关于智能天线技术在移动通 信中应用的理论、算法的分析研究，并建立了一些试验技术平台。 1 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni n e u r o p e ) 计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究，该项目由英国、德国、西班牙 和丹麦合作完成。项目组智能天线的试验模型实在d e c t 基站的基础上构造的，并于 19 9 5 年初开始现场试验，研究方案包括了波束空间处理方式以及组件空间处理方式。 系统评估了识别信号到达方向的m u s i c 算法，采用的自适应算法有n l m s ( n o r m a l i z e dl e a s tm e a ns q u a r e s ) 和r l s ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) 算法。该系 统试验测评了采用m u s i c 算法来判别分辨用户信号方向的能力，验证了智能天线的各 项功能。同时，通过现场测试表明，在室内通信，环境圆环和平面天线适合使用，而简单 的直线阵更适合像市区环境采用【4 】。第二阶段正在开展的智能天线技术研究内容包括下 面几个方面：最优波束形成算法；系统性能评估以及系统协议研究；自适应天线与多用 户检测的结合；时空信道特性估计；微蜂窝优化与现场试验。 2 第一章绪论 2 在波束空间处理方式的基础上，日本的a t r 光电通信研究所研制了多波束智 能天线。在模数变换后阵元组件接收信号进行了快速傅氏变换( f f t ) ，形成了正交波 束，然后再分别采用最大比值合并分集( m r c ) 算法或恒模( c m a ) 算法。野外移动 实验室采用并确认了c m a 算法的多波束天线功能，并最终证明了，在波束交叉这部分， 使用m r c 算法可以有效提高多波束天线的增益。上述两种方案都在所形成的波束内选 用了最大电平的接收信号，且不需判别用户信号的到达方向，亦不用硬件跟踪装置如 反馈控制等。 3 在美国a r r a y - c o m m 公司和中国大唐电信信威公司合作下，智能天线系统已经 被研制出并应用于无线本地环路( w l l ) 。a r r a y c o m m 的产品采用了可变的阵元配置， 有4 阵元和1 2 阵元两种环形的自适应天线阵列来供不同环境来选用。现场试验表明， 在p h s 基站中，采用该技术可以四倍地扩大系统容量。信威公司的智能天线工作频带 为1 7 8 5 1 8 0 5 g h z ，采用了8 阵元环形的自适应阵列，工作制式为t d d ( t i m ed i v i s i o n d u p l e x i n g ) 双工方式，设置收发间隔1 0 m s ，因此接收机灵敏度最大可提高9 d b 【5 】。 4 美国弗吉尼亚理工学院、移动便携式无线研究组( m p r g ) 以及州立大学的弗 吉尼亚科技天线组( 、厂r a g ) 也对移动终端智能天线进行了研究和性能测试；开发出宽 带v i p e r 测量系统、向量多径传播仿真器( v m p s ) 和手持式天线阵列测试平台 ( h 盯) 。测试结果表明：如果采用4 阵元天线阵列自适应波束形成技术，移动终端 便可获得高达4 0 d b 抗干扰性副6 】。加拿大无线通信研究中心( c r c ) 研制出移动智能 天线s a l 0 0 ，该天线适用于蜂窝通信的移动智能天线s a 3 0 0 以及适用于卫星通信。 5 在我国，大唐电信信威公司研究和开发出的t d s c d m a 系统，是国际上的第 一套应用了智能天线的同步c d m a 无线通信系统。该系统是将智能天线应用于t d d 方式系统中，在t d d 双工方式下，上行信道和下行信道使用同一频率，上行信道获得 的空间参数可以直接用于下行信道的波束形成。这是t d s c d m a 系统为什么采用智能 天线来作为关键技术的十分重要原因之一，也是相较于f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x i n g ) 双工方式的优越之处。 1 3 智能天线的优缺点分析 因为智能天线技术采用了空分多址方式，所以用户可以在相同频率和相同地址码 3 广东工业大学硕士学位论丈 或相同时隙的情况下，并通过信号的空间传播路径的不同而分别加以区分，这样可以 显著降低各个不同用户之间可能产生的干扰。因此，使用智能天线技术，在多个方面 可以明显地提高移动通信系统的各项性能指标。 首先，采用智能天线技术能提高系统频谱利用率。它能替代普通天线，在尽量少 建基站的情况下增加系统容量，同时抑制信号干扰。智能天线在各个方向的波束方向 分别进行空域滤波，并加权调整各天线阵元，对阵列方向图进行优化，并把干扰方向 对准在零点方向，这样便大大的改善了系统的质量以及可靠性，增大了阵列输出信干 比。其次采用智能天线还能抗衰落。智能天线通过自适应调整波束指向，最小化延迟 波方向增益，因而降低了信号衰落，同时分集接收也减小了衰落。再次则是改善链路 质量，提高系统的稳定性。在空间域进行的智能天线的采样，一般会产生空间分集。 而智能天线是在接收和发射端进行空间分集，从而使得线通信系统的通信的可靠性大 为增强，链路质量也大大提高。最后，智能天线还具有多个优点，如减小多径效应、 降低功率、减少成本、提高通信的安全性能以及实现移动台的定位业务等。然而，虽 然智能天线很大程度上降低了移动通信系统的成本和提高了其性能，但它也带来了新 的问题：如波束赋形速度以及天线校准方面的问题、其他的抗干扰技术在和智能天线 的结合。智能天线技术在发展和前进的路上，必须从产品设计和标准定制上逐步解决 这些问题。 1 4 论文内容与安排 本论文属于理论范围的研究，主要针对智能天线数字信号处理部分中的来波方向 估计的算法进行研究和分析，主要研究的算法是子空间算法m u s i c ，并在其基础上做 出一定的改进，最后通过仿真对比观察各个算法的稳健性性能。 本论文主要的研究工作和安排如下： 绪论部分主要介绍了智能天线的发展历程以及其发展现状，对其优缺点进行了分 析，从而引出起实用性所在。 第二章介绍了智能天线的理论基础。特别是对智能天线的工作原理及智能天线 的阵列天线的数学模型做出了详细的分析，为之后介绍d o a 算法做出了准备。 第三章经典d o a 算法研究，分析讨论了传统d o a 算法，并对其进行了仿真比 4 第一章绪论 较，讨论了其不足。然后重点研究了子空间d o a 方法，比较了两种子空间方法，对其 进行仿真研究性能。 第四章对前人提出的空间平滑技术进行了研究，并针对其存在孔径损失和分辨 度小的缺点下，提出一种t o e p l i t z 的m u s i c 改进算法，该算法不仅具有空间平滑技术 的分辨强想干信号的优点，而且分辨度高，没有孔径损失，且具有一定的实用性。 第五章提出一种新的d o a 估计算法，该方法以以往的算法都不同，它通过一个 导频信号，在波束赋形后进行d o a 估计，从而能有效排除干扰信号，提高d o a 估计 分辨率。且方法能分辨比阵元数目多的阵元个数信号。然后把该方法应用到具有很多 优点却在实用中受限制的均匀圆阵中，从而使该算法既具有该算法的优点，又具有均 匀圆阵的诸多优点。 5 广东工业大学硕士学住论文 第二章智能天线技术基础 在智能天线中，第四维多址方式即空分多址( s d m a ) 方式被引入，该方式能够 利用信号不同的空间传输路径，从而将相同时隙、相同频率、相同地址码的信号区分 开来，以便使得通信资源能够由频率域、时间域和码域扩展至空间域【7 】。 智能天线改善移动通信系统的性能的方式有很多种。它具有减小多径衰落和同道 干扰的能力，更好的提高系统服务质量，如中断概率和误码率( b e r ) 的降低。智能 天线所具有的形成多波束能力一般也用来并行服务多用户，从而达到提高频谱效率的 目地。智能天线所具有的通过调节波束形状而来适应业务需要的能力对提高中继效率、 减小切换率也是非常有用。 本章将重点和智能天线算法相关的概念理论，分析阵列信号的数学模型，为后面 章节做准备。 2 1 智能天线的基本概念 2 1 1 智能天线的基本结构 智能天线是一种通过调节各阵元接收信号的相位和加权幅度来改变阵列方向图形 状的阵列天线，它以预制方式或自适应控制方式形成波束指向、零点位置以及波束幅 度，使零点总是指向干扰方向，而波束总则指向期望方向，从而实现波束跟着用户走， 提高天线的信干比( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ，s i n r ) 和增益【刚，延长电池 使用寿命，降低用户手机体积，节省发射功率，图2 1 给出了其基本原理结构图。 从图中可以看到，智能天线系统是由以下几个部分组成： 1 天线阵列部分 天线阵元的配置方式和阵元数量都将对智能天线的性能好坏产生明显的影响，假 设天线阵元数为，移动通信中，一般取= 8 或1 6 【9 】等。 阵列天线有很多种组阵方式，典型的阵列形状如：线阵、圆阵、面阵等，然而在 实际的应用中，也可根据不同的需要来组成三角阵、不规则阵和随机阵等。 6 第二章智能天线技术基础 图2 1 智能天线的原理结构图 f i 9 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fs m a r ta n t e n n a 2 模数转换以及数，模转换部分 这里一般考虑的天线是基站端部分的智能天线，上行链路天线将接收到的模拟信 号转换为数字信号；下行链路将上行处理后的数字信号转换成模拟信号。 3 波束形成网络部分 该部分的主要功能体现是：天线波束在一定范围内能够根据天线传播环境的变化 和用户的需要，根据一定的准则，从预先设置好的权值系数列表中挑选一组相应的最 佳值，以获得最佳的主波束形成方向【1 0 1 ，或者通过数字信号处理器来自适应地调整权 值系数卟、峭到最佳的波束形成网络。 以上介绍的是智能天线接收天线的结构，当用它用作发射天线应将加权器或加权 网络置于天线之前。 2 1 2 智能天线的工作原理 智能天线的基本思想是：天线分别用多个高增益的动态窄波束跟踪多个期望信号， 因此将抑制来自窄波束以外的信号。然而将高增益的窄波束指向期望用户的实际物理 7 广东工业大学硕士学位论文 方向并不是实现智能天线的波束跟踪唯一方法。在实际应用中，在多径随机信道中， 尤其是当发射台到接收机的直射路径上有阻碍物时，此时移动用户的物理方向都是很 难确定的，且理想的波束方向不一定在用户的物理方向【”】。 智能天线的“智能化 体现在：在最佳路径方向上形成高增益窄带波束，该窄波 束跟踪最佳路径的变化。空分多址( s d m a ) 是智能天线的理想前景，它是一种信道 倍增方式，而不是信道复用，可完全兼容c d m a 、t d m a 、f d m a 等系统，从而实现 多址方式的组合使用。 假设在满足天线传输的窄带条件情况下，即在各天线单元的响应输出间，某一入 射信号没有幅度变化而只有相位差异，那么入射信号到达各天线路径长度差决定了这 些相位差异【1 2 】。假设入射信号( 仅有一个入射方向) 为平面波，那么天线位置的分布、 入射角度、载波波长惟一决定了这些相位差。给定一定的入射信号强度、一组加权值， 由于不同入射角度的信号在天线间的相位差不一致，那么输出信号强度也会因此不同。 方向图是指以入射角为横坐标，相应的智能天线输出增益作为纵坐标所做的图， 智能天线的方向图较为接近方向天线的方向图，即由主瓣( m a i nl o b e ) 、副瓣( s i d e l o b e ) 等组成。但相对而言，智能天线通常有较灵活的主、副瓣大小、较窄的主瓣、 位置关系以及较高的天线增益。另外相较于固定天线，智能天线不同的方向图通常也 代表了不同的权值，一般选择合适的方向图即天线模式( a n t e n n ap a t t e r n ) 都是通过 改变权值来实现。 我们所说的合适的方向图，是指在抑制干扰信号的同时，最大限度的放大有用信 号的方向图。最直观的表示是将主瓣对准期望信号的入射方向，与此同时将方向图中 的最低增益点( 零陷) 对准干扰信号方向。不过这只是理想情况，无线通信环境在实 际当中是很复杂的，存在多径传输，干扰信号也很多，天线阵元数目不会太多( 即有 限的自由度) ，在入射方向上有用信号与干扰信号差异可能不大等，前面的方案在这样 的环境下并不可行，但我们的最终目标依然是追求最大信干比【1 3 1 。上面介绍的远远没 有智能天线实际工作原理复杂。 2 1 3 智能天线分类 1 波束切换智能天线 8 第二章智能天线技术基础 利用多个波束，波束转换天线通过阵列天线技术在同一信道中同时给多个用 户发送不同的信号，它的方向图是预定义的、固定的以及具有有限数目的，它在 几个预定义的、固定波束中选择一个，检测其信号强度，天线将从一个波束切换 到另一个波束当移动台从扇区越过时。该天线灵敏度在特定的方向上得到提高， 因此提高通信容量以及通信质量。 当天线阵元数变化时，每个波束的宽度也随之发生变化，但是其方向是固定 的。为使得接收的信号强度最大，移动用户会通过基站来选择不同的对应波束。 然而在固