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智能天线波束形成算法的研究.pdf

智能天线波束形成算法的研究.pdf

上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《智能天线波束形成算法的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含天津大学硕士学位论文智能天线波束形成算法的研究姓名:徐银浩申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:金杰摘要智能天线技术是未来无线移动通信技符等。

天津大学硕士学位论文智能天线波束形成算法的研究姓名:徐银浩申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:金杰摘要智能天线技术是未来无线移动通信技术发展的主要方向之一。如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)以及多径衰落(MPF)的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能天线利用数字信号处理技术采用先进的自适应阵列处理技术产生空间定向波束使波束主瓣对准用户信号波达方向旁瓣或零陷对准干扰信号方向删除或抑制干扰信号从而提高期望信号的接收信噪比提高系统容量。智能天线是解决频率资源匮乏的有效途径。近年来智能天线技术成为移动通信领域中的研究热点之一。论文首先阐述了智能天线的基本工作原理给出了其常用的体系结构以及阵列信号模型。然后介绍了智能天线的几种收敛准则以及根据这些准则提出的几种经典自适应算法其中包括:基于时间参考方式的LMS、NLMS、RLS算法基于盲处理方式的CMA算法基于波达方向估计的MUSIC算法并对它们进行了仿真分析了各种算法的优缺点及适用范围。其次对这些经典算法进行了改进提出了改进型SVSLMS算法、最优步长RLS算法、带调整因子的CMA算法使它们在收敛速度、稳态误差、稳态失调各方面与传统算法相比都更具优势探讨了传统MUSIC算法在分析强相关信号波达角方面的局限性对平滑MUSIC算法进行了仿真论证了平滑技术在分析强相关信号方面的有效性。其次对移动终端(主要是手机终端)应用智能天线的可行性进行了论证并结合阵元数目、阵元间距的选择给出了两种适用于手机终端的智能天线结构:双天线、半波长结构四天线、.倍波长结构。同时结合前面提出的改进型SVSLMS算法收敛速度快、稳态误差小的优点以及调整因子CMA算法稳态失调小的优点提出了一种适用于手机终端的半盲算法并对其进行了仿真指出了其在抗干扰方面的有效性与传统的自适应算法相比该算法具有更强的环境适能力(健壮性)和实际应用价值。最后探讨了智能天线技术的发展前景及研究方向。本论文的工作具有很强的针对性提出的改进型算法和智能天线实现方案具有一定的理论参考价值和实际应用价值。关键词:智能天线自适应算法手机智能天线半盲算法ABSTRACTSmartantennastechniqueisaprimarydevelopmentdirectionoffuturewirelesscommunicationsystems.Howtocancelcochannelinterferencemultiaccessinterferenceandcombatthemultipathsfadingeffectsaremajorfactorsneededtobeconsideredwhenpeopleattempttoenhancethecommunicationsystem.Smartantennassystemwhichintroducesadvancedadaptivearrayprocessingproducesspacebeamswhosemainbeamdirectsatthedirectionofdesiredusersteeringbeamsdirectingatthedirectionofinterferencethussuppressingorcancelingtheinterferingsignalsthereforeitcanimprovethesignaltointerferenceratioandsystemcapacity.Recentlythesmartantennastechniqueisoneofthehottestresearchtopicsinmobilecommunicationareaasasolutiontothefrequencylack.Theprincipleofsmartantennaanditsuaualstructurearefirstlyintroducedinthispaperandthenwedisscussthesignalmodelsofantennaarrays.SecondlywedescribesomefamiliaconvergentrulesofsmartantennaandsomebeamformingalgorithmsbaseontheserulessuchasLMSRLSCMAandMUSICalgorithmsareilluminatedatlength.Andthenweemluatedthemwithcomputer,wefindtheiradvantagesandshortcomingsandthenwegivetheirapplicationsinthefuture.ThirdlyweproposesomeclassicadvancedbeamformingalgorithmssuchasadvancedSVSLMSalgorithmsoptimizedsteplengthRLSalgorithmandadjustableCMAalgorithm.wesimuatethesealgorithmswithcomputerandfindtheiradvantages.Finallywediscussthefeasibilityofrealizingsmartantennaatmobileterminals(especiallymobilephones)andthenwepresenttwopossiblestructuresofsmartantennaafterwediscussingthearraynumbersandarraydistance.Atthesametimeweproposeanewhalfblindalgorithmwhichreferencestwooftheadvancedalgorithmswegiveabove.Afterwesimulateditwithcomputer,wefindoutsinceithasthemeritsofthetwoadvancedalgorithms.itismorefeasibleandmorerobustthananyofthetraditionalalgorithmsforsmartantennaatmobileterminals.Thispaperhaveitsownpertinency,itcanbelookedatagoodguidetotheresearchofsmartantennaatthesametimeitisofgreatvalueinengineeringapplicationinthefuture.KEYWORDS:Smartantennaadaptivealgorithmthesmartantennaofmobilephonehalfblindalgorithm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:知p扩年f月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:筠涛艮砦签字日期:上口矿莎年厂月日导师签名:叙UZ签字日期:土埤占月z日第一章绪论.智能天线的发展概述第一章绪论在近年间移动通信技术取得了飞速发展移动通信事业在全球范围内蒸蒸日上极大的推动了社会的进步、方便了人们的生活。如今它已经成为人们首选的通信手段、社会的主流通信模式。移动通信的发展经历了以调频模拟电话信号传输和频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccessFDMA)为主要标志的第一代以窄带数字信号传输和时分多址(TimeDivisionMultipleAccessTDMA)以及码分多址(CodeDivisionMultipleAccessCDMA)为主要标志的第二代以宽带数字信号传输为主要特征的第三代(TD.SCDMA、CDMA、WCDMA)同时多功能集成的宽带移动通信系统宽带接入IP系统即第四代移动通信系统也已处在研究之中。前三代移动通信技术对频域、时域、码域等资源的利用已经较为充分。随着移动通信产业的高速发展及其用户的飞速增长市场对移动通信技术的不断改进和更新提出了更高的要求。而如何提高无线频谱的使用效率成为近些年来各种通信新技术所面临解决的核心问题。第三代移动通信系统(G)是目前全力投入开发和使用的系统。G最基本的特征之一是智能信号处理技术。智能信号处理模块将成为它的基本功能模块(实现基于话音业务为主的多媒体数据通信)。目前最典型的智能天线(SmartAntennaSA)技术是实现移动通信扩大通信容量的关键技术之一。智能天线采用空分多址(SpaceDivisionMultipleAccessSDMA)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。它可以成倍的扩展通信容量并与其他复用技术相结合最大限度的利用有限的频谱资源智能天线现在已成为移动通信领域的一个研究热点。我国拥有自主知识产权的G标准TD.SCDMA将智能天线列为必选技术【J。由于体积、成本、功耗等诸多因素的限制最初的智能天线主要用于基站端在移动终端还是采用传统的全向单天线。然而随着个人通信业务由单一的语音通信向图像、视频等大容量的多媒体通信发展传统的收发手段已不能满足用户要求因此如何将智能天线应用于移动终端将成为移动通信领域的下一个研究热点uJ。智能天线技术起源于世纪年代原名自适应天线阵YU(AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天线技术主要用于雷达、抗干扰通信、定位及军事通信等方第一章绪论面完成空间滤波和定位功能。其中最著名的应用就是美国军方装备的“宙斯盾”系统该系统正是由于在军舰上安装了相控阵雷达而使军舰的战斗力大大增强相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。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智能天线开始用于具有复杂电波传播环境下的移动通信。另外在移动通信中由于移动用户数目急剧增加信道容量不足、通信质量下降等问题开始出现。同时由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响大量用户间的相互干扰多径衰落(MultipathFading)、延时扩展(DelaySpread)、共信道干扰(Co.ChannelInterference)等因素严重制约着系统容量的提高使通信质量也受到严重影响J。采用智能天线技术可以很好的解决这些问题。.智能天线技术的优点和存在的问题..智能天线的优点智能天线技术由于引入了第四维多址方式即:空分多址方式从而可以在相同时隙相同频率或相同地址码的情况下用户仍可根据信号空间传播路径的不同而加以区分可以显著降低不同用户之间的干扰。因此使用智能天线技术可以在很多方面提高移动通信系统的性能【】o.提高频谱利用率采用智能天线技术代替普通天线提高小区内频谱利用率可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量抑制干扰信号降低运营商成本。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线阵元的加权进行调整优化天线阵列方向图将零点对准干扰方向大大提高了阵列的输出信干比改善了系统质量提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统信干比的提高还意味着系统容量的提高。.抗衰落高频无线通信的主要问题之一是信号的衰落普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向自适应的调整波束的指向可以使延迟波方向的增益最小从而降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集接收来减小衰落。.改善链路质量增加可靠性由于通过独立的衰落路径可以接收到独立的信号副本而在这些信号副本中一般会有一个或者多个副本没有受到衰落这样多个独立的衰落就会减小信号波第~章绪论动的影响产生分集。分集的形式包括时间分集、频率分集、码分集和空间分集等。用智能天线对空间域进行采样就会产生空间分集。在非频率选择性衰落的信道中最大的空间分集阶数等于发射天线数目和接收天线数目的乘积多个发射天线通过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。智能天线在发射、接收端的空间分集作用可大大提高无线通信系统的链路质量从而增强通信的可靠性【。.减小多径效应CDMA系统中利用RAKE接收机可以对时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并而借助智能天线则可以对时延不可分但角度可分的多径进行进一步分离从而可以更有效的减小多径效应。.降低功率减少成本智能天线可以对特定用户的传输进行优化这样就会使发射功率降低从而降低放大器的成本。.提高通信的安全性在传统无线通信技术中在整个小区内都可以截听用户的空中接口无线信号但在采用智能天线技术后由于波束的定向作用只能在有限区域接收到用户信号提高了通信的安全性。.实现移动台定位业务大多数蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区采用智能天线技术后可以随时确定持机者所处位置不但给用户和网络管理者提供很大方便还可开发出更多的新业务。..智能天线存在的问题智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能的提高和成本的降低都起到了很大的作用。但智能天线应用于CDMA系统的同时也带来了相应的新问题如t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、设备复杂性的考虑、帧结构以及相关物理层技术、共享下行信道以及不连续发射问题等等。智能天线技术如果要继续向前发展不断完善从标准的制定和产品设计上都必须逐步解决这些问题。第一章绪论.智能天线的研究现状..目前智能天线的主要研究方向.研究智能天线对现代移动通信系统的作用。利用仿真或理论研究的方法探讨应用智能天线对移动通信系统的抗干扰能力、系统容量、抗多径衰落能力的改善.智能天线基础理论的研究。主要研究智能天线的控制算法利用理论和仿真相结合的方法结合移动通信系统研究快速高性能的智能天线新算法.建立智能天线的硬件实验平台在实际的电磁环境下测试各种天线阵列智能天线控制算法的性能以确定智能天线的解决方案并着手解决智能天线实用化的技术问题(如阵列单元的互耦、各单元通道不一致性的实时校准问题等等)。要使智能天线技术在移动通信领域得到更好的应用单靠理论和仿真研究是远远不够的。智能天线硬件实验平台是研究智能天线技术强有力的工具世界各国都十分重视智能天线硬件实验平台的建设目前实验平台大都采用基带上实现数字波束合成技术的方案即上行接收时每个天线阵列单元输出下变频到中频然后进行模拟的正交检测(I/Q检测)对模拟的i/Q信号数字化后进行数字波束形成(DBF)下行发射时在数字波束形成器中形成各天线单元的数字基带信号(数字化I/Q信号)经D/A变换后形成模拟l/Q信号然后进行I/Q调制和上变频再送到天线单元辐射出去这样的方案对A/D、D/A、和数字信号处理芯片的要求比较低使用目前的技术容易实现数字波束形成器和自适应控制采用FPGA、DSP芯片都可以实现。..智能天线的国内外研究现状智能天线在移动通信中的巨大潜力引起了国内学者的普遍关注。人们普遍认为智能天线技术将成为未来移动通信发展的关键技术。欧、美、日等国都对智能天线技术进行了大量的理论研究和现场应用测试取得了大量成果。我国在智能天线技术研究方面也取得了一定成绩。.欧洲通信委员会(CEC)在RACE(ResearchinAdvancedCommunicationinEurope)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。项目组在DECT基站基础上构造智能天线的试验模型于年初开始现场试验。研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理方式。组件处理方式天线是收发全向类型采用TDD双工方式。系统评估了识别信号到达方向的MUSIC算法采用的自适应算法有NLMS(NormalizedLeastMeanSquares)第一章绪论和RLS(RecursiveLeastSquare)算法。试验系统验证了智能天线的功能在两个用户四个空间信道(包括下行和上行链路)下试验系统比特差错率(BER)优于。试验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方向的能力同时通过现场测试表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用而像市区环境则采用简单的直线阵更合适【J。.日本ATR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。天线阵元布局为间距半波长的阵元平面方阵射频工作频率是.GHz。阵元组件接收信号在经模数变换后进行快速付氏变换(FFT)处理形成正交波束然后分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集(MRC)算法。天线数字信号处理部分由loNFPGA完成。野外移动实验室确认了采用CMA算法的多波束天线功能。理论分析及试验证明使用MRC算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方案在所形成的波束内选用最大电平接收信号不用判别用户信号到达方向及反馈控制等硬件跟踪装置。.美国Array.Comm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置有阵元和阵元环形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场试验表明在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用阵元环形自适应阵列射频工作频带为...GHz采用TDD双工方式收发间隔ms接收机灵敏度最大可提高dB。此外德州大学奥斯汀SDMAdx组建立了一套智能天线试验环境着手理论与实际系统相结刽引。.美国弗吉尼亚理工学院和州立大学的弗吉尼亚科技天线组(VTAG)和移动便携式无线研究组(MPRG)对手机智能天线进行了研究和性能测试开发了手持式天线阵列测试平台(HAAT)、向量多径传播仿真器(VMPS)、以及宽带VIPERi贝』量系统。其测试结果表明移动终端采用阵元天线阵列的自适应波束形成技术可获得高达dB的抗干扰性能例。加拿大无线通信研究中心(CRC)研制了用于卫星通信的移动智能天线SAl和用于蜂窝通信的移动智能天线SA。SA工作频带为...GHz可在度范围内产生】个等间隔波束波束db带宽度天线发射功率W。.我国己经将研究智能天线技术列入国家.通信技术主题研究中的个人通信技术分项。国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论研究与技术平台的开发。在连续获得ITU和GPP认证的我国自主研发的TD.SCDMA技术体制中就广泛采用了智能天线和软件无线电技术。TD.SCDMA方案将当今国际领先技术:智能天线、同步CDMA和软件无线电融于其中具有较高的频谱利用率、较低的成本和较大的灵活性。第一章绪论.智能天线的应用如今智能天线的诞生有四五十年的历史了伴随着无线通信技术的进步及其业务的扩大到今天智能天线技术取得了长足的发展并广泛应用于全球的无线通信系统之中。.移动数字电视将智能天线用于车载HDTV并结合时域信号处理不仅能抗衰落、抗多径、抗干扰还能充分利用多径信号极大的提高信号接收的可靠性。采用智能天线技术后智能天线系统能够在几毫秒时间内在干扰方向形成方向图零点从而有效的抑制脉冲干扰对信号接收的影响能极大的提高信号的接收性能。.无线个人通信系统(PCS)在无线PCS中无论是G、.G还是G都可使用智能天线但不同系统对应的实现方案不同。结合多用户检测(MuD)技术、RAKE接收机技术和软件无线电技术智能天线技术前景无限。目前智能天线仅用于基站端以改善基站覆盖效果提高频谱利用率。在网络优化时利用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。此外智能天线的空域滤波还可以改善远近效应简化功率控制降低系统成本减少MAI。美国正在积极研究将智能天线技术用于手机以进一步提高通话质量减少电磁污染。.TD.SCDMA系统TD.SCDMA系统是应用智能天线技术的典范。TD.SCDMA系统的智能天线是由个天线阵元的同心阵列组成的。同传统全向天线相比它可获得高增益提高信号的载干比降低发射功率等。由于用户在小区内的位置是不同的这就要求天线具有多向性另一方面则要求在每一独立的方向上系统都可以跟踪多个用户每个用户的跟踪通过到达角进行测量在TD.SCDMA系统中无线子帧的长度是ms。至少每秒可测量次。通过智能天线的方向性和跟踪能力系统可获得最佳的性能。TD.SCDMA系统采用TDD方式使上下行射频信道完全对称其高效率就是基于这种对称性而获得的。它可同时解决诸如天线上下行波束赋形抗多径干扰和抗多址干扰等问题【lo】。在TDSCDMA系统中应用智能天线可以降低运营商投资成本提高经济效益。.用于移动终端的智能天线受体积等因素的限制用于移动终端的智能天线阵元间距不能过大因此天线之间的耦合性强互耦使得多天线系统的接收效率下降其次天线系统的增益依赖于端口接收信号的相关系数相关系数越小增益越高。需要说明的是用于移动终端智能天线的理论和实现与其他类型智能天线的有所不同。实验表第一章绪论明在移动终端上采用智能天线后在通话时至少可以获得.dB的平均增益。.用于卫星移动通信的智能天线目前有一种用于L卫星移动通信的智能天线该天线采用了由个环形微带贴片天线组成的一个x的方形平面天线阵射频工作频率为.GHz数模转换器的采样速率和分辨率分别为KHz和位。数字信号处理部分选用了片FPGA芯片自适应算法选择CMA算法。系统测试表明它能产生个定向波束覆盖整个上半空间并能用最高增益的波束来自动捕获和跟踪卫星信号lJ。.论文的主要工作及各章节安排本文首先分析了几种经典的自适应算法如(LMS、NLMS、RLS、CMA、MUSIC算法)的基本原理并对其进行了MATLAB仿真验证其优缺点其次对LMS算法进行改进提出一种改进型SVSLMS算法并将它与经典LMS算法和NLMS算法进行比较验证其优越性。对ILLS算法进行改进提出一种最优步长RLS算法并将它与经典的RLS算法进行比较验证其优越性。对CMA算法进行改进提出一种带调整因子的CMA算法将它与经典的CMA算法进行比较验证其优越性。讨论了经典MUSIC算法对相关信号的分辨能力对采用平滑技术的平滑MUSIC算法进行仿真论证了平滑技术在分析强相关信号方面的有效性。最后探讨了手机终端智能天线的实现形式结合、、、阵元智能天线的不同结构阐述在手机上采用双天线、四阵元天线的可行性。将改进型SVSLMS算法和调整因子CMA算法相结合提出一种新的半盲算法并将其应用于手机终端通过计算机仿真验证其优越性。全文共分为六章各章及其主要内容安排如下:第一章为绪论主要阐述了智能天线的研究背景、研究现状、技术优势、主要应用并对论文所做的工作进行了规划和安排。第二章主要阐述了智能天线的基本概念和工作原理介绍了阵列天线技术的基本原理智能天线的信号模型使读者对智能天线有了一个概括性的认识。为后续章节自适应算法的研究奠定理论基础。第三章介绍了智能天线的自适应波束形成技术对该领域的研究热点自适应波束形成算法进行了重点介绍。第四章对几种经典算法LMS、RLS、CMA、MUSIC算法进行MATLAB仿真并对它们进行改进。第五章讨论在移动终端(主要是手机终端)上应用智能天线的可行性给出第一章绪论两种可行的天线结构图将提出的半盲算法应用于手机终端进行计算机仿真指出其应用价值。第六章总结了本论文所做的工作并对智能天线技术的应用前景进行展望提出其主要的发展方向。第二章智能天线技术概述第二章智能天线技术概述智能天线是通信领域的新技术不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式智能天线引入了空间维的多址方式即空分多址(SDMA)方式即在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下仍可以根据信号不同的空间传播路径来进行区分不同的用户。智能天线相当于一个空时滤波器在多个指向不同用户的并行阵列波束的控制下可以显著降低用户信号之间的干扰提升了系统容量因此备受关注。智能天线通常包括波束切换智能天线和自适应阵列智能天线。早期的阵列天线技术广泛应用于雷达、声纳及军事通信等领域但是由于价格的原因一直未能普及到民用通信领域。近年来随着现代数字信号处理技术的迅速发展数字信号处理芯片处理能力不断提高同时芯片价格也不断下降己经可以被民用通信领域所接受。另外由于数字信号处理技术使得在基带进行阵列波束形成成为可能并以此代替模拟电路波束形成的方法从而提高了阵列天线系统的可靠性与灵活性智能天线技术也因此开始在移动通信中得以应用。另一方面移动通信用户数目迅猛地增加人们对业务质量的要求也不断提高这要求蜂窝小区在密集的业务量下仍保持较高的服务质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足扩充容量的需求。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指向性波束使信号在有限的空间区域内发送和接收从而可以充分利用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。.智能天线的基本概念和基本原理..智能天线的基本概念.智能天线的含义智能天线利用数字信号处理(DSP)技术在空间产生指向性波束使阵列主瓣对准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可以高效地利用移动用户信号的空域信息达到最大化接收期望信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其他逐渐深入和成熟的干扰对消技术相比智能天线技术在移动通信中的应用研究显示出巨大潜力。第二章智能天线技术概述.智能天线系统的组成iU期一换卜一枷卜一国。I^瓤.解调lU嬲换H/。一一枷卜『..//jv.误差信号或接受信号输入l一接受下行转换卜一AD‰III./自适应算法天线阵波束形成网络控制算法部分图典型的智能天线系统结构示意图典型的智能天线系统结构如图.所示它主要由以下几部分组成:()天线阵列部分一天线阵元的数且N与配置方式对智能天线的性能有着直接的影响。N的常用取值为:、、。根据天线阵元之间的几何关系阵列形状大致可以划分为:线阵、面阵、圆阵等甚至还可以组成三角阵不规则阵和随机阵等。阵列形状对智能天线的性能有着直接的影响。在移动通信应用中天线阵多采用均匀直线阵或均匀圆阵。因为直线阵已经被证明更适合于市区移动通信环境本文的讨论以直线阵为例。根据经验天线阵元数越多系统增益就越高但另一方面阵元数的增加会使射频通道相应增加会导致基站成本上升过大所以智能天线的天线数不能过大。阵元间距一般为半个波长因为如果阵元间距过大接收的信号彼此相关程度会降低间距过小会在天线的方向图上形成不必要的栅瓣(有较大甚至和主瓣增益相同的旁瓣)。()波束形成网络部分主要完成数模转换和天线方向图的自适应调整。每个天线阵元上都有ADC和DAC将接收到的模拟信号转换为数字信号将待发射的数字信号转换为模拟信号完成模拟信号和数字信号的相互转换。所有收发第二章智能天线技术概述数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。天线方向图的调整是根据控制部分得到的权值调节天线输出来实现的。天线波束在一定范围内能够根据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应的进行调整它主要有两个部分组成:以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器用来产生自适应的最优权值系数以动态自适应加权网络构成的自适应波束形成网络。智能天线的智能正体现于此。()控制部分(即算法部分)是智能天线系统的核心部分其功能是依据信号环境按照某种性能度量准则和自适应算法选择、计算、更新权值。智能天线系统是由上面三部分组成的一个自适应控制系统它根据一定的自适应算法自动调整天线阵方向图使它在干扰方向形成零陷在信号到达方向形成主瓣从而达到加强有用信号抑制干扰信号的目的。以上介绍了智能天线的基本结构及组成。在实际中智能天线的工作原理更复杂并且每一部分的实现和结构往往根据所应用的系统不同而略有差别。..智能天线的工作流程结合图.智能天线的基本工作流程可以简单概括如下:.系统将首先对来自所有天线阵元中的信号进行快照获取样本然后将它们转换成数字形式并存储在内存中。.处理器将立即分析样本对无线环境经评估确认有用用户所在的位置或波达角(DOADirectionOfArrival)。.处理器依据某种特殊的自适应准则对天线接收到的信号进行组合、计算力争最佳的恢复期望用户的信号。.系统将进行模拟计算并结合DOA方面的信息使天线阵列可以有选择的向空间发送信号。.在上述处理的基础上系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号从而使这些信道成为双向收发信道。.智能天线的实现方式在移动通信中为了使智能天线早日实用化一般采用了分两步走的方案这就产生了两种类型的智能天线即准动态的预置多波束的波束切换方式的智能天线和全自适应阵列式自动跟踪用户的智能天线。.准动态的预置多波束智能天线准动态的预置多波束智能天线又称作波束切换智能天线是指在接收或发第二章智能天线技术概述送端预先设置了一组N个不同入射方向的窄波束再根据接收判断出期望信号的来波方向并依据一定的性能度量准则在预置的N个窄波束中选取一个最合适的波束并及时切换到该波束上接收(或发送)期望信号。在智能天线的实现中天线的跟踪速度是~大难题天线选择或切换的速度与周期决定了天线系统对用户移动性或环境变化的跟踪能力。波束切换智能天线由于不需要实时计算就可以得到波束相对于运算复杂的自适应天线它在跟踪速度方面占有一定的优势。但应该看到波束切换智能天线作为一种从普通天线到智能天线的过渡技术(可以看作是扇形天线和全自适应智能天线之间的一种技术)存在着很多的不足。在这种天线中天线的方向图是有限的即只能在预先设计好的几种窄波束中选择随着用户在小区中的移动选择不同的波束使接收或发射的信号最强。显然这些窄波束的特性会影响甚至决定系统的最终性能因为用户信号并不一定在固定波束的中心处当用户位于波束边缘干扰信号位于波束中央时接收效果最差所以多波束切换天线不能实现信号最佳接收并且波束切换天线只能在波束空间实现对实际信号传播环境的有限匹配所以无法有效对抗时延扩展和滤除干扰也无法充分利用角度分集在非相干干扰源数目较少或时延、角度扩展较明显的应用环境中与全自适应天线相比会有明显的性能损失不能满足移动通信的要求。可以肯定随着智能天线技术的深入研究它必将被全自适应智能天线所代替。.全自适应智能天线全自适应阵列自动跟踪式智能天线简称全自适应智能天线是指在接收(或发送)端利用一组(N个)阵列通过自适应调整加权值达到形成若干个(K个)自适应波束同时自动跟踪若干个(K个)用户的目的。也就是天线阵列接收到的信号经过自适应算法的处理能够按照某一确定的准则调整天线阵列的权值从而在期望的信号方向形成高的接收(或发射)增益在干扰信号方向形成零陷或低的发射增益并且随着用户的移动和信道的变化能够自动调整天线阵列的权值使高增益波束始终对准期望信号。全自适应天线的核心在于自适应算法的研究当用户数目较大时(K很大时)特别是在时变多径衰落信道条件下其实现有相当的难度。现有的一些自适应算法普遍存在计算量大、收敛速度慢、实现复杂等缺陷因此目前全自适应天线仍然处于探索阶段与波束切换智能天线相比全自适应天线有更加优良的性能是智能天线技术的研究重点和未来的发展方向。本文以后章节将主要将研究全白适应智能天线没有特别说明智能天线都是指全自适应智能天线。第二章智能天线技术概述.智能天线系统的空间信号模型..阵列天线的数学模型、以常用的均匀直线阵为例:一个M阵元等距直线阵如图.所示。如果信号源离天线阵的距离远大于天线阵的尺寸则可以认为信号是以平面波的形式到达的各个天线阵元接收到的能量相同。但信号到达各个阵元的波程差并不相同因而各个阵元接收到信号的相位是不同的】。图.M单元均匀直线阵如果各阵元间距为d信号波长为旯假设信号x从相对于阵轴的法线夹角为的方向入射则t时刻M个阵元信号的向量和是.W玖f)=X(t)e巾一’(.)/=式中西=zr(d/,I,)sin(.)天线阵的方向图仅由下式确定彳(口)=P巾。’’(.)f】归一化方向图以分贝表示为P(o)=lOlg(IA(O))(.)第二章智能天线技术概述若保持阵元间距不变增加无方向性的阵元数由上式可推得当阵元数增加时方向图主瓣的宽度将减小并且零点和旁瓣数目增加。若在图.所示的直线阵阵元后插入一个相移器则相邻的阵元输出将增加一个相移步长那么第i个阵元的相移量为(i一)此时相移器的作用是使主瓣偏离阵轴的法线方向一个角度p。由于相移步长为.:鱼sinp一(.)C式中c为光速所以=arcsin(c/们()可见只要改变的值就可以改变主瓣方向。如果天线阵元数目少那么对干扰信号进行抑制的零点形成明显减少这样就减小了在所希望的方向上作用区的灵敏度。克服这种情况的方法之一是使用大型天线阵这样可以提高自适应零点控制的能力。当然随阵元数的增加建设费用和复杂性也随之增加。因此在阵的分辨能力旁瓣电平以及对具体方向上的作用区内所要求的阵元数之间应该进行综合考虑。..智能天线的信号模型图简化的智能天线系统模型Y(t)为了提高对有用信号的接收能力同时抑制干扰信号一般都采用调整复数加权值的方法来控制调整天线阵的方向图。为了便于说明问题我们给出了如图第二章智能天线技术概述.所示的简化了的智能天线的典型结构图。天线阵的总输出为l(f)=西‘(f)=矿x(f)(.)=J式中国=qq...tom为复数加权值向量X(t)=【xl(t)x(t)...xM(t)为输入信号向量符号()木表示共轭()H表示共轭转置。智能天线中自适应处理器是核心部分它按照某种准则求出满足该准则的~组复数加权向量使天线阵能够根据信号环境情况自动形成最佳阵列波束即波束形成的算法是实现波束形成的关键。必须说明的是上面的公式推导只考虑到了期望信号如果要加入干扰信号和高斯白噪声信号那么阵列总的输出信号则应该表示为:MY(t)=COⅣx(r)西Jl(f)国Ⅳz()(.)t=l(.)式中的三项分别代表:天线阵输出的期望信号Y。(t)、干扰信号Yl(t)和噪声信号Yn(t)。现在的问题就是如何根据不同的准则选择加权向量CO确定最佳权向量哆n’可使某个方向上的信号得到最佳合并而其他方向上的干扰信号则被抑制。以达到抑制干扰信号Yfft)滤除噪声信号Y。(t)提取期望信号Y。(t)的目的。这就是本文第三章中将要详细解答的问题。第三章智能天线的自适应波束形成算法第三章智能天线的自适应波束形成算法波束形成技术的基本思想是:通过将各阵元接收到的信号进行加权求和并根据一定的波束形成准则实时调整权向量把天线阵列形成的波束“导向”到一个方向上使期望用户信号得到最大的输出功率并相应的对干扰信号进行抑制。本章对多种波束形成准则及自适应算法进行分析同时对几种经典自适应算法做了改进通过计算机仿真实验结果对它们的性能进行比较验证其优越性。.智能天线数字波束形成技术数字波束形成(DBF)有许多等价的名称如:空间自适应滤波、自适应阵列、自适应天线、智能天线等。“智能”一词较为形象的表示了空间自适应滤波的作用即能根据实际情况自适应调整其参数以实现最佳处理具有一定程度的智能化而与传统的固定参数天线相比有着本质的不同。“智能天线”这一术语首先在通信领域得到广泛的应用。空间自适应滤波在于用一定形状的波束通过期望方向的信号从而去抑制不需要方向的干扰因而又称波束形成。波束形成可以用数字方式在基带实现或用模拟方式在微波或中频上实现前者又叫数字波束形成(DBF)由于它的优点现在主要采用DBF方式因此常常将DBF和空间自适应滤波视为同一技术。同时空间白适应滤波又可以分为数据独立波束形成、最佳波束形成和自适应波束形成。数据独立波束形成器是根据系统要求设计的不需要阵列输入信号的知识。数据独立波束包括多波束和赋形波束多波束又称切换波束在通信、雷达系统中有着广泛的应用。最佳波束形成器利用的是信号干扰环境的先验知识并根据一定的最佳准则进行设计。自适应波束形成器则是利用实时的输入信号、干扰信号矢量采用自适应算法进行处理。严格说来空间白适应滤波只对应自适应波束形成但由于波束切换方式简单易于实现因而在通信领域应用的也较为广泛。下面就分别介绍一下波束切换和自适应波束形成。..波束切换方式目前的蜂窝通信将空间分为三个度扇区即可认为是一个三波束切换系统。波束切换智能天线采用更窄的波束把宏扇区进行进一步划分成几个微扇区。第三章智能天线的自适应波束形成算法当移动台进入宏扇区时切换波束系统检测信号的强度选择一个收到最强信号的波束用于该用户。当移动台越过微扇区时.从一个波束自动切换到另一个波束如图.i所示。切换波束方式由于将窄波柬分配的用户在一定程度上提高了信干噪比(SINR)抗干扰能力加强。同时因其结构简单工程造价低投资风险较小不需要进行DOA估计等优点而被广泛应用。波束切换智能天线每个波束的方向是固定的并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户基站选择不同的对应波束使接收的信号强度晟大。但用户信号未必在固定渡束中心当用户信号在波束边缘干扰信号在波束的中央时.接收效果最差。因此多波束切换天线不能实现最佳的信号接收。同时多波束天线不能区分主瓣里的有用信号和干扰信号不能对多径分量进行分集合并当用户横向运动时波束与波束交叠产生的增益变化将使接收信号功率起伏较大。厂图I预置多波束切换示意图.自适应波束形成简介自适应波束形成方式智能天线(也称自适应型智能天线)能够实现最佳的信号接收是真正意义上的智能天线。它主要由天线阵列和实时自适应信号接收处理器两部分组成。两者构成一个闭环、反馈控制系统通过采用自适应波束形成算法自动调整天线阵列的波束图使它在干扰方向形成零陷而将主波束对准期望信号从而达到抗干扰的目的。其典型波束图如图所示。自适应型智能天线由于提高了期望信号增益抑制了干扰使系统的信干噪比(sINR)大大增加从而可以增加系统容量和提高频谱利用率。采用吖个阵元的智能天线理论上第三章智能无线的自适应波束形成算法可以形成M个独立波束抑制M.个不同DOA的干扰.自适应波束形成算法.最佳滤波准则在波束形成中.权向量通过代价函数的最优化来确定代价函数的不同分别对应着不同的方法这些方法都是通过求取合适的权向量来最优化代价函数。自适应波束形成技术经过了几十年的发展已有许多文献专著专门来介绍波束形成的基本原理和准则m】常用的准则包括:最小均方误差(MMSE雌则、晟大信噪E(MAXSTIR>准则、最小二乘准则(Ls)和线性约束晟小方差(LCMV)准则等。..l最小均方误差(MMSE)准则MMSE准则是目前应用最广泛的一种最佳滤波准则它是由BWidrow等人首先提出的””其日标是使阵列输出y)=”XCt)与参考信号的均方误差最小即使式子(.)中代价函数J(训最小化。定义参考信号为d(t)则阵列输出与参考信号的均方误差为}“)d(t)一rn)=d()一“Y(t)()为使dt)的均方值最小将代价函数取为.(m)=£【le(f)。()展开得()=£d(t)“Y(t)=EId(t)】!卜Re|o”‘..】“R。()第三章智能天线的自适应波束形成算法其中RX=EX(t)XⅣ(f)为输入信号的自相关矩阵o=EX(t)d‘(f)】为输入信号x(t)与参考信号d(t)的互相关矩阵。J()取最小值的最佳权向量国删可由令其对的梯度为零求得VJ()=Rr=()得到最小均方误差准则下的最优权向量哆。=Kxrxd()可以证明此解是一种最优维纳解。...最大信噪比(MAXSNR)准则最大信噪比准则旨在使有用信号功率和干扰噪声功率之比最大常用于移动通信系统中以实现系统误码率的要求。阵列的输入信号为x(t)=SO)zO)()其中S(t)为有用信号n(t)为噪声信号。信号分量的协方差矩阵为R=ES(t)SⅣ(f)】()噪声分量的协方差矩阵为尺。。=En(t)nⅣ(f)】()输出信号的功率为o=研lⅣS(t)】=H心CO()输出噪声的功率为《=日l片n(t)门=ⅣR。国()系统的输出信噪比即为代价函数荆=舢=毒=鬻=卷H()可计算得出最佳权向量是对应于矩阵RnnlR。。最大特征值k所对应的特征向量。同时最佳权向量满足下式:硎R。=k()...最小二乘(LS)准则最d,乘准则旨在使如下的加权平方误差累计和为代价函数并使之最小。)=见HIP(尼)()式中e(k)Fh式(.)求得。为了降低距离当前时刻t较远的误差e(k)对代价函数J(t)的影响在式(.)qb引入了遗忘因子旯且有旯l。相应的J(t)可写成第三章智能天线的自适应波束形成算法o)=旯卜‘P(后)P(后)‘女=l=e爿(f)人(f)e(f)=dⅣ(t)A(t)d(t)Re{coⅣixⅣ(f)人()d(f)】}tOⅣXⅣ(t)A(t)d(t)co()式中A(t)=Diag.A】()由式VJ=(.)可求得最tJ、乘准则下的最优权向量a‰=【X片p)人p)XO)一【x爿O)人O)d)】(一l)...线性约束最小方差(LCMV)准则LCMV准则是在保证对有用信号S(t)增益为常数的条件下使输出总功率最小。这实际上也等效于使输出信噪比最大。由于期望信号及其来波方向均已知阵列输出可写为:Y(t)=COⅣXp)=Ⅳsq)coⅣn(t)()其中为n(t)噪声信号。为保证波束形成对期望信号s(t)的增益必须对波束形成器的权向量加以限制使其在期望信号方向产生初始增益即:CO爿a(O)=g()式中口(口)为期望信号的导引向量。则最佳权向量‰可以表示为:COop=Rla(O)a片徊)a(O)F譬(.)虽然以上四种准则在原理上是完全不同的事实上它们的联系非常紧密可以证明这些准则下的最佳权向量都是维纳解的特例。即所有准则结果全部可以向(OAavtSE=《白靠拢称为WienerHoff了程的解或维纳解也就是说以上各准则的结果可以统一为维纳解。由此可见选择不同的准则并不会影响阵列输出的性能。但在实际应用中环境是不断变化的要求实时的更新权向量因此需要利用自适应算法来递归的获得实时的权向量自适应波束形成算法不仅决定了算法的收敛速度而且决定了算法硬件实现的复杂度由此可见选择合适的自适应波束形成算法是极为重要的。...最大似然(池)准则设自适应滤波器的输入矢量为X(t)S(t)n(t)()第三章智能天线的自适应波束形成算法其中S(t)代表有用信号、n(t)代表噪声信号。ML准则主要用于期望信号波形完全未知时这时期望信号可以认为是一个待估计的时

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