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现代蜂窝移动通信系统中自适应阵列天线技术研究.pdf

现代蜂窝移动通信系统中自适应阵列天线技术研究.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《现代蜂窝移动通信系统中自适应阵列天线技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含东南大学博士学位论文现代蜂窝移动通信系统中自适应阵列天线技术研究姓名:颜永庆申请学位级别:博士专业:通信与信息系统指导教师:尤肖虎东南大学博士学位论符等。

东南大学博士学位论文现代蜂窝移动通信系统中自适应阵列天线技术研究姓名:颜永庆申请学位级别:博士专业:通信与信息系统指导教师:尤肖虎东南大学博士学位论文摘要自适应阵列天线利用阵列信号处理技术动态调整阵列天线波束跟踪移动台运动过程通过在空间、时间上的联合处理消除或抑制同频多址干扰提高接收信号载干比改善通信质量扩大系统容量。由于其突出的优势在国内、国际上受到了普遍的关注。第三代移动通信系统中除TDSCDMA技术已将其列入必选技术外其它的制式也将其列入了可选技术并预计在后三代移动通信系统中投入使用。本文主要针对自适应阵列天线在移动通信中的应用在以下几个方面展开研究并取得阶段研究成果:、在多径矢量时变信道下研究CDMA系统上行链路自适应阵列天线接收机的实现方法。在牺牲有限的系统容量条件下采用导频作参考信号进行信道估计极大简化系统实现难度同时采用可变长度滑动窗积分器实现码片级运算速率自适应算法。与传统的阵列天线权重自适应算法相比其运算速度和精度得到极大提高。、在研究宽带CDMA上行链路阵列天线接收机基础上提出一种基于阵列天线权重收敛条件且简单、可行的导频辅助到达角估计算法。通过理论分析和计算机仿真并与传统的MUSIC和二阶ESPRIT算法进行比较验证该算法的估计误差性能得到明显改善且性能不随信道特性的快速变化而产生明显的下降。、研究采用下行链路波束成形技术解决由于受体积和功耗限制很难将阵列天线直接应用到移动台这一难题。在具有反馈特性的自适应发送阵列天线原理基础上提出一种较为简单的、基于上行链路达到角估计并结合导频辅助下行链路信道矩阵估计的阵列天线波束成形权重算法。该算法适用于复杂的多径时变信道计算机仿真证明了该算法的有效性和可行性。、当多个用户的信号集中在较为狭小的角度且超出了阵列天线空间分辨II一摘要(中文)率时阵列天线接收机性能将急剧下降。本文在前人工作基础上提出阵列天线与并行干扰抵消技术联合运用接收机方案。在方案中采用改进的部分干扰抵消算法同时为消除阵列天线权重和阵列天线导向矢量对信道估计带来的影响根据期望用户到达角估计信息计算出导向矢量在干扰抵消迭代运算中去除阵列天线权重和导向矢量乘积因子的影响使系统接收性能得到进一步提高。、近几年已有许多学者给出了阵列天线在OFDM系统中应用的具体研究成果。论文在已有研究成果基础上提出一种具有一定实用价值、在频域中运用卡尔曼自适应算法的阵列天线解决方案。通过对每个子载波在频域上进行波束成形抑制同频干扰提高OFDM系统接收性能。理论分析和计算机仿真证明:在时变衰落信道下所提出的方案具有较好的接收性能。关键词:阵列天线智能天线波束成形多径信道矢量信道Rake接收机空时接收机DRake接收机信道估计到达角子空间MUSICandESPRIT算法DSCDMAcdma.x发送分集发送波束成形发送阵列干扰抵消并行干扰抵消多用户检测正交频分多址(OFDM)。DISSER:ⅨrIONFORPH.DIllABSTRACTBymakinguseofadaptiveantennaarraysinwhichthearraysignalprocessmgtechniquesbothinspaceandtimeareappliedtodynamicallyadjustthebeamformingpatternofantennaarraysfortracingthemovementofthemobilestheamountofco.channelormulti.accessinterferencefromotheruserscanbereducedandthesignal.to.interferenceandnoiseratioofthesystemCallbeimprovedtherebyboththeperformanceandcapacityofcellularmobilecommunicationsystemsbeingincreased.DuetoitskeybenefitsdeploymentofantennaarrayswillbemandatoryforTDSCDMAandbeoptionalforothermirdgenerationmobilesystems.ItcarlbeanticipatedthatadaptiveantennaarrayswillbeputintoserviceinbeyondGmobilesystems.Applicationsofadaptiveantennaarraysinmobilesystemsareinvestigatedinthisthesisandthemajorcontributionsarepresentedasfollows.AnovelspatialtemporalreceiverstructuTeforwidebandCDMArevel.selinkbasedonthecombinationofadaptiveantennaarrayandtransversalfilterinwhichthechannelestimationandadaptivealgorithmworkingatchiprateareemployedbyexploitingavariablesizeslidingwindowintegratorundermultipathvectorchannelmodel.Inthereceiver,thepilotsignalsareusedasreferencesignalsforrobustchannelestimationalthoughveryafewspectrumresourcesaleconsumed.Theoreticalanalysisandcomputersimulationresultsshowthatthestructurehasgoodreceivingperformanceandfastconvergencecomparedtothetraditionalsymbolratebasedalgorithm.BasedonthestudyofantennaarrayappliedtowidebandCDMAsystemsanewpilotaidedalgorithmisproposedforthedirectionofarrivalestimationofreceivedsignalswhichusesthefeatureoftheconvergenceoftheantennaarraytotracethedirectionofthedesiredsignalcorrectlyandtheresultcarlbeappliedinthecalculationoftheweightofthedownlinkbeamforming.SimulationresultsshowthattheproposedalgorithmachievesbetterestimationaccuracyascomparedwiththeMUSICandsecondorderESPRITalgorithmsOiltheconditionoftheconvergenceoftheantennaarrayunderthemultipathenvironmentandtheperformanceoftheestimationerrorisalmostunchangedwiththevariationofthechannel.IVABSTRACTInordertosolvethelimitationofusingantennaarraysatthemobileendofthelinkduetolimitedspaceandprocessingpower,downlinkbeamformingtechniquesusingantennaarraysarestudied.AweightestimationalgorithmfordownlinkbeamformingoperatedonWide.BandCDMAwhichutilizestheestimationofdirectionofarrival(DOA)ofuplinksignalsandtheestimationofthechannelmatrixaidedbythedownlinkpilotsignalsispresentedbasedontheresultsofpreviousworkinadaptiveantennaarraywithfeedback.Simulationresultsshowthatthealgorithmhasagoodperformanceunderthecomplicatedmultipathenvironments.Awide.bandCDMAreceivercombinedwithadaptiveantennaarraysandpartialparallelinterferencecancellation(PPIC)isproposedforsolvingtheperformancedegradationbycancelingoutinbeammultipleaccessinterference(MAt)furtherwhenthenumberofusersismorethanthefreedomofthearraysorthesignalsofmobilesarelocatedinthesamebeamofthearrays.Animprovedparallelinterferencecancellationisemployedinthereceiver.inwhichtheinfluenceonthechannelestimationcausedbytheproductofsteeringvectorsandwe:ightsofarraysareeliminatedbasedontheDOAofdesiredsignals.SimulationresultsshowthattheperformanceoftheproposedreceivercomparedfavorablywiththetraditionaladaptiveantennaarraysandPPICaloneintimevariantfadingchannel.Recently,someresearchresultsareshownontheapplicationsofadaptiveantennaarraysusedinFDMsystems.AnadaptiveantennaarraywithKalmanalgorithmforupdatingweightsofantennaarraysinfrequencydomainispresentedbasednthepreviouswork.TheoreticalanalysisandcomputersimulationresultsshowthattheadaptiveantennaarraywiththeproposedalgorithmhasgoodperformanceinsuppressCOchannelinterferencebyperformingthebeamformingforsubcarrierinfrequencydomainandcallimprovethesystemreceivingperformancesignificantly.KeyWords:AdaptiveAntennaArraysSmartAntennasBeamformingMultipathChannelVectorChannelModelsRakereceiver,DRakeSpatialandTemporalReceiver,ChannelEstimationDOAEstimationSubspaceDecompositionMUSICandESPRITAlgorithmDSCDMAcdma一lxTransmitDiversity,TransmitBeamformingTransmitAntennaArraysInterferenceCancellationpartialparallelinterferencecancellation(PPIC)MultiuserDetectionOFDM.东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方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东南大学或其它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。研究生签名:江砝日芝丝兰竺日期:竺。。东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。、’研究生签名:匕垒丝导师签名逊日期:j印.j,l助东南大学博士学位论文第一章绪论年当M.G马可尼完成了固定站与一艘拖船之间进行的无线通信试验后标志着移动通信正式产生t“。在经历了一个多世纪发展后的今天移动通信已使我们的日常生活发生了巨大变化。自GSM、CDMA商用以来西欧等发达国家移动电话的普及率已经达到%以上有的甚至接近%。截止到年年中我国移动通信用户总数己超过.亿户普及率达到%且仍保持着快速发展的势头。移动通信发展到今天已经超出了原有意义上“移动中通信”的概念移动通信用户迫切希望能接入互联网获得商品质、高速率的多媒体信息服务。正是这种需求推动着移动通信从二代向三代的演进:促进着移动通信关键技术的研究步伐也激励着图代或三代后移动通信系统的研制{l(“。.课题研究背景第三代移动通信系统(MT^)是一代逐步走向商用的、且可在本质上克服第一、二代移动通信系统主要弊端的先进移动通信系统其突出特色就是要在未来移动通信系统中实现个人终端用户能够在任何时间、任何地点与任何人用任意方式、高质量她完成语音和多媒体数据信息之间的移动通信与传输并且突出了个人在通信系统中的主导地位。CDMA系统由于其先进的技术优势在第三代移动通信系统中得到了成功的应用。第三代移动通信系统具有支持多媒体业务的能力特别是支持移动因特网业务的能力。rU制定的第三代移动通信无线传输目标要求在快速移动环境下系统数据传输速率达kb/s室外到室内或低速运动环境下数据最高传输速率达kb/s室内静止状态数据最高传输速率达Mb/s。系统除必需具有高频谱效率和更高的传输质量之外还需具备低成本、高保密性、便于向G过渡演一第一章绪论进等特点。另一方面伴随着系统业务流量的增加CDMA系统中多址干扰问题将显得格外突出加之多径时变信道对信号产生的畸变导致系统通信质量下降、限制系统容量增加第三代移动通信系统中仍有许多关键技术问题亟需得到研究和解决这些问题的解决也将为第四代或三代后移动通信系统【jI】的研究奠定一定的基础。多址干扰与多径干扰是限制移动通信质量和容量的主要原因。近年来国际上有关提高通信质量、扩大系统容量的研究大部分可归为干扰抵消和利用空时处理【技术的阵列天线研究两大类。从结构上分干扰抵消可分为串行干扰抵消检测和劳行干扰抵消检测两大类根据控制方式的不同阵列天线可分为波束切换、动态相位阵列和自适应阵列天线三大类。早在上世纪年代阵列天线技术开始在军事领域中得到研究和应用其中阵列天线主要被用于雷达波束的聚焦。年代美国研制成功旁瓣抵消(SidelobeCancelers)天线f】这种天线采用一个大增益天线和一个或多个宽波束小增益天线大增益天线用于接收期望信号小增益天线用于旁瓣抵消通过大小天线接收信号的加权合成消除干扰信号。尽管旁瓣抵消天线并未得到广泛应用但它奠定了自适应阵列天线的技术基础。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运算能力不断提高使得提高阵列天线系统的可靠性与灵活性并极大降低制造成本成为可能阵列天线技术开始在移动通信中得到应用。年代发达国家开始在军事通信系统中装备自适应阵列天线:年代固定波束阵列天线开始在民用蜂窝移动通信系统中使用‘钔其中较为典型的是美国Metawave公司SpotLight系列产品和ArrayComm公司产品这些产品在提高GSM和窄带CDMA蜂窝系统通信质量、扩大系统覆盖范围等方面均取得了较为成功的应用。事实上由于民用移动通信用户大量聚集在城区信号传播较军事通信更加复杂且用户密度更大影响阵列天线自适应算法实现过程中的因素更加复杂给动态捕获并跟踪用户信号变化增加了难度。目前欧、日、美等国都非常重视阵列天线技术在第三代乃至四代或三代东南大学博士学位论文后移动通信系统中的应用并已开展了大量的理论分析秘研究开发工作同时建立了一系列技术试验平台部分试验产品也已进行了野外试验。在我国自适应阵列天线技术的研究已列入国家通信技术主题研究中的个人通信技术分项许多高校、研究枫构和企业正在进行相关的理论研究和产品开发。自适应阵列天线利用空一时处理技术【】充分利用接收信号能量将多径分量进行有效合并消除码间干扰同时利用阵列天线方向特性动态调整阵列天线波束跟踪移动台的运动在空间上将不同用户信号进行隔离对期望信号产生高增益对干扰信号形成“陷点”()或产生较大抑制消除同频多址干扰提高接收信号载干比改善通信质量。另外利用阵列天线波束成形技术压缩了发送波束的空间范围使频率重复利用率得到提高在CDMA系统中因抑制了同频多址干扰既可保证系统通信质量又可使每个基站容纳的用户数得以增加。目前自适应阵列天线的应用研究主要集中在无线上行或下行链路上。尽管利用阵列天线特性的空时处理技术可有效地消除同频多址干扰但当多个用户的信号集中在较为狭小的角度且超出了阵列天线空间分辨率时阵列天线的作用将受到极大的限制。由于多址干扰信号与扩频码集的互相关性和接收到的各用户信息是联系在一起的而接收信号能量又可通过实时估计得到因此完全可以通过对所有接收信号的联合处理来抑制系统中的多址干扰。S.VerduB等人提出了利用其它用户的已知信息去消除多址干扰的多用户检测技术也可称为干扰抵消技术。干扰抵消技术的运用在很大程度上提高了系统的接收性能和系统容量尤其是自适应干扰抵消技术】【的引入使得干扰抵消技术的应用更加灵活、更加趋于实用。为充分发挥、利用干扰抵消和阵列天线技术各自的优势近年来已有许多学者开始探讨研究两种技术的联合应用途径并已取得一定的研究成果】。由于OFDM系统在多径环境下具有克服码问于扰的特殊优势这项技术在有线和无线通信领域得到了较为广泛的应用特别是近年来得到越来越多的关注并被列为下一代移动通信系统多址候选方案。但与其它多址通信方式一样无线OFDM系统同样易受到哀落和同频干扰的影响引起信道阎的于扰(ICI:第一章绪论Inter.channelInterference)另外在蜂窝组网或存在网络覆盖交叠的情况下会产生同频干扰给信号的正常接收带来极大困难。从理论上讲利用自适应阵列天线电子导向矢量对接收信号(或发送信号)相位及幅度进行加权以适应信道传播环境的变化可提高系统的接收(发送)性能扩大系统容量。鉴于移动通信信号传播环境较为复杂目前自适应阵列天线技术的应用研究主要集中于理论研究或实验室研制阶段。由于自适应阵列天线需动态跟踪移动台的运动在瑞利衰落传播环境下信号在空间传播包括直射、反射和折射等路径很难定义矢量信道矩阵所以对信道矩阵的估计误差较大信号到达角无法准确估计在客观也增加了阵列天线波束自动跟踪移动台的难度尤其在衰落信道中为提高阵列天线和干扰抵消技术的性能更需对信道的相位和幅度特性进行精确估计。在实际应用方面阵列天线和干扰抵消技术主要有以下几个难题需得到解决:一、实际环境中移动台与基站间矢量信道的准确描述和估计。二、当前研究成果过于理论化尽管具有较高的理论意义但缺少一定的实用价值。如采用信号盲估计算法需利用接收信号高阶矩统计特性、正定阵‘)特征根分析等理论方法在算法中往往需要做大量的矩阵求逆运算在目前器件体积、功耗、运算速度等受限制的情况下很难实现或几乎无法实现。三、由于受到移动台尺寸和功耗的限制在下行链路中运用阵列天线尤其困难在手持终端上甚至不可能实现另外现有下行链路阵列天线自适应算法、盲干扰抵消算法的研究成果中普遍存在计算复杂度高等缺陷丽缺乏实用性。如何将阵列信号处理技术的优势等效、可靠发挥到移动台在工程实践上是值得研究的课题。针对阵列天线在现有宽带CDMA系统及OFDM系统中的工程应用研究刚刚起步本文选择自适应阵列天线在实际系统中应用作为研究课题。.论文的主要工作和贡献变堕查兰堕主堂堡笙兰一二三二本论文的主要研究工作及贡献概括如下:一、早期用于研究移动通信技术的信道模型仅考虑了相位和幅度的时变往随着研究理论的逐步深入加入了有利于分析数字调制技术性能的时延扩散、经典多径衰落和多普勒扩展参数。随着基于移动台空间分布信息的技术和特征的引入现代空间信号处理信道模型又引入了诸如到达角(DOA)及其扩展、收发多天线之间的关联阵和自适应阵列天线几何图形等信息使得信道模型日臻完善。本文首先研究用于改进、分析宽带CDIVlA阵列信号处理性能的矢量信道模型。二、研究在多径时变信道下CDMA系统上行链路自适应阵列天线接收机的实现方法。针对目前研究中存在的问题采用导频做参考信号进行信道估计牺牲有限的系统容量极大地简化系统实现同时采用码片级的自适应算法提高算法运算速度和算法精度。三、到达角估计的基本问题就是确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣信号的空间位置。作为阵列信号处理系统中的重要研究课题利用阵列处理技术进行到达角估计近十几年来得到了广泛、深入的研究。本文的第四章将在研究宽带CDMA上行链路阵列天线接收机基础上提出一种基于阵列天线接收机收敛条件且简单可行的导频辅助到达角估计算法。通过理论分析和计算机仿真并与传统的MUSIC和二阶ESPRIT算法进行比较以验证算法的有效性。四、尽管阵列天线在提高系统接收性能等方面可发挥较大作用但由于移动台受到体积和功耗的限制很难直接将阵列天线应用到移动台上。采用下行链路波束成形技术可有效地克服这一难题。研究工作将在分析具有反馈特性的自适应发送阵列原理基础上提出一种较为简单的、基于上行链路到达角估计并结合导频辅助下行链路信道矩阵估计的波束成形权重算法.分析到达角估计误差和反馈时延对阵列权重的影响并通过计算机仿真证明提出算法的有效性和可行性。五、阵列天线可用来减少多径衰落对期望信号的影响和抑制同频干扰而干扰抵消技术的运用极大提高了系统的性能和容量尤其是自适应于扰抵消技一第一章绪论术的引入使得干扰抵消技术的应用更加灵活并可应用到复杂的无线传播环境中。干扰抵消与阵列信号处理联合应用技术将比单独使用这两种技术给系统带来更强的抗干扰能力同时可进一步提高系统容量。这项工作的研究近几年也得到了发展但由于系统过于复杂限制了其广泛的应用。针对宽带CDMA反向链路接收技术本文将在一种码片级跟踪速度自适应阵列天线接收机方案的基础上提出阵列天线与并行干扰抵消技术联合运用的接收机方案并通过理论分析和计算机仿真证明:在时变衰落信道下尤其是在阵列天线同波束内存在多个用户的情况下所提出的方案具有较好的接收性能。六、近几年已有许多学者给出了阵列天线在FDM系统中应用的具体研究成果。如利用自适应阵列天线与OFDM系统的有机结合采用增强型参数估计器提高最小均方(MMsE)分集合成的性能在OFDM系统采用空时编码发送分集技术以提高系统服务等级和数据传送速率等。在已有研究成果的基础上本文在第七章根据OFDM系统特点提出在频域利用阵列天线消除同频干扰的解决方案分析同频干扰消除及信号接收过程。给出阵列天线自适应算法通过计算机仿真分析系统误码性能最后提出算法改进建议。查堕奎兰坚主兰堡笙苎二第二章阵列天线和矢量信道如绪论中所述阵列信号处理技术早在上世纪年代就开始在军事通信中得到研究和应用但直到年代阵列天线才在民用蜂窝系统中开始应用ij。阵列天线可有效抵抗移动通信系统时问、频率和空间选择性衰落降低系统多址干扰、码间干扰.改善对衰落和噪声的抵抗能力扩大系统容量、延伸服务范围、提高蜂窝网的通信质量】。早期用于研究无线通信技术的信道模型仅考虑了相位和幅度的时变性后来又在信道模型中加入了有利于分析数字调制技术性能的时延扩散、经典多径衰落和多谱勒扩展参数。随着移动台空间分布特征和信息的引入现代空间信号处理信道模型中又引入了诸如信号到达角(DoA)及其扩展、收发多天线问关联阵和自适应阵列天线几何图形等信息【I”使得信道模型日臻完善。.阵列天线基础知识阵列天线研究的主要问题包括波束成形技术(含上行和下行波束成形)、空问谱估计或称信号到达角估计等问题的研究‘”。本节将简要介绍阵列天线的作用和阵列天线波束成形基础知识。..阵列天线在移动通信系统中的作用移动通信系统的性能和容量受到信道多径时变衰落的严重影响。多径时变特性引起信道的三种扩展:时延扩展即不同的多径引入不同的路径传播延迟.信号经过传播后信号幅度、相位随着天线位置、方向、极化和时间的变化而变化引起频率选择性衰落当时延扩展超过~个符号持续时间的十分之一后将导致码间干扰。限制系统最大的传输速率角度扩展引起空间选择性衰落由于电波到达接收机的角度不同接收信号包络产生起伏导致信号衰落多谱一第二章阵列天线和矢最信道勒扩展或称为频率色散引起时间选择性衰落导致接收信号失真严重且失真度随多谱勒扩展增加而加剧造成接收信号连续误码。另一方面对于CDMA系统而言来自同基站或相邻基站的强干扰一同频干扰将导致多址干扰的产生继而限制了系统的容量。为达到指定的误码率指标通常在系统设计时需要增加发送信号的功率或采用分集技术等措施。阵列天线利用其特殊的技术优势通过以下几个方面可极大提高系统通信质量扩大系统容量】【】:、利用波束成形技术对期望信号产生高增益对干扰信号形成“陷点”()或产生较大抑制提高接收信号载干比改善通信质量提高数据传输速率‘I。、在TDMA系统中由于压缩了波束的范围使频率重复利用率得至Ⅱ提高从而提高了频谱利用率、扩大了系统容量而在CDMA系统中充分利用空间处理技术抑制多址干扰同时充分利用多径分量的有效合成消除因多径传播引起的码间干扰使得同一个基站可容纳的用户数量得到增加扩大了系统容量。、扩大通信覆盖范围‘”。即使在较小角度扩散情况下Ⅳ个单元的阵列天线可提供约Ⅳ倍的能量增益即可扩大约Ⅳ“倍的覆盖范围(r传播损耗指数通常取)。..阵列天线波束成形概述波束成形是阵列天线的基础阵列天线的单元(阵元)类似于有限冲激响应(FIR)滤波器FIR滤波器为时域信号处理器在时域上对信号作离散采样而阵列天线相当于空域信号处理器在空域上对信号作离散采样。改变阵列的加权可使波束发生变化。与FIR滤波器一样阵列处理即空间处理也有类似的诸如滤波、分离和参数估计等信号处理过程。查塑查兰竺主兰垡笙茎..二三二...波束成形与空间滤波图.给出了阵列天线波束成形示意图‘】。设阵列天线单元数为N阵列输出信号为:y(f)=一(f)()式中K为第一个阵列单元的权重“”’为共轭符号。进一步可将上式写成矩阵形式:y(t)=W”x(t)()其中“Ⅳ”为共轭转置(HermitiantransP。se)符号w”=吖啦嵋。图.阵列天线波束成形示意图对一般具有权重加权的有限冲激响应滤波器(FIR)设其长度为Ⅳ抽头延迟单元时间间隔为T频率响应为:r(co)=w:e。”‘“一o()写成矩阵形式:(珊)=W”d(co)()其中d(co)=ee脚e删叫m”r)表示F取滤波器复正弦频率响应co为复频率d(国)表示每个抽头上的复正弦相位矢量。与FIR滤波器响应类似波束成形是阵列天线复平面波到达角和频率的响应包含了幅度和相位信息。对于采用的均匀线性单元的阵列天线(参见图.)设复平面波信号是到达角为、频率为棚的复正弦信号同时假设到达阵列天线第一个单元的相位为零、波束从阵列天线第一个单元到第”个单元的时间延迟记为。(口)则阵列天线接收信号:x(忙Pem删姒啦o()将式()代入到式(.)得到一第二章阵列天线和矢量信道J(f):er兰w=P一肚脚)PJmtr()()n=lr(om为阵列波束成形响应。记:A(p)=P’。‘e扣‘’..F““‘”()其中r。()表示复平面波从阵列天线第一个单元到第n个单元的时间延迟A(O)称为阵列天线导向矢量得到:r(O')=W”A()()比较式、和.可以看出当输入信号为单一频率的复正弦信号时FIR滤波器与阵列天线波束成形响应类似。如果假设阵列天线单元间隔距离为信号半波长FIR滤波器与阵列天线波束成形响应在数学表达形式上是完全相同的这也进一步验证了阵列天线波束成形空间滤波的特性。...阵列天线单元几何结构根据阵列天线单元分布方式可分为线性阵列、圆形阵列和平面型阵列天线等。单元分布的不同将直接影响阵列天线的形状和信号的处理方式。对线性均匀阵列天线根据参考文献】信号至达角为.Ⅱ/"/信号实际到达角为驴i斗单位延迟之积dsin(岛.k)/图.线性单元阵列天线相位延迟示意图n妒snd为阵列天线单元间隔、^为载波信号波长与妒的关系满足::掣sin妒()^对上式做变换得到:查塑查兰坚主兰垒堡兰二.二三一三掣sin妒苎(lo)旯。进一步得到:d//()实际上d/丑类似于抽样定理的空间抽样率与阵列天线波束成形分辨率密切相关。线性阵列的导向矢量为:A(吼):卜甲’tdm.蚝’丁trdm吼’.下n(NI)dsin以l()线性阵列归一化波束成形响应为:‰=p掣州叫陋四利用直坐标或极坐标方式可得到阵列天线波束成形幅度响应。并掘此判断阵列天线波束成形性能。...经典波束成形技术阵列天线对接收信号进行加权合成运算。以使合成信号解调出来的接收信号在给定的代价函数条件下最优。在通常’隋况下代价函数越小阵列天线输出信号质量越高。系统中采用不同的代价函数其得到的权重解是不同的但在特定条件下各种解又是相同的【】。、最小均方误差准则(M/vISE)最小均方误差准则是以天线输出波形失真最小为标准即实际阵列天线输出信号与期望信号的均方误差最小。这时定义其代价函数为:(w)。。=ElI吖x()一以(f)Il()其中t表示第k个用户的期望信号由MMSE准则求得的最优权矢量就是WienerHopf解:、M。R:’pI()第章阵列天线和矢量信道其中R。=E{x。(r}x(f)}为接收信号自相关矩阵、巩=E{xo)《(f)}为互相关矩阵。采用撮小均方误差准则尽管需要诸如导频等参考信号牺牲一定的系统容量但不需要预先知道信号到达角相对于其它算法更加简单、实用。、最大信纳比准则(MSINR)信号与干扰和噪声的分布确定后误码性能直接取决于信号与干扰和噪声的功率比(SINR)所以如果以最大输出SINR为准则选择合并系数可望得到更好的误码性能阵列输出的SINR为:SINR=黼H=絮警p旧其中嚷为第k个用户信号到达角、接收信号x。(f)=Sk(f)N。)I。(f)s。()为有用信号、u=N^(r)I。(r)为噪声加干扰信号R=占s^(f)s(f)为输入有用信号自相关矩阵、R抽=ElU。(t)u(f)l为噪声干扰信号自相关矩阵最佳权重解为:‰七R::A(吼)()其中k为常数。采用最大信纳比准则需预先估计信道特性和期望信号的到达角、输入有用信号自相关矩阵、噪声干扰信号自相关矩阵其中噪声干扰信号自相关矩阵可在系统不发送有用信号时估计得到。尽管算法相对复杂、实现难度较大但不需要参考信号可采用盲算法或广义特征值分解法实现阵列权重的自适应迭代同时保证真正意义上的接收信号信噪比最大。、Capon最小噪声方差波束成形该准则保证接收机接收到恒定用户信号功率的同时又可使得阵列接收信号输出功率最小。这种波束成形被称为最小方差无畸变响应(MVDR:MinimumVarianceDistortionlessResponse)波束成形器设波束成形输出信号功率东南大学博士学位论文】E=EY^将x(f)=wfx。(f)代入得到:B=w占x。o)x(f)w=wR。w()Capon最小噪声万差渡柬成形最优求解问越转化为:Wcap叻唧Rw|吖A(限)卜(.)利用拉格郎日(Lagrange)乘子法求解定义代价函数为:J(w脚)=羔‰一匿嵋^(咿(.z。)其中M表示统计数据长度。对代价函数求取梯度可得到最佳权重解:‰热()Capon最小噪声方差准则采用的限制条件相对宽松但需要预先得到期望信号到达角信息且分辨率较低。、最大似然比准则取阵列天线接收信号M个样本阵列数据输入矩阵为:Xt(州)=WA(k)S。(m)N。(m)I。(饼)(.)假设干扰加噪声分布满足多元高斯分布阵列数据输入样本聱的联合概率密度函数可表示为:鹏)纂去戢p卜亡陪懈溉f(z)对上式取对数并忽略常数部分得到对数似然函数:三(xt)历南唧{’CXlA(幺剐”R己KA(嚷剐}()其中P为与信噪比有关的常数。将对数似然函数相对于接收信号s。求导可以求出使对数似然函数达到最大的信号的估计值:氟咖%裂筹任zs由此得到最大似然解为。第二章阵列天线和矢量信道wj。七’Rj。A(嚷)()其中k’为常数。尽管最大似然比准则波束成形属于非线性优化问题需采用迭代运算方法运算量大在性能上最大似然准则相对于其它准则是最优的尤其是当数据样本少、接收信号信噪比低时或者是信号与干扰噪声相关时其性能优势更加明显。..阵列天线分类根据阵列天线波束成形控制方式的不同阵列天线可分为【:、波束切换(SwitchedBeamforming):波束成形天线在本质上更象是对基站进行扇型化。基站发出信号根据移动台的位置被预先分配到指定的波束有效地减少了对其它用户的通信干扰扩大了覆盖范围提高了系统容量。、动态相位阵列(Dynamicallyphasedarrays):这种动态相位阵列克服了波束切换在移动台运动时偏离波束的主瓣在波束切换前信号出现较严重衰减的弊端。它在原理上类似波束切换但在控制方面利用到达角估计技术可控制波束在波束宽度范围内跟踪移动台的运动始终保持移动台的接收功率。这种技术也可认为是波束主瓣切换技术(Switchedlobeconcept)。、自适应阵列天线(Adaptiveantennaarrays):自适应阵列天线利用一组可产生变化辐射图(方向图)的天线单元动态地跟踪信道衰落、噪声及干扰的变化始终保持接收机载干比为最大提高接收机性能。天线方向图的控制采用信号处理技术控制天线单元加权系数从而调整天线单元接收、发射方向图。为能自适应跟踪期望用户的信号自适应阵列天线的跟踪速率要大于用户移动及信道快衰落的变化速率。..阵列天线宽带波束成形技术前面几节在介绍一维经典波束成形技术时未考虑宽带信号以及多径传播对阵列天线波束成形的影响。东南大学博士学位论文当阵列天线工作在宽带系统中时由于阵列响应对不同的频率和信号到达角是不相同的经典阵列天线将对接收信号频谱特性产生影响。换句话说经典一维波束成形仅可工作在单一频率的系统中。当阵列天线工作在信号多径传播环境时如果信号传播多径分量的到达角不相同但有着相同的路径延迟经典阵列天线一维空间滤波仍将发挥有效作用通过有效的合成运算充分利用多径能量消除多径引起的码间干扰但当多径分量路径延迟不相同时经典阵列天线的作用将受到极大影响甚至无法发挥作用。...延迟线接收机模型图.给出了宽带阵列天线抽头加权延迟线接收机基本组成原理图‘I这种结构包含了阵列空间处理和延迟单元时域均衡处理两部分。信号经空间传播到达阵列天线接收机后先经过延迟单元并对接收信号的延迟分量进行加权合并由此控制每个阵列单元接收信号延迟分量的频率(相位)和幅度响应加权合并时可采用等增益合并也可采用最大比合并等。忽略噪声的影响阵列天线接收信号合并后为:y(f):兰壹tx(tz乏)w=.。一等s鸲(.)y(f)=一亿)w=.户”()其中N为阵列天线单元个数、上为延迟单元个数、H为第一个阵列单元对应于第延迟分量的权重、铱.为第”个阵列单元对应于第延迟分量到达角。采用图.的结构可充分利用延迟单元时域处理特性通过对延迟分量的加权合并弥补经典阵列天线对接收信号频谱特性产生的影响选择延迟单元的时延间隔可对多径传播信号进行多径分离同时结合CDMA中Rake接收机的特性降低系统实现复杂度。这种接收机也称为空时接收机、二维接收机或DRake接收机。...阵列天线的频域处理技术利用空间信号处理技术消除多址干扰过程的分析一般情况下在时域上迸第二章阵列天线和矢量信道踅』踅踅I‘到《』列图.阵列天线延迟线模型组成示意图行理论上也可在频域进行分析‘。将图.给出的宽带抽头延迟线阵列单元模型延迟单元输出时域信号通过快速傅立叶变换(FFT)产生出三个频域样本信号对频域样本进行加权并对应于每个天线单元求和再对求和信号做傅立叶反变换(IFFT)即可将频域内的并行样本信号恢复成时域串行样本信号(参见图.)。通过简单的变换可将其信号分析过程转换为频域内的信号分析过程。实际上将阵列延迟单元响应转换为频域信号后其接收信号表达式与时域信号表达式在形式上是相同的【】。接收信号通过FFT变换后将接收信号频带分成许多较窄的子带通过阵列对每个子带信号的加权来补偿接收信号的频谱特性。经过频率补偿的信号经IFFT变换后重新恢复成时域信号。为提高阵列频域处理技术的性能通常采用图.所示的等效延迟线结构但这样会使得接收机结构趋于复杂。设第H个阵列单元的第一个输入信号样本为‘最先输入的样本记为t东南大学博士学位论文一如果定义图.阵列天线FFT模型组成示意图%t(t)=Xn.(卜【f一】)t为延迟时长经过FFT变换的输出信号为()‰(f)缸鹏)肛llm三()其中to为起始时刻%=g一““}。阵列输出频率响应为:汜阵列输出时域信号为y(f)且有()一第二章阵列天线和矢最信道Yi(f)=y(t。一pl】t)l<I曼三(i)经过IFFT变换的阵列输出时域信号为:y心)=宝^Ⅳz‘‘“”’<L()R.工ComptonI'“较为详细地分析了阵列信号处理中时域和频域的关系并证明两种处理技术在性能上基本相同。..阵列天线权重计算阵列天线技术的关键是求取最佳的权重保证阵列合成信号根据不同的判决准则使接收性能达到最佳。阵列天线权重最佳解是基于接收信号统计特性的基础上按照代价函数最优直接求解权重。在实际的移动通信环境中由于移动台的运动恩鼠环境是在变化的因此实际系统中阵列天线权重是随若时间的变化不断跟踪移动台的运动并进行权重自适应调节。阵歹|j天线权重算法可采用迭代方式也可采用分块模式方法并根据系统是否需插入参考信号分为参考信号辅助算法(如基于最小均方误差准则算法)、茸算法(如Bussgang算法)或半盲算法等”。在第二节中已给出了部分经典权重求解算法。阵列天线权重自适应实现过程中也可以采用不同算法主要有最小均方算法(LMS)、递归最小平方算法(RLS)和恒模算法(CMA)。LMS、RLS需要系统提供与用户信号相关的参考信号用于计算误差控制阵列加权CMA算法是Bussgang算法的一种简单应用【它利用阵列输出信号恒包络原理不需要参考信号属于盲均衡方法其代价函数为:J(Wt)ⅢExM川(.)式中邑为期望信号阵列输出幅度指数P和q可取或用于决定最陡下降自适应算法的收敛特性和实现的复杂度。东南大学博学位沧文一.矢量信道模型研究对于无线通信贴近真实环境的信道模型建立有助于有效、准确她研究预测无线通信系统的性能而且针对不同的通信系统.用于研究的信道模型是不尽相同的。例如对于单天线窄带接收机的研究信道中仅需包含幅度和相位信息但对宽带多天线系统除了上述信息矫信道中还需包含信号多径延迟分量、信号到达角等信息。由于信道特性对自适应阵列天线的性能将产生较大的影响【】【在研究阵列天线性能时信道模型的选择将直接关系到研究工作的正确性。..小尺度衰落模型在介绍矢量信道概念前我们有必要回顾一下矢量信道的基础一多径信道模型。对无线通信传播模型的研究传统上集中在给定范围内平均接收场强的预测、特定位置附近场强的变化如果仅仅用于预测平均场强并估计无线覆盖范围的传播模型通常称为大尺度传播模型而描述短距离或短时间内接收场强快速变化运动的传播模型称为小尺度(Small.scale)衰落模型小尺度衰落主要由多径传播、多谱勒频移、信号传输带宽等因素引起Ⅲ。在研究接收机性能时主要研究小尺度衰落的影响。...多径衰落的物理特性当信号通过无线移动信道时多径传播时延扩散引起时间色散或称频率选择性衰落多谱勒扩散将会导致频率色散或称时间选择性衰落。时间色散导致信号产生平衰落或频率选择性衰落造成接收信号幅度变化及引起码间干扰频率色散造成接收信号失真。多径传播时延扩散引起的时间色散将导致信号在传播过程中遭受平坦衰落或频率选择性衰落这两种衰落对信号产生的影研旬是不同的其中频率选择性衰落由于造成信号在频谱范围内的信道增益与相位发生了变化导致接收信号产生严重畸变进而引起接收信号码问干扰。延迟扩散和相干带宽是描述时间色散特第二章阵列天线和矢量信道性的两个重要参数。在无线移动信道中瑞利(Rayleigh)分布通常用来描述平坦衰落信道接收信号包络统计时间变化特性或单个无直达径情形包络特性的。而二路独立正交高斯噪声信号和的包络符合瑞利分布其概率密度函数如下:肿):{考exp(争(<r<oo)()l(r<O)式中口为在包络检测前接收信号幅度均方根(rms)值。多谱勒扩展导致频率色散引起的衰落为快衰落多谱勒扩散和相干时间是在小范围区域内描述信道变化特性的重要参数。相干时间定义为:疋:/上:下.()。Vnf:厶“一式中厶=v/为多谱勒频移v为移动台的运动速度兄为波长,t=c/Lc为光速、丘为发送信号的载波频率。慢衰落主要由于高大建筑物遮挡阴影所形成通常满足对数正态分布快衰落起因于移动台附近多径散射也称为shon.termfading或瑞利衰落。这是因为多径传播在不同维的信号引起扩散即延迟扩散(频率选择性衰

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