波束形成算法的研究与仿真
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1.1
智能天线利用数字信号处理技术，阵列信号处理以及自适应滤波发展而来[2]。它能够产生空间定向波束，使天线主波束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，以达到充分高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的[3]。智能天线能够根据用户用户位置，调整波束的方向和角度，利用可控天线，达到自动调整天线阵列方向的目的，进而实现最佳的接收效果[4] [5]。智能天线是一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。
2
智能天线从提出至今，已经取得了很大的进展，但仍未达到完全成熟的阶段，在其发展的过程中，有很多关键技术亟待解决，其中包括：
1）全向波束和赋形波束：全向信道要求更高的发射功率。
2）共享下行信道及不连续发射：在提供IP型数据业务的移动通信系统中，均设计了多用户共享的上下行信道，并在基站和用户终端使用不连续的发射技术，在使用智能天线的基站中，由于用户移动，基站不可能知道用户的位置。
2
智能天线对于移动通信系统的贡献，在于它能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制各种干扰、抗衰落、降低成本，并改善通信质量。其主要表现如下：
1）智能天线抗衰落、抗干扰的特性，使得它能提供更广泛的系统覆盖方位，改善通信系统质量，能够有效节省发射功率。
2）智能天线利用空分多址技术，该技术能够有效抵抗信号之间的干扰，提高频谱利用率，因此对于改善系统容量有很大帮助。智能天线的利用，能够使天线波束变窄，将能量集中在一个方向，减少移动通信系统的同频干扰，提高频谱效率。因此，无需更新现有设备也能够有效改善系统性能。
签名：日期：2014年9月18日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
Keywords:Beamforming, smart antenna, blind adaptive algorithm, semi-blind adaptive algorithm.
第一章
20世纪90年代以来，无线通信技术在不断发展。有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境，而解决这个问题的一条主要途径就是开发智能天线。智能天线是近年来移动通信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量[1]。
6）为高速移动用户提供波束赋形问题：由于用户的移动性，并且无线信道的时变特性，对天线处理算法的效率要求较高，并且为了保证智能天线的正常工作，也希望TDD周期不能太长。所以，如果在该系统内的终端移动速度较快，那么TDD上下行转换周期需要进一步缩短。
7）硬件方面的设备复杂性问题：智能天线的性能会随着天线阵元的数量得增加而增加，但是增加天线数量，会导致系统的复杂度上升，所以硬件方面又限制了天线阵元数量的增长。
智能天线由天线阵列、A／D和D／A转换、自适应算法控制器和波束形成网络组成。其中波束形成网络是由每个单元天线的空间感应信号加权相加，其权系数为复数，即每路信号的幅度和相位均可以改变。自适应控制网络是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定的算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态的产生空间定向波束。其结构图如下：
图1智能天线结构
波束形成技术是智能天线能否实现的关键。简单地说，波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带，然后进行相应的空间谱处理，获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。在此基础上，依据一定的准则，计算信号在各个天线阵元的加权矢量，生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户。可以说波束形成是一种空间滤波方法，目的是从信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。在接收模式下，抑制来自窄波束之外的信号；而在发射模式下，使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小。
3）通过利用智能天线能够对移动设备准确定位。通过估计用户的到达角等信息获取用户位置，对向其发射的信号进行加权处理。
4）智能天线与以往的扇区天线和天线分集技术不同，能够向特定用户提供窄波束，使能量控制在有限的范围和方向上。
总之，智能天线的利用有效地改善了系统的性能，能够为系统提供更好的通信质量和频谱效率，具有很好的应用前景。
1.3
本文在如下几章中将介绍：第二章介绍智能天线，包括其优缺点和在实际应用中的实现难点；第三章介绍自适应波束形成的判断准则；第四章着重介绍波束形成算法，包括常见的非盲自适应算法，盲自适应算法以及本文着重分析的改进的半盲自适应算法。第五章中，会通过仿真结果呈现半盲自适应算法的优势。第六章是对全文的总结分析。
本文以研究波束形成算法为主体，分析了智能天线的优缺点，给出了分析波束形成算法的准则，并主要关注数字波束形成算法，在比较多种波束形成算法后，着重研究了半盲波束形成算法，并且提出半盲最小二乘波束算法，最后通过仿真结果，呈现了本文提出的算法的优势。
关键词：波束形成，智能天线，盲自适应算法，半盲自适应算法。
第二章
2
智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列、多天线。智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息（比如传播方向）和跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。早期应用集中于雷达和声呐信号处理领域，20世纪70年代后被引入军事通信中。
自适应波束形成技术经过几十年的发展，已经逐步走向成熟，在此介绍一下滤波准则。
3
自适应滤波中自适应是指在环境统计特性未知的情况下调整系统，使之保持最佳工作状态，因此自适应和最佳化有密切关系。
将滤波器与性能函数相联系，滤波器的最优化问题即为在一定约束条件下求性能函数的最值问题，当性能函数能够取得最值时，成为最佳。因此，性能函数的最小值或者最大者以及相随的条件就被称为最佳准则。不同的性能函数条件就对应着不同的最佳准则。自适应滤波中的最佳准则有最小均方差准则，最大信干噪比准则，线性约束最小方差准则、最大似然准则等。
1.2
智能天线潜能巨大，国内外多个国家都投入巨大精力进行研究。世界各国都非常重视智能天线技术及其在未来移动通信方案中的地位与作用，纷纷开展了大量理论分析和研究，并建立了一些技术试验平台。
在工程应用方面，欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中，实施了第一阶段智能天线技术研究，在基站上建造了智能天线实验平台，天线阵由8个阵元组成，阵元分布有直线型、圆环型和平面型三种形式。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，并提出了基于智能天线的软件天线概念。AT&T设计了一个4阵元自适应天线。并且我国也参与研究，TD—SCDMA中就采用了智能天线技术，目前主要用于移动通信中的基站，是一种安装在基站现场的双向天线。
（保密的Βιβλιοθήκη Baidu位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
日期：2014年9月18日
波束形成算法的研究与仿真
摘要
随着移动通信的发展，人们对数据流量的需求越来越高，因此，提高频谱效率、能量效率、系统容量等成为当下研究的热点问题。智能天线是解决这一问题的关键技术，其核心为波束形成算法，而算法的复杂度，收敛速度等是判断一个算法性能是否优良，是否能够适用于更多系统的关键。因此，寻找一个结构简单，性能良好的波束形成算法成为研究的热点问题。
Research on the Beamforming Algorithm and Simulations
ABSTRACT
With the development of mobile communications, the demand for data traffic is increasing, therefore, improve spectral efficiency, energy efficiency, system capacity and so become a hot issue in the present study. Smart antenna is a key technology to solve this problem, the core of beamforming algorithms, and algorithm complexity, convergence speed is to determine whether the excellent performance of an algorithm, the system is able to apply more critical. Therefore, to find a simple structure, good performance beamforming algorithm has become a hot issue.
在理论算法方面，波束算法可分为非盲算法和盲算法两类。前者需要借助参考信号，后者无需任何参考信号和导频信号。经过学术界得研究，目前也有很多更为简单易行的自适应算法出现。波束形成算法可归纳总结为三种形式：空间参考方式，时间参考方式以及盲处理方式。
良好的自适应算法往往对硬件要求较高，较难在实际中部署和实现，并且算法的选择也需要根据实际情况，如信道状态、业务标准等进行选择。
3）实时自动校准技术:在智能天线中，对移动通信系统的自动校准技术十分重要。如果不进行实时的校准，下行波束赋形将受到较大影响。这样智能天线的优势便不能凸显。
4）物理层的帧结构：基本的物理层技术，比如调制与解调、扩频、信道编码、就错检错等与非智能天线中使用的相同。但是智能天线对物理层的效率要求更高。
5）智能天线技术与其他技术的结合
分类号：U D C：D10621-408-（2014）****-0
密级：公开编号：填写自己的学号
XX学院
学位论文
波束形成算法的研究与仿真
论文作者姓名：
××
申请学位专业：
电子信息工程
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
××（××）
论文提交日期：
2014年9月18日
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及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得成都信息工程学院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谢意。
因此，智能天线技术若想跟上通信技术发展的步伐，必须解决如上关键技术问题，并且需要考虑和其他技术的兼容性。
第三章
从输入数据中虑除噪声和干扰以提取有用信息的过程称为滤波,相应的装置称为滤波器,根据某一最佳准则进行滤波的滤波器是最佳滤波器。自适应滤波器是在输入过程的统计特性未知或变化时,能够调整自己的参数,以满足某种最佳准则的要求,它是以最佳滤波器为基础的,包括自适应时域滤波和自适应空域滤波(又称智能天线等)。智能天线利用其空间滤波的特性来提高移动通信的性能。
In this paper, the main research beamforming algorithm to analyze the advantages and disadvantages of smart antenna, gives guidelines for analyzing beam forming algorithm, and mainly focus on digital beamforming algorithms After comparing a variety of beam forming algorithm, focuses on the semi-blind beam forming algorithm, and the beam least squares algorithm proposed semi-blind, and finally through the simulation results, showing the advantages of the proposed algorithm.
智能天线利用数字信号处理技术，阵列信号处理以及自适应滤波发展而来[2]。它能够产生空间定向波束，使天线主波束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，以达到充分高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的[3]。智能天线能够根据用户用户位置，调整波束的方向和角度，利用可控天线，达到自动调整天线阵列方向的目的，进而实现最佳的接收效果[4] [5]。智能天线是一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。
2
智能天线从提出至今，已经取得了很大的进展，但仍未达到完全成熟的阶段，在其发展的过程中，有很多关键技术亟待解决，其中包括：
1）全向波束和赋形波束：全向信道要求更高的发射功率。
2）共享下行信道及不连续发射：在提供IP型数据业务的移动通信系统中，均设计了多用户共享的上下行信道，并在基站和用户终端使用不连续的发射技术，在使用智能天线的基站中，由于用户移动，基站不可能知道用户的位置。
2
智能天线对于移动通信系统的贡献，在于它能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制各种干扰、抗衰落、降低成本，并改善通信质量。其主要表现如下：
1）智能天线抗衰落、抗干扰的特性，使得它能提供更广泛的系统覆盖方位，改善通信系统质量，能够有效节省发射功率。
2）智能天线利用空分多址技术，该技术能够有效抵抗信号之间的干扰，提高频谱利用率，因此对于改善系统容量有很大帮助。智能天线的利用，能够使天线波束变窄，将能量集中在一个方向，减少移动通信系统的同频干扰，提高频谱效率。因此，无需更新现有设备也能够有效改善系统性能。
签名：日期：2014年9月18日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
Keywords:Beamforming, smart antenna, blind adaptive algorithm, semi-blind adaptive algorithm.
第一章
20世纪90年代以来，无线通信技术在不断发展。有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境，而解决这个问题的一条主要途径就是开发智能天线。智能天线是近年来移动通信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量[1]。
6）为高速移动用户提供波束赋形问题：由于用户的移动性，并且无线信道的时变特性，对天线处理算法的效率要求较高，并且为了保证智能天线的正常工作，也希望TDD周期不能太长。所以，如果在该系统内的终端移动速度较快，那么TDD上下行转换周期需要进一步缩短。
7）硬件方面的设备复杂性问题：智能天线的性能会随着天线阵元的数量得增加而增加，但是增加天线数量，会导致系统的复杂度上升，所以硬件方面又限制了天线阵元数量的增长。
智能天线由天线阵列、A／D和D／A转换、自适应算法控制器和波束形成网络组成。其中波束形成网络是由每个单元天线的空间感应信号加权相加，其权系数为复数，即每路信号的幅度和相位均可以改变。自适应控制网络是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定的算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态的产生空间定向波束。其结构图如下：
图1智能天线结构
波束形成技术是智能天线能否实现的关键。简单地说，波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带，然后进行相应的空间谱处理，获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。在此基础上，依据一定的准则，计算信号在各个天线阵元的加权矢量，生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户。可以说波束形成是一种空间滤波方法，目的是从信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。在接收模式下，抑制来自窄波束之外的信号；而在发射模式下，使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小。
3）通过利用智能天线能够对移动设备准确定位。通过估计用户的到达角等信息获取用户位置，对向其发射的信号进行加权处理。
4）智能天线与以往的扇区天线和天线分集技术不同，能够向特定用户提供窄波束，使能量控制在有限的范围和方向上。
总之，智能天线的利用有效地改善了系统的性能，能够为系统提供更好的通信质量和频谱效率，具有很好的应用前景。
1.3
本文在如下几章中将介绍：第二章介绍智能天线，包括其优缺点和在实际应用中的实现难点；第三章介绍自适应波束形成的判断准则；第四章着重介绍波束形成算法，包括常见的非盲自适应算法，盲自适应算法以及本文着重分析的改进的半盲自适应算法。第五章中，会通过仿真结果呈现半盲自适应算法的优势。第六章是对全文的总结分析。
本文以研究波束形成算法为主体，分析了智能天线的优缺点，给出了分析波束形成算法的准则，并主要关注数字波束形成算法，在比较多种波束形成算法后，着重研究了半盲波束形成算法，并且提出半盲最小二乘波束算法，最后通过仿真结果，呈现了本文提出的算法的优势。
关键词：波束形成，智能天线，盲自适应算法，半盲自适应算法。
第二章
2
智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列、多天线。智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息（比如传播方向）和跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。早期应用集中于雷达和声呐信号处理领域，20世纪70年代后被引入军事通信中。
自适应波束形成技术经过几十年的发展，已经逐步走向成熟，在此介绍一下滤波准则。
3
自适应滤波中自适应是指在环境统计特性未知的情况下调整系统，使之保持最佳工作状态，因此自适应和最佳化有密切关系。
将滤波器与性能函数相联系，滤波器的最优化问题即为在一定约束条件下求性能函数的最值问题，当性能函数能够取得最值时，成为最佳。因此，性能函数的最小值或者最大者以及相随的条件就被称为最佳准则。不同的性能函数条件就对应着不同的最佳准则。自适应滤波中的最佳准则有最小均方差准则，最大信干噪比准则，线性约束最小方差准则、最大似然准则等。
1.2
智能天线潜能巨大，国内外多个国家都投入巨大精力进行研究。世界各国都非常重视智能天线技术及其在未来移动通信方案中的地位与作用，纷纷开展了大量理论分析和研究，并建立了一些技术试验平台。
在工程应用方面，欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中，实施了第一阶段智能天线技术研究，在基站上建造了智能天线实验平台，天线阵由8个阵元组成，阵元分布有直线型、圆环型和平面型三种形式。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，并提出了基于智能天线的软件天线概念。AT&T设计了一个4阵元自适应天线。并且我国也参与研究，TD—SCDMA中就采用了智能天线技术，目前主要用于移动通信中的基站，是一种安装在基站现场的双向天线。
（保密的Βιβλιοθήκη Baidu位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
日期：2014年9月18日
波束形成算法的研究与仿真
摘要
随着移动通信的发展，人们对数据流量的需求越来越高，因此，提高频谱效率、能量效率、系统容量等成为当下研究的热点问题。智能天线是解决这一问题的关键技术，其核心为波束形成算法，而算法的复杂度，收敛速度等是判断一个算法性能是否优良，是否能够适用于更多系统的关键。因此，寻找一个结构简单，性能良好的波束形成算法成为研究的热点问题。
Research on the Beamforming Algorithm and Simulations
ABSTRACT
With the development of mobile communications, the demand for data traffic is increasing, therefore, improve spectral efficiency, energy efficiency, system capacity and so become a hot issue in the present study. Smart antenna is a key technology to solve this problem, the core of beamforming algorithms, and algorithm complexity, convergence speed is to determine whether the excellent performance of an algorithm, the system is able to apply more critical. Therefore, to find a simple structure, good performance beamforming algorithm has become a hot issue.
在理论算法方面，波束算法可分为非盲算法和盲算法两类。前者需要借助参考信号，后者无需任何参考信号和导频信号。经过学术界得研究，目前也有很多更为简单易行的自适应算法出现。波束形成算法可归纳总结为三种形式：空间参考方式，时间参考方式以及盲处理方式。
良好的自适应算法往往对硬件要求较高，较难在实际中部署和实现，并且算法的选择也需要根据实际情况，如信道状态、业务标准等进行选择。
3）实时自动校准技术:在智能天线中，对移动通信系统的自动校准技术十分重要。如果不进行实时的校准，下行波束赋形将受到较大影响。这样智能天线的优势便不能凸显。
4）物理层的帧结构：基本的物理层技术，比如调制与解调、扩频、信道编码、就错检错等与非智能天线中使用的相同。但是智能天线对物理层的效率要求更高。
5）智能天线技术与其他技术的结合
分类号：U D C：D10621-408-（2014）****-0
密级：公开编号：填写自己的学号
XX学院
学位论文
波束形成算法的研究与仿真
论文作者姓名：
××
申请学位专业：
电子信息工程
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
××（××）
论文提交日期：
2014年9月18日
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及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得成都信息工程学院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谢意。
因此，智能天线技术若想跟上通信技术发展的步伐，必须解决如上关键技术问题，并且需要考虑和其他技术的兼容性。
第三章
从输入数据中虑除噪声和干扰以提取有用信息的过程称为滤波,相应的装置称为滤波器,根据某一最佳准则进行滤波的滤波器是最佳滤波器。自适应滤波器是在输入过程的统计特性未知或变化时,能够调整自己的参数,以满足某种最佳准则的要求,它是以最佳滤波器为基础的,包括自适应时域滤波和自适应空域滤波(又称智能天线等)。智能天线利用其空间滤波的特性来提高移动通信的性能。
In this paper, the main research beamforming algorithm to analyze the advantages and disadvantages of smart antenna, gives guidelines for analyzing beam forming algorithm, and mainly focus on digital beamforming algorithms After comparing a variety of beam forming algorithm, focuses on the semi-blind beam forming algorithm, and the beam least squares algorithm proposed semi-blind, and finally through the simulation results, showing the advantages of the proposed algorithm.