智能天线研究

第五章一种新的智能天线下行波束形成方法.……….……………...…40
§5.1 引言………………………………………………………………………….40 §5.2 信道模型…………………………………………………………………….40 §5.3 上下信道的相关矩阵转换……………………………………………….…42 §5.4 仿真结果及性能分析…………………………………………………….…43 §5.5 结论…………………………………………………………………….……45
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智能天线研究
移动用户的空间方位信息，利用用户位置的不同，采用空域滤波来减少共信道干 扰（Co-channel Interference，简称 CCI），最终实现在同一信道（频段/时隙/码道） 中发送和接收多个用户的信号而不发生相互干扰。实际上它使通信资源不再局限 于时间域、频率域、码域，拓展到了空间域。在现有的移动通信系统中采用智能 天线可以扩大小区的覆盖范围，降低手机的功耗，增加了系统的容量，降低了系 统的干扰，减小系统的初装费用。对于 CDMA 系统而言,可以利用空间的隔离降低 对功率控制精度的要求，提高系统的稳定性。更为重要的是智能天线可以提高信 道的传输质量，提高系统的容量。鉴于上述技术优势，智能天线技术已被确定为 第三代移动通信系统的关键技术之一。然而由于移动通信环境的复杂性，在移动 通信系统中应用智能天线技术还有许多问题尚待解决。但是，有理由相信，随着 研究的深入，智能天线技术将会在未来移动通信系统中发挥更为重要的作用。 智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线。多波束天线 利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度是由 阵元数确定的。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接受 信号最强。 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，所以多波束天线不能实现信号最佳 接收。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信 号到达方向的优点。 目前，由于体积和复杂度等因素，智能天线概念只适用于基站。已有大量文献 报道了智能天线在上行信道的一些算法及容量分析，而下行链路的波束形成研究 还存在一些瓶颈。 这是因为基站在发送前不能观察到下行链路的信道特征。 在 FDD 双工方式，上、下行载波的频率差大于相干频带，上、下行信道是不相关的。因 此，不能用上行信道直接估计下行信道，故智能天线应用于下行链路是一个难点。 智能天线是第三代移动通信基础，智能天线有诱人的前景。智能天线虽然从理 论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能的天线，还需要许多问题有待研究解 决。本课题的研究目的是评估不同智能天线阵列系统的应用性并对相关算法做了 初步的探索，为进一步的算法研究和工程应用提供了方便。
第四章 下行波束形成.……….……….……….……….………………..31
§4.1 波束赋型算法概况…………………………………………………………31 §4.2 下行波束形成技术…………………………………………………………31 §4.3 协方差矩阵转换算法(SCMT)……………………………………………...32 §4.4 具有一定零陷宽度基于 DOA 估计的波束形成算法(SmearR)…………..34 §4.5 盲自适应下行波束形成算法………………………………………………36
第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 研究背景与意义
人类社会的发展建立在信息交流的基础上，而通信技术使得人们克服了距离 上的障碍，能够迅速而准确地传递信息，可以毫不夸张地说，通信是推动社会文 明进步与发展的巨大动力。从利用人力、马力、烽火台等原始的通信手段传递信 息到现在无处不及的国际互联网，人类的通信手段取得了巨大进步。现在的通信 网已不再是单一的电话网或电报文字通信网，而是一种综合性的，为各种信息服 务的通信网。其中个人移动通信以其不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活， 迅速可靠等特有的优势而倍受关注。据资料统计，目前全球的无线通信业务正在 以 40%的速度增长，目前，我国的移动通信网用户已超过两亿，鉴于如此大的市 场潜力，移动通信具有广阔的发展前景。 由于无线信道是广播信道，多个用户共享同样的信道资源，因此，利用有限 的频率资源来最大限度地满足人们对移动通信的要求一直是移动通信系统研究的 热点。美国贝尔实验室提出的蜂窝组网理论，利用电磁波在自由空间中的传输损 耗，使相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，从而在很大限 度上克服了信道容量受限的问题，极大地推动了移动通信技术的发展，被誉为移 动通信史上的蜂窝革命。蜂窝移动通信系统一经出现就以十分迅猛的速度发展起 来，并已经历了以调频模拟电话信号传输和频分多址（FDMA）为主要标志的第一 代；以窄带数字信号传输和时分多址（TDMA）以及码分多址（CDMA）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移动通信系统也即将投 入使用。 随着移动用户数目的急剧增加，及第三代移动通信系统中宽带业务的引入， 人们对移动通信容量的需求与日俱增。频率资源匮乏的问题不仅依然存在，而且 更加突出。尽管可以对蜂窝小区进行裂化或将小区分成若干个扇区来进一步增加 系统容量，但是随着小区裂化的进行或小区扇区数的增加，移动台的越区切换会 变得越来越频繁，而完成越区切换会消耗较多的信道资源，因此对小区进行裂化 或在小区中增加扇区数都是有一定限制的。 蜂窝移动通信能够使处于不同小区中的用户复用同一组频率，实质上是利用 了不同小区的用户间相对距离较大的特征，也就是利用了移动用户的空间信息。 90 年代初，人们提出了另外一种利用移动用户空间方位信息增加移动通信系统容 量的技术——智能天线系统（Smart Antenna Systems，简称 SAS）。随后，它在蜂 窝移动通信中的优势和可行性得到了初步论证。其基本思想是通过天线阵提取各
目
录
第一章 绪 论…………….…………….………...…………….…..……1
§1.1 研究背景与意义………………………………………………………...…1 §1.2 本文的主要工作……………………………………………….…….…….2
第二章 第三代移动通信系统和智能天线技术……….…..…….…..…4
Abstract
Digital signal processing technologies were used to produce spatial and directional beam in smart antennas. Then the main beam aims at the coming direction of reference user and the side lobe points to the coming direction of interference user. Smart antennas are classified to switching-beam and tracking-beam. Smart antenna technology has been confirmed as one of key technologies of the third generation mobile communication system, and will play an important role in the future. This thesis studies the key technologies of smart antenna, mainly including two aspects. In the first part, performance comparison of two different smart antenna systems is analyzed in uplink; the inherent advantages and disadvantages are evaluated with channel complexity considered. In the second one, a new algorithm of downlink beamforming is presented in this thesis because of some bottlenecks existing in smart antennas when applied in downlink. The algorithm solves the question of frequency difference between uplink and downlink. It is of great value in engineering application and is a good guide to theory study in the future. Keyword：Smart Antenna Adaptive Beamforming Switching-beam
本人签名：
徐 卫
日期
2003.1.8
关于论文使用授权的说明
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§2.1 第三代移动通信系统的发展状况………………………………….……..4 §2.2 智能天线技术…………………………………………………………….12 §2.3 智能天线用途…………………………………………………………….14 §2.4 智能天线研究内容……………………………………………………….15 §2.5 智能天线技术研究动向………………………………………………….18
本人签名： 导师签名.1.8 2003.1.8
摘
要
智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望 用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动 用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线分为两大类：切换波束智能天 线与自适应阵智能天线。智能天线技术已被确定为第三代移动通信系统的关键技 术之一，智能天线技术将会在未来移动通信系统中发挥重要作用。 本论文对智能天线中的一些关键技术进行了探讨，主要包括两个方面。一是针 对上行研究了两种不同智能天线阵列系统的应用性能比较，考虑了信道环境复杂 性的影响，综合评估这两个不同阵列系统的优缺点。另一方面，由于在 FDD 系统 中智能天线应用于下行链路存在一些瓶颈，本文提出一种新的智能天线下行波束 形成方法。解决了上、下行链路的频差问题。因此本文工作具有很强的工程应用 价值,并对今后的理论研究有一定的指导意义和参考价值。 关键词：智能天线 自适应波束形成 切换波束
代
号
10701 TN911.7
学 密
号 级
001012259 公开
分类号
题（中、英文）目
智能天线研究 Study of Smart Antenna
作 者 姓 名 学 科 门 类 提交论文日期
徐 卫 工 学
指导教师姓名、 职务 学科、专业
张林让 副教授
信号与信息处理
二○○三年一月
独创性（或创新性）声明
第三章 跟踪波束阵列系统和切换波束阵列系统应用性能比较……..21
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 引言………………………………………………………………………..21 跟踪波束阵列(TBA)及其基于拉格朗日公式设计 TBA 的自适应过程….21 切换波束阵列(SBA)及其波束选择设计方法…………………..………..24 仿真结果及分析…………………………………………………………..26 结论………………………………………………………………………...29
结束语.……….……….……….……….……….……….………………..47 致 谢.……….…..….……….……….……….……….…………………48 参考文献.……….……….……….……….……….……….……………..49 研究成果.……….……….……….……….……….……………………...51
本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。