移動通信原理第十一章_智能天線技術(shù)

1、北郵信息理論北郵信息理論與技術(shù)教研中心與技術(shù)教研中心 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 第十一章第十一章 智能天線技術(shù)智能天線技術(shù) 主講人主講人: 牛牛 凱凱BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 211.1 智能天線的基本原理智能天線的基本原理 智能天線技術(shù)的主要任務就是研究如何獲取和利用接收信號中包含的空間方向信息，并通過陣列信號處理技術(shù)改善接收信號的質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的性能

2、。 典型的智能天線系統(tǒng)示意圖 接收/下行轉(zhuǎn)換接收/下行轉(zhuǎn)換接收/下行轉(zhuǎn)換A/DA/DA/D解調(diào)產(chǎn)生誤差信號自適應算法天線陣列波束成型網(wǎng)絡控制部分0( )y t1( )y t1( )Myt0w1w1Mw( )r t( )d tBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 3 11.1.1 波達方向(DOA) 波達方向是指無線電波到達天線陣列的方向。 均 勻 直 線 陣 列 示 意 zyxxO1Mw0w1wmw接收機陣元0陣元1陣元m陣元M-1( )z tcossindx yxOBUPT Infor

3、mation Theory & Technology Education & Research Center 4 11.1.2 陣列響應向量陣列響應向量 當滿足天線傳輸窄帶條件(信號帶寬小于信號在天線陣中傳輸時間的倒數(shù))，且陣列采用特性相同的全向陣元時，對同一入射信號，各陣元輸出響應之間將只有相位差異而沒有幅度差異，這一差異可以用陣列響應向量充分描述，陣列響應向量的一般形式為：0011112(sincos )2(sincos )2(sincos )( ),MMTyxyxyxjjjeeeaBUPT Information Theory & Technology Educa

4、tion & Research Center 5 對均勻直線陣列有： 由 可知，均勻線陣存在前后向不可分的缺點，故均勻直線陣經(jīng)常應用于扇區(qū)系統(tǒng)，這可通過使用方向性陣元來實現(xiàn)。 陣列響應向量表明了陣列對入射信號的響應，由于天線陣列具有確定的拓撲形狀，因此在陣列響應向量中包含了入射信號的方向信息。2cos2(1)cos()1,Tdmdjjlineeea( )()linelineaaBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 6 11.1.3 陣列加權(quán)向量 在每個天線陣元后端，有一個加權(quán)系數(shù)

5、，所有的加權(quán)系數(shù)合在一起構(gòu)成的向量即為陣列加權(quán)向量，加權(quán)向量由 表示。陣列加權(quán)向量是與信號到達方向有關(guān)的一個向量，天線陣列各陣元的信號通過加權(quán)，可以調(diào)整天線的接收方向圖，因此可以認為陣列加權(quán)向量是移動臺位置的函數(shù)。自適應天線陣列的核心就是設計、控制和調(diào)整陣列加權(quán)向量?？刂撇糠质侵悄芴炀€系統(tǒng)的核心，其功能是依據(jù)信號環(huán)境、按某種準則和算法選擇或計算陣列加權(quán)向量。 01-1 = ,TMw wwwBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 7 11.1.4 波束成型與空域濾波 假設一個從 入射的信號，

6、則陣列接收信號可以表示為： 陣列加權(quán)向量記為 ，經(jīng)過陣列加權(quán)后的輸出信號可以表示為： 天線陣列的接收方向圖由陣列成型因子確定，陣列成型因子可以表示為： 每確定一個，就可以得到一個陣列成型因子的值。 0( )() ( )ts tya0= 60( )w0( )( )() ( )Hr ts t wa0( )( )()Hf waBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 8 令由 變化，得到的陣列接收方向圖 0 3603021060240902701203001503301800BUPT Inform

7、ation Theory & Technology Education & Research Center 9 只有當陣列加權(quán)向量與陣列響應向量匹配的時候，陣列形成的增益最高，此時陣列響應向量由波達方向 確定。當陣列加權(quán)向量與陣列響應向量相差較大角度的時候，陣列成型因子(信號增益)較低。由此可以得到一個比較直觀的概念，即波束成型(Beam forming)：在陣列方向圖上，對波達方向形成指向性波束，而對其它方向形成較低增益。 陣列成型因子的作用相當于一個濾波器，即只有在特定入射方向的信號被放大，而其它方向入射的信號被衰減掉了。這種與空間方向有關(guān)的選擇性接收作用常稱為空域濾波。

8、波束成型和空域濾波的作用是通過陣列的加權(quán)合并完成的，如前所述，這一部分的處理功能通常在基帶部分由數(shù)字信號處理器完成。因此在有些文獻中這種作用被稱為數(shù)字波束成型(DBF，Digital Beam Forming)。0BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 10 11.1.5 常用的性能度量準則 1、最小均方誤差準則(MMSE) 2、最大信干噪比SINR準則 3、最大似然準則 BUPT Information Theory & Technology Education & Re

9、search Center 1111.2 智能天線技術(shù)在移動通信中的智能天線技術(shù)在移動通信中的應用應用 11.2.1 引入智能天線的必要性 由于移動通信的高度靈活性和方便性，使其發(fā)展非常迅速，目前擴大系統(tǒng)容量已成為移動通信發(fā)展中的一個瓶頸，由于移動通信可使用的頻率資源有限，因此開發(fā)和擴大空間資源與頻率資源的組合以滿足日益增長的用戶需求已成為目前與今后的一個發(fā)展主要方向。 智能天線在第三代和未來的移動通信中將主要用于基站，亦即基站的上行接收與下行發(fā)射中。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Cente

10、r 12 11.2.2 智能天線的上行接收技術(shù) 智能天線的上行接收目前主要有兩類主要方式：基于預波束的波束切換方式，基于全自適應的窄波束跟蹤用戶方式。 由于在移動通信中用戶的隨機移動性和傳播信道的快速時變性，使得目前提出的一系列算法的收斂速度很難跟上快速運動的用戶速度和快速的時變信道速度。因此從工程實現(xiàn)上看準最優(yōu)的預多波束的波束切換方式更有實際應用價值。 為了更有效地對抗時延擴展、進行多徑合并和濾除干擾，有必要進行空時聯(lián)合處理。在DS-CDMA系統(tǒng)中，常見的空時處理結(jié)構(gòu)包括空時二維RAKE接收機，簡稱2D RAKE接收機 。 BUPT Information Theory & Tech

11、nology Education & Research Center 13 基于軟件無線電CDMA基站上行智能天線接收原理 下變頻1寬帶A/D1解擴信道分離1波束成形與信道分配波束成形與信道分配波束成形與信道分配解調(diào)器11用戶11解調(diào)器12解調(diào)器1k用戶12用戶1k下變頻k寬帶A/Dk解擴信道分離k波束成形與信道分配波束成形與信道分配波束成形與信道分配解調(diào)器p1解調(diào)器p2解調(diào)器pk用戶p1用戶p2用戶pk陣元1陣元k碼分信道1碼分信道p碼分信道1碼分信道p軟件實現(xiàn)部分BUPT Information Theory & Technology Education & Res

12、earch Center 14 11.2.3 智能天線的下行發(fā)射技術(shù) 在下行的實現(xiàn)方案中，一種可行的方式是利用反饋回路構(gòu)成閉合環(huán)路，即移動臺利用反饋回路將下行信道狀態(tài)信息不斷反饋給基站，以提供下行信道狀態(tài)，這一方案可行但實現(xiàn)復雜，增大系統(tǒng)開銷。 實現(xiàn)下行發(fā)送的另一種方案是直接利用上行信道信息估計下行信道狀態(tài)，這一方案僅適合于時間雙向、雙工的TDD方式，因為對于TDD方式而言其上/下行占用同一頻段，不同的僅是時隙不一樣，只要上/下行時隙幀的長度較短(一般小于10ms)，這樣方案顯然是可行的。 BUPT Information Theory & Technology Education &

13、amp; Research Center 1511.3 波束切換方式的智能天線波束切換方式的智能天線 在波束切換天線中，陣列加權(quán)向量是預先設計好的，因此天線的工作模式(方向圖)有限，只能在幾種波束覆蓋模式中選擇，隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應波束，使接收信號最強。波束切換智能天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。 三種基于權(quán)值設計的預波束成型方法： 1、Butler矩陣法 2、單用戶角度匹配法 3、多用戶角度匹配法BUPT Information Theory & Technology Education &

14、Research Center 16 以平均輸出信干比增益為指標比較上述三種波束成型方法。當干擾用戶數(shù)很少時，單用戶角度匹配法有最好性能，干擾用戶數(shù)目較多時，多用戶角度匹配法性能更好。 波束切換天線根據(jù)各波束對目標用戶的輸出信號強度或質(zhì)量選擇工作波束，選擇或切換的速度與周期決定了天線系統(tǒng)對用戶移動性或環(huán)境變化的跟蹤能力，相對與運算復雜的自適應天線，跟蹤速度一般不成問題。 與全自適應天線相比，波束切換天線對環(huán)境的快速變化、信道衰落的魯棒性更強。但波束切換天線只能在波束空間實現(xiàn)對實際信號傳播環(huán)境的有限匹配，故無法有效對抗時延擴展和濾除干擾，也無法充分利用空間角度分集，在非相干干擾源數(shù)目較少或時延、

15、角度擴展較明顯的應用環(huán)境中，與全自適應天線相比會有明顯的性能損失。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 1711.4 自適應方式的智能天線自適應方式的智能天線 11.4.1 基于DOA估計的自適應算法 一旦獲知入射信號的DOA信息，就可以直接設計陣列加權(quán)向量。最早提出的算法只進行主瓣控制，即僅保證對目標用戶有最大增益，其合并權(quán)值為： 迫零(Zero forcing)算法 ： 當系統(tǒng)能同時估計目標用戶和各干擾用戶的陣列響應向量時，更優(yōu)的波束成型方法應對目標用戶進行放大和對干擾用戶進行抑制

16、，即合并權(quán)值應盡可能滿足： ，對應的最小二乘解為： 基于目標用戶來向約束的MVDR法 ： 在滿足 的條件下求 使 最小，其解為： ， 等效于： 0aw TH1eAw11AeAAwH10awHwHNw R w01001aRaaRwNHN01001aRaaRwHBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 18 DOA估計方法缺點：需要知道較準確的陣列響應向量，而它依賴于陣列拓撲、陣元位置和入射信號頻率，與各陣元相連的前級處理設備的非線性和非對稱性也會對它產(chǎn)生影響，所以為了保證最終估計精度，需周期性

17、地進行陣列校正。對于DS-CDMA系統(tǒng)，更重要的一點是DOA估計算法有分辨率限制。 三類自適應算法： 1. 基于導頻的算法利用系統(tǒng)的導頻符號來計算和更新加權(quán)向量； 2. 盲算法無需導頻符號，只要按照一定準則，保證代價函數(shù)取得極小值； 3. 半盲算法在初始化加權(quán)向量時利用導頻符號，然后用自適應算法跟蹤用戶和信道變化，在有導頻符號可以利用時，借助導頻符號防止算法發(fā)散，并加快算法的收斂速度。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 19 11.4.2 基于導頻符號的自適應算法 對于移動通信系統(tǒng)，

18、當存在導頻符號時，可以充分利用導頻符號來簡化自適應算法的設計，確保自適應算法的穩(wěn)定性，加快收斂速度。 自適應算法的設計目標是：使天線陣列的輸出與期望響應按照某種準則最優(yōu)，期望響應可以借助導頻信道上發(fā)送的已知符號或時分復用在業(yè)務信道上的導頻序列獲得。BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 20 最常用的優(yōu)化準則是最小均方誤差(MMSE)準則 ，其代價函數(shù)為： ，其最優(yōu)解，即 Wiener解為： 。 在工程應用中，集平均統(tǒng)計量和難以獲得，往往用時間平均值進行近似(一般假設接收信號滿足廣義平穩(wěn)和

19、各態(tài)遍歷特性)，這就是直接矩陣求逆(DMI)法。 2)()()(tdtEJHxwwpRw1BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 21 MMSE準則也可以由最陡梯度下降算法(steepest gradient descent)來自適應實現(xiàn)。陣列加權(quán)向量用下式進行迭代運算： 由梯度下降法導出的最小均方(LMS)算法是應用最為廣泛的自適應算法之一。用瞬時梯度代替最陡梯度下降法中的統(tǒng)計梯度，其代價函數(shù)為： 權(quán)值更新式為： 其收斂條件和最陡梯度下降算法相同。 ( )1( )( )2u Jnnnun

20、wwwwRwpw2( )(1)(1)HJx nd nww ) 1()1() 1()()()(21*nndnnunJunnHxxwwwwwwBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 22 LMS中步長 對算法性能有很大影響。通過增加約束條件，可以改善算法性能。由此得到的算法為歸一化LMS算法(normalized LMS)。其代價函數(shù)為： 可得： 在上式中加入步長控制后可得 u)()() 1()() 1()(2ndnnnnJHxwwww) 1()1() 1()()(1)(1*2nndnnnnn

21、Hxxwxww) 1()1() 1()()()(1*2nndnnnunnHxxwxwwBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 23 對于陣列信號處理，若可以預先估計到信號的方向或陣列響應向量，還可以增加方向約束條件，由此可以得到約束LMS算法。對LMS算法加入約束，其中為目標用戶的指向向量。權(quán)值更新可用下式實現(xiàn)： 最小二乘(LS)準則是另一種常用的準則，與MMSE準則的代價函數(shù)相比，它只是去掉了統(tǒng)計平均，而以采樣點平均來代替。LS準則的代價函數(shù)為： 其權(quán)值計算式為： 200)(21aaww

22、wPwJunn221()( )( )NHHTiJid iww xw Xd*1)(XdXXwHBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 24 為了體現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)前后順序?qū)π盘柟烙嫷挠绊懀贚S準則基礎上對接收采樣點用遺忘因子 加權(quán)平均后進行處理，就可以得到遞歸最小二乘(RLS)算法，其代價函數(shù)為： ，由 得：niHinidiJ12)()()(xww()0Jww1*111( )( )( )( )( )( ) ( )nnn iHn iiiniii d inn wxxxRpBUPT Informati

23、on Theory & Technology Education & Research Center 25 運用矩陣求逆引理，可得如下遞歸算法： ) 1()() 1(1) 1()() 1(11nnnnnnHxRxxRk11) 1()() 1() 1(nnndnHxw) 1() 1()() 1(*nnnnkww)() 1() 1()() 1(11111nnnnnHRxkRRBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 26 11.4.3 盲自適應算法 盲自適應算法一般利用調(diào)制信號本

24、身固有的、與具體承載的信息比特無關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集和高階統(tǒng)計量等。與基于導頻符號的自適應算法相比它無需發(fā)送已知符號，故可節(jié)省系統(tǒng)頻譜資源。但是盲算法一般收斂速度較慢，穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能都不是很高。常用的盲算法有恒模類算法和子空間算法。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 2711.5 智能天線技術(shù)的發(fā)展智能天線技術(shù)的發(fā)展 11.5.1 軟件天線 軟 件 天 線 原 理 平坦衰落共道干擾頻率選擇性衰落寬帶空時傳感器環(huán)境識別差錯類型C/NC/IISI123算法選擇波束空

25、間波束空間自適應天線MRCCMA+均衡邏輯配置多波束MRCCMALMSMMSEBUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 28 首先，根據(jù)用戶所處環(huán)境的不同，確定影響系統(tǒng)的主要因素，如白噪聲、共道干擾還是碼間干擾等，從而選擇不同環(huán)境下的算法，比如以白噪聲為主時則可選擇采用多波束最大比合并(MRC)算法，以共道干擾為主時則可采用多波束恒模(CMA)算法等。然后利用FPGA器件等實現(xiàn)對天線的實時配置，完成智能天線的處理功能。 BUPT Information Theory & Techno

26、logy Education & Research Center 29 11.5.2 空時多用戶接收機 空時多用戶接收機是目前DS-CDMA系統(tǒng)中空時二維信號處理研究的熱點問題。在自適應陣列天線技術(shù)與多用戶檢測技術(shù)各自發(fā)展的同時，越來越多的研究者關(guān)注著如何將二者結(jié)合在一起，借助天線陣列的空間處理能力和空域濾波的抑制干擾和噪聲的長處，有可能只采用較簡單的多用戶檢測算法就可以獲得較好的接收機性能。按照結(jié)構(gòu)的不同，大體上可以分為三類： 1、級聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 2、聯(lián)合檢測形式 3、預多波束形式。 BUPT Information Theory & Technology Education

27、& Research Center 3011.6 本章小結(jié)本章小結(jié) 智能天線的概念來源于雷達與聲納系統(tǒng)中所采用的陣列式天線。 陣列式天線根據(jù)波束形成方式的不同又可分為：模擬式波束成型，早期一般采用中頻、射頻直接成型，實現(xiàn)技術(shù)難度大，精度低；數(shù)字式波束成形，一般在中頻以下采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)，實現(xiàn)方便、精度高，移動通信中采用的智能天線大多屬于這一類。 在智能天線的數(shù)字式波束成型中，為了實現(xiàn)基帶調(diào)整與中頻、射頻調(diào)整的等效性，要求中頻、射頻系統(tǒng)有較高的線性度，以基本滿足線性互易原理，否則還要作進一步相應調(diào)整與校正等補救措施。BUPT Information Theory &

28、 Technology Education & Research Center 31天線分集處理自1959年Brennan首次提出以來11.2，到目前已經(jīng)歷了40余年發(fā)展歷程，在這40余年中，大致可分為四個階段：第一個十年主要集中在自適應波束控制上，比如自適應相控陣天線、自適應波束操縱天線等；第二個十年主要集中研究自適應零陷控制技術(shù)，比如自適應濾波、自適應調(diào)零、自適應旁瓣對消、自適應雜波控制等；第三個十年則主要集中探討空間譜估計，比如最大似然譜估計、最大熵譜估計以及特征空間正交譜估計等；最近十多年，學術(shù)界則將主要精力集中到如何將智能天線技術(shù)推廣、移植至移動通信系統(tǒng)中。前三個十年，IEE

29、E Transactions on Antennas and Propagation分別于1964年、1976年、1986、1987年出版了四個專輯特刊11.1811.21，分別概述了三個階段的發(fā)展，最近十年，Godara于1997年對智能天線在移動通信中應用進行了較全面的綜述與總結(jié)11.711.8。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 32 本章我們介紹了自適應陣列處理的基本原理及在移動通信中的應用。側(cè)重于討論各種自適應陣列處理算法結(jié)構(gòu)和2D RAKE接收機的工作原理，并針對工程實用

30、需求，介紹了預多波束接收機的結(jié)構(gòu)。最后簡單總結(jié)了近年來，在空時多用戶處理方面的研究進展。關(guān)于所涉及到的自適應濾波理論的深入探討，請讀者參閱經(jīng)典著作11.9。如果需要深入了解移動通信中的智能天線技術(shù)的應用，請參閱著作11.11。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 33參考文獻參考文獻11.1 B.Agee, “Blind separation and capture of communications signals using a multi-target constant modu

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34、, Vol. 85, No. 7, pp.1031-1060, July 1997.11.8 L. C. Godara, “Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II: Beam-Forming and Direction-of-Arrival Considerations,” Proccedings of IEEE, Vol. 85, No. 8, pp.1195-1245, Aug. 1997. BUPT Information Theory & Technology Education &

35、 Research Center 3411.9 S. Haykin, Adaptive Filter Theory, Prentice Hall, 1996.11.10 H. Liu, G. Xu, L. Tong and T. Kailath, “Recent developments in blind channel equalization: from cyclostationarity to subspaces,” IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 50, pp. 83-99, 1996.11.11 J. C. Liberti and T.

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37、 H. Alavi, “Adaptive sector size control in a CDMA system using Butler matrix,” Vehicular Technology Conference, Vol. 2, pp. 1355-1359, 1999.11.14 J. T. Mayhan and L. Niro, “Spatial spectral estimation using multiple beam antennas,” IEEE Trans. On Antennas Propagation, Vol.35, pp. 897-906, 1987.11.15