現(xiàn)代移動通信論文

1、西北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)代移動通信課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 智能天線線陣 姓 名： 張記強(qiáng) 學(xué) 號： 201271060137 專業(yè)班級： 2012級物聯(lián)網(wǎng)工程 系所中心： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 指導(dǎo)老師： 賈 向 東 起訖時(shí)間： 2014年12月1日-12月20日 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 教9-C501實(shí)驗(yàn)室 2014年12月20日摘要隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展,與日俱增的移動用戶數(shù)量和日趨豐富的移動增值服務(wù),使無線通信的業(yè)務(wù)量迅速增加,無線電波有限的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了通信業(yè)務(wù)需求的增長。另一方面,由于移動通信系統(tǒng)中的同頻干擾和多址干擾的影響嚴(yán)重,更影響了無線電波帶寬的利用率。并且無線環(huán)境的多變性和復(fù)

2、雜性,使信號在無線傳輸過程中產(chǎn)生多徑衰落和損耗。這些因素嚴(yán)重地限制了移動通信系統(tǒng)的容量和性能。因此為了適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展,迫切需要新技術(shù)的出現(xiàn)來解決這些問題。這樣智能天線技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。智能天線技術(shù)為解決頻率資源不足、提高移動通信系統(tǒng)容量和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量提供了一個(gè)有效的解決途徑。1998年我國電信科學(xué)研究院向國際電聯(lián)提交的TD-SCDMA RTT建議并于2000年確定為國際第三代移動通信主流標(biāo)準(zhǔn)之一,第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信實(shí)施方案。在TD-SCDMA中,智能天線作為關(guān)鍵技術(shù),可以大大提高系統(tǒng)性能。由于智能天線本身的優(yōu)越性,因此早在1990年就有智能天線在蜂窩移動通信中的應(yīng)用

3、研究,隨著G3移動通信技術(shù)的成熟,目前,智能天線的商用化進(jìn)程也加快。論文的研究工作是在MATLAB軟件平臺上實(shí)現(xiàn)的。首先介紹了智能天線技術(shù)的背景；其次介紹了智能天線的原理和相關(guān)概念,并分析了智能天線中的自適應(yīng)算法。而論文主要研究了平面陣列的性能，并通過MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)了智能天線圓陣排列。關(guān)鍵詞：移動通信；智能天線；MATLAB；圓陣目錄第1章 緒論1.1移動通信發(fā)展簡介1.1.1通信從有線通信到無線通信的演進(jìn)1.1.2無線接入方式的演變1.1.3從大區(qū)模擬通信到蜂窩數(shù)字通信1.2第三代移動通信1.3智能天線技術(shù)的由來1.3.1智能天線簡介1.3.2傳統(tǒng)解決方法的瓶頸1.3.3智能天線實(shí)現(xiàn)的

4、實(shí)際考慮第2章 智能天線簡介2.1智能天線原理2.2智能天線的基本結(jié)構(gòu)2.3智能天線的應(yīng)用技術(shù)2.4智能天線的分類2.4.1自適應(yīng)方向圖智能天線2.4.2多波束切換天線2.5智能天線中的自適應(yīng)算法2.6智能天線國內(nèi)外應(yīng)用及研究現(xiàn)狀第3章 基于MATLAB的智能天線線陣排列仿真3.1智能天線平面陣列仿真第4章 總結(jié)第1章 緒論1.1移動通信發(fā)展簡介1.1.1通信從有線通信到無線通信的演進(jìn)從通信技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在,通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和用戶也越來越壯大。通信業(yè)務(wù)也從僅僅是語音通信發(fā)展到了數(shù)據(jù)、視頻通信。然而,要使用戶最終享受通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)帶來的便利和快捷,就必須讓用戶和通信網(wǎng)絡(luò)方便連接。最先用戶接入通信網(wǎng)

5、絡(luò)的方法是通過銅線等金屬線來實(shí)現(xiàn)。但是,由于銅資源的稀少,成本高,而且同時(shí)所能提供的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了廣大用戶的寬帶應(yīng)用要求。后來發(fā)展到用同軸電纜對用戶進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)接入。人們對通信的要求也越來越高,為了滿足這這些要求,采用光纖作為用戶的接入媒介,可以提供很寬的帶寬,有很大的優(yōu)越性,但其費(fèi)用對于個(gè)人和商業(yè)用戶來說非常昂貴,一般只用于主干傳輸線路。最重要的是由于通信線路的布局不能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地方便地接入。因此,無線通信方式逐漸發(fā)展,并可以提供移動靈活性和寬帶接入要求,很快成為傳統(tǒng)有線接入方式的替代品。1934年,人們就開始利用微波無線電系統(tǒng)傳送電話橫越英吉利海峽。1947年,美國貝爾研究所在紐約與

6、波士頓之間建立了寬帶模擬微波中繼系統(tǒng)。70年代以后,數(shù)字微波通信系統(tǒng)開始投入使用。漸漸地,無線通信技術(shù)應(yīng)用于個(gè)人通信領(lǐng)域并且產(chǎn)生了移動通信。1.1.2無線接入方式的演變模擬蜂窩系統(tǒng)的技術(shù)是采用頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋，它在每個(gè)小區(qū)采用頻分多址技術(shù)FDMA(FrequeneynivisionMultipleAecess),即對于在同一基站覆蓋的范圍內(nèi)同時(shí)工作的多個(gè)移動臺,基站是以工作頻率來區(qū)分的,每一個(gè)移動臺都使用不同的頻率與基站通信。然而,電磁波的頻率資源是有限的,隨著移動用戶與日俱增,最終將導(dǎo)致移動通信系統(tǒng)的容量不能滿足現(xiàn)實(shí)發(fā)展的需要。為了擴(kuò)大移動通信系統(tǒng)的容量,必須開拓新的接入方法。隨

7、著計(jì)算機(jī)技術(shù)大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,移動通信技術(shù)也采用了數(shù)字技術(shù)。從此移動通信中出現(xiàn)了新的無線接入技術(shù)時(shí)分多址技術(shù)TDMA(五meoivisionMultipleAeeess)。將特定長度的時(shí)間段劃分為多個(gè)時(shí)隙,每個(gè)移動臺對應(yīng)特定的時(shí)隙進(jìn)行接收或發(fā)送信息,這樣,在同一個(gè)頻率點(diǎn)上,基站就可以根據(jù)不同時(shí)隙來區(qū)分同時(shí)工作的多個(gè)移動臺。將FDMA和TDMA技術(shù)結(jié)合起來,就可以大大提高通信系統(tǒng)的通信容量。雖然TDMA技術(shù)的出現(xiàn)提高了通信系統(tǒng)的容量,但其容量上限受到硬件處理速度的限制。隨著擴(kuò)頻通信技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,誕生了新的無線接入技術(shù)碼分多址CDMA(CodenivisionMultip

8、leAeeess),多個(gè)移動臺在同一個(gè)小區(qū)Cell中工作的時(shí)候,每一個(gè)移動臺擁有唯一區(qū)別其他移動臺的正交偽隨機(jī)碼,基站是通過碼型區(qū)分移動臺的,這樣,在某一個(gè)特定頻率點(diǎn)、某一個(gè)特定時(shí)隙點(diǎn),可以有多個(gè)移動臺同時(shí)有效工作于一個(gè)小區(qū)內(nèi)。由于可以找到的準(zhǔn)正交碼的數(shù)目巨大,大大提高系統(tǒng)的容量。信系統(tǒng)的容量將更大。若將FDMA、TDMA、CDMA技術(shù)結(jié)合在一起,則可以移動通但在實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中,所用的碼型是相互準(zhǔn)正交,故存在非完全正交帶來的多址干擾。1.1.3從大區(qū)模擬通信到蜂窩數(shù)字通信通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的一個(gè)過程。模擬通信系統(tǒng)就是所有傳輸和處理的信號及其信號處理手段都是模擬的。70年代,

9、美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了先進(jìn)移動電話系統(tǒng)AMPS并于1979年在芝加哥試運(yùn)行,這是世界上第一個(gè)蜂窩模擬移動通信系統(tǒng)。進(jìn)入閱年代,模擬蜂窩移動通信技術(shù)走向成熟并在全世界得到廣泛應(yīng)用。到90年代初,模擬蜂窩移動通信網(wǎng)占了全世界移動通信網(wǎng)的大多數(shù),并使移動電話業(yè)務(wù)得到快速普及。模擬移動通信被稱為第一代移動通信。早期的模擬移動通信系統(tǒng)是在大的覆蓋區(qū)域中心設(shè)置大功率發(fā)射機(jī),采用高架天線把信號發(fā)送到整個(gè)覆蓋地區(qū)(半徑可達(dá)幾十公里)；為該覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶提供無線接入服務(wù)。這種系統(tǒng)的不足是它同時(shí)提供給用戶使用的信道數(shù)有限,滿足不了移動通信業(yè)務(wù)迅速增長的需求。例如,在70年代于美國紐約開通的IMTS(Im講ov

10、edMobile介lephonesevriee)系統(tǒng),僅能同時(shí)提供12對信道供使用，如果出現(xiàn)第13對用戶要求通話,只能出現(xiàn)忙音。隨著以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,使人們拋開模擬技術(shù)而采取了數(shù)字技術(shù)。數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用,提高了信號的傳輸質(zhì)量；擴(kuò)大了通信系統(tǒng)的容量；同時(shí)采用數(shù)字加密技術(shù),提高了傳輸信號的保密性。同時(shí)為了解決提高通信系統(tǒng)的容量這個(gè)問題,出現(xiàn)了蜂窩網(wǎng)覆蓋的概念。蜂窩網(wǎng)是把原來的大覆蓋區(qū)域劃分成若干個(gè)較小的區(qū)域Cell(在蜂窩系統(tǒng)中稱為小區(qū)),各小區(qū)均用小功率的基站發(fā)射機(jī)進(jìn)行覆蓋,并為該小區(qū)內(nèi)的移動用戶提供無線接入服務(wù)。這樣,在保證通信質(zhì)量的情況下,一個(gè)任意形

11、狀的大區(qū)域都可以用若干個(gè)Cell進(jìn)行覆蓋,使大區(qū)域里可以同時(shí)容納的用戶數(shù)大大提高。以至今還在使用的GSM和SI一95為代表的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)稱為第二代移動通信系統(tǒng)。為了通過移動通信能夠提供無線工internet業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù),提高移動通信中數(shù)據(jù)的傳輸率,使之滿足人們?nèi)找鎸挼男枨?因而的第三代移動通信己提上議事日程。它應(yīng)能支持從話音到分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要提供帶寬。TIU規(guī)定的第三代移動通信無線傳輸技術(shù)的最低要求中,必須滿足以下三種,即()l快速移動環(huán)境,最高速率達(dá)144kbit/s；(2)室外到室內(nèi)或步行環(huán)境,最高速率達(dá)到384kbit/s；(3)室內(nèi)環(huán)境,最高速率達(dá)到ZMb

12、it/S這樣的速率已經(jīng)能滿足我們對無線工internet業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)要求了。目前,ITU將WCDMA、CDMA2000和TD一SCDMA確定為目前3G的三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)。1.2第三代移動通信第三代移動通信是近20年來現(xiàn)代移動通信技術(shù)和實(shí)踐的總結(jié)和發(fā)展。國際電聯(lián)TU-R在20年前(1985年),就開始研究第三代移動通信的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是統(tǒng)一全球移動通信標(biāo)準(zhǔn)和頻段,實(shí)現(xiàn)全球漫游,提高移動通信的頻譜利用率及數(shù)據(jù)傳輸速率,滿足多媒體業(yè)務(wù)的需求。1997年,確定了基本要求和征求無線傳輸技術(shù)(RTT)建議。至此,第三代移動通信進(jìn)入了制定和完成國際標(biāo)準(zhǔn)的快車道,成為全球通信業(yè)技術(shù)和市場競爭的一個(gè)

13、焦點(diǎn)。在信息產(chǎn)業(yè)部的大力支持下,大唐電信集團(tuán)代表中國起草的第三代移動通信世界標(biāo)準(zhǔn)草案TD-SCDMA提交到ITU。這是中國自有電信史100多年以來,首次向IUT提交完整的全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。ITU本次共征集到分別來自美、歐、中、日、韓等國家和地區(qū)的16種3GRTT(第三代移動通信無線傳輸技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)提案,其中6種是衛(wèi)星移動的RTT標(biāo)準(zhǔn)提案,其余10種為地面移動的G3RTT標(biāo)準(zhǔn)提案。中國的TD一SCDMA是10種地面移動的3GRTT標(biāo)準(zhǔn)提案中的一員。在提案評審和篩選的過程中,國際電聯(lián)根據(jù)對G3標(biāo)準(zhǔn)的要求,對10個(gè)地面移動的G3標(biāo)準(zhǔn)提案進(jìn)行了長達(dá)兩年的評估、仿真、融合、關(guān)鍵參數(shù)的確定工作,最終在2000年5

14、月5日土耳其工TU-R全會上,通過了包括中國提案在內(nèi)的幾個(gè)無線傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)范,它們分別是:CDMA2OO0(美國提出),WCDMA(歐、日提出),TD-SCDMA(大唐起草,中國提出)；其中,CDMAZ000與WCDMA是頻分雙工(FDD)模式,TD一SCDMA屬于時(shí)分雙工(TDD)模式,ITU-R分別為G3的這兩種模式劃分了獨(dú)立的頻段,自此DCMAZ000,WDCMA和TD一SCDMA成為目前G3的三大主流標(biāo)準(zhǔn)。目前,第三代移動通信系統(tǒng)的框架己確定,將以衛(wèi)星移動通信網(wǎng)與地面移動通信網(wǎng)結(jié)合,形成一個(gè)對全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò),滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)不同密度用戶的通信需求,支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)

15、務(wù),實(shí)現(xiàn)人類個(gè)人通信的理想。ITU對第三代陸地移動通清系玩劍基不要求是:在室內(nèi)、手持機(jī)及移動三種環(huán)境下,支持話音和各種多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(速率達(dá)ZMb/S),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高頻譜利用率、低成本的無線傳輸技術(shù)以及全球兼容的核心網(wǎng)絡(luò)。第三代移動通信網(wǎng)由核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和用戶終端構(gòu)成。鑒于歷史和現(xiàn)狀,核心網(wǎng)主要是以第二代移動通信的兩種網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),從而形成了兩套網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。1.3智能天線技術(shù)的由來1.3.1通信系統(tǒng)發(fā)展遇到的問題由于移動通信技術(shù)的發(fā)展,集成電路的規(guī)模和性能迅猛增加,計(jì)算機(jī)技術(shù)大發(fā)展,多媒體信息處理技術(shù)逐漸成熟。信息交流呈爆炸性增長和全球化趨勢,多媒體信息流逐漸超過話音流。信息的無線傳輸是需要

16、功率和帶寬的,高速率的信息傳輸需要大的發(fā)射功率和足夠的帶寬。但在客觀的應(yīng)用環(huán)境中,遇到了諸多問題。第1、 無線傳輸環(huán)境非常復(fù)雜,損耗、衰落、干擾使得無線傳輸?shù)男屎艿?為了保證好的信號傳輸質(zhì)量,必須提高發(fā)射功率。第二、在建網(wǎng)初期,網(wǎng)絡(luò)要求達(dá)到覆蓋要求,但用戶少,資金回收少,為了減少基站數(shù)目,節(jié)省開支,同時(shí)擴(kuò)大覆蓋距離,也必須提高發(fā)射功率。第三、對于傳統(tǒng)的天線是全向性的,而真正能被期望用戶有效利用的信號功率只是到達(dá)用戶方向的一小部分；在其它方向輻射的功率是沒有利用的,變成了浪費(fèi)。同時(shí)這些在非期望用戶方向上發(fā)射的電磁信號對其它用戶和其它基站將帶來干擾,這和第一個(gè)問題是矛盾的。第四、頻率資源有限,直

17、接從頻率資源上能獲得的系統(tǒng)容量有限,難以滿足實(shí)際的需要。同時(shí)干擾也是一個(gè)限制系統(tǒng)容量的重要因素。1.3.2傳統(tǒng)解決方法的瓶頸為了解決以上出現(xiàn)的問題。首先,可以提高射頻信號的發(fā)射功率來保證無線信號傳輸?shù)馁|(zhì)量；在建網(wǎng)初期擁有較少用戶的情況下,為了實(shí)現(xiàn)覆蓋要求,也必須投入相應(yīng)數(shù)目的基站,即使投入的資金遠(yuǎn)大于用戶帶來的收入。其次,要減少全向天線輻射帶來的干擾,就必須使發(fā)射功率減小。另外,要提高系統(tǒng)的容量,提高頻率資源的利用率,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的方法是使用劃分小區(qū),采用頻率復(fù)用,但小區(qū)數(shù)的增加,頻率復(fù)用度增加的同時(shí),必須減小基站的發(fā)射功率,以減小同頻干擾；這樣也導(dǎo)致越區(qū)切換的量增加,系統(tǒng)的負(fù)荷加重?？梢?對整個(gè)

18、網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)性能的總體優(yōu)化來說,面臨很多的問題,且諸多方面是矛盾的。1.3.3有效的解決方法和智能天線技術(shù)的出現(xiàn)為了解決這種發(fā)展瓶頸,就要提高發(fā)射功率的利用率,使功率發(fā)射具有指向性,將發(fā)射信號功率集中使用在期望方向,提高期望用戶信號質(zhì)量的同時(shí),減少了對非期望用戶的干擾,可以在很大程度上提高系統(tǒng)的容量。由于將功率集中指向,用相同的功率可以獲得更高的增益。一方面可以提高信號傳輸質(zhì)量；在相同的小區(qū),可以使用相對于傳統(tǒng)天線小的功率實(shí)現(xiàn)覆蓋要求；另一方面,如果在基站和移動臺同時(shí)使用智能天線,可以在建網(wǎng)初期使用較少數(shù)目基站而實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋。指向性功率發(fā)射還可以用于采用頻率復(fù)用的小區(qū),增加頻率復(fù)用率的同時(shí)

19、,減小干擾,從而大大提高系統(tǒng)的容量。基于此,出現(xiàn)了利用波束空間指向來劃分信道的概念。方向性的發(fā)射和接收射頻信號,有助于提高系統(tǒng)容量、系統(tǒng)覆蓋距離和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。所以,可以把空間劃分作為一種接入方式,引入了新的無線接入方式,空分多址SDMA(SpaeeDivisionMultipleAeeess),成為FnMA、ToMA、cDMA的補(bǔ)充。由此發(fā)展起來的空域?yàn)V波./l可以將在頻譜上和時(shí)間上交疊的多個(gè)信號區(qū)分開來,而智能天線就是實(shí)現(xiàn)空間濾波的一種有效方式；智能天線系統(tǒng)可以適時(shí)更新時(shí)域、頻域和空域響應(yīng)。所以智能天線成為了當(dāng)今移動通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。在1998年電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國電信主管部門向

20、國際電聯(lián)提交的DT一CSMDATRT建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMATDD技術(shù)(低碼片速率選項(xiàng))中,智能天線是其核心技術(shù)之一。第二章 智能天線簡介2.1智能天線原理移動通信系統(tǒng)中采用的智能天線技術(shù)在工作時(shí)引入了空分多址的概念，利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶。系統(tǒng)通過調(diào)整天線陣列中各個(gè)天線單元上的可編程器件，來改變各個(gè)天線單元的權(quán)值，從而將天線用于接收信號的波束導(dǎo)向具體某一方向，產(chǎn)生定向的空間波束，產(chǎn)生的天線波束的主波束對準(zhǔn)期望信號方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號，有效地接收了期望信號，并消除了干擾；智能天線系統(tǒng)還利用各個(gè)移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)，在同一信道

21、上實(shí)現(xiàn)了接收和發(fā)送多個(gè)移動用戶信號，而互不干擾的效果，使不同的移動用戶可以使用同一段頻譜資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享。2.2智能天線的基本結(jié)構(gòu)智能天線系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)形成了模塊化設(shè)計(jì)，大體分為天線陣列，模/數(shù)或者數(shù)/模轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)處理，波束成型網(wǎng)絡(luò)等四大部分其中天線陣列用于在接收或發(fā)送模擬信號時(shí)形成期望的波束，主要分為線陣，面陣，圓陣，三角陣，不規(guī)則陣和隨機(jī)陣等；模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分在接收信號時(shí)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在發(fā)送信號時(shí)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；自適應(yīng)處理部分根據(jù)自適應(yīng)算法和波達(dá)角估計(jì)算法來產(chǎn)生期望的權(quán)值；波束成型網(wǎng)絡(luò)部分通過得出的權(quán)值對各個(gè)天線陣元進(jìn)行動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)處理，并利用天線陳列

22、產(chǎn)生期望的自適應(yīng)波束。智能天線結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。下面的討論基于等間距線天線陣,如圖2所示。圖2 等間距線天線陣首先建立智能天線的信號模型。設(shè)等間距線天線陣的陣元個(gè)數(shù)為L,陣元間距d,以第1個(gè)陣元作為參考陣元,信號s(t)的入射方向與天線陣法線方向的夾角為。s(t)到達(dá)第i個(gè)陣元與到達(dá)參考陣元的時(shí)間差為 -（1）其中c為光速。信號s(t)在參考陣元上的感應(yīng)信號通?？捎脧?fù)數(shù)形式表示為-(2)信號s(t)在第i個(gè)陣元上的感應(yīng)信號可表示為-(3)這里為載波波長。把信號s(t)在天線陣上感應(yīng)的信號用向量表示為-(4)其中-(5)稱為引導(dǎo)向量?？紤]噪聲,x(t)可表示為-(6)其中-(7)窄帶傳輸條件下

23、采用窄帶波束形成器,如圖3。圖3 窄帶波束形成器結(jié)構(gòu)記-(8)陣列輸出信號y(t)可表示為 -(9)根據(jù)不同的準(zhǔn)則選取加權(quán)向量w,可使某個(gè)方向上的信號得到最佳合并,而其他方向上的干擾和信號則被抑制。將窄帶波束形成器同時(shí)域FIR濾波器進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn),兩者結(jié)構(gòu)類似,而且兩者的參數(shù)還存在一定的對應(yīng)關(guān)系,時(shí)域FIR濾波器在時(shí)域?qū)π盘栠M(jìn)行處理,而窄帶波束形成器在空域?qū)π盘栠M(jìn)行處理,所以窄帶波束形成器通常又可稱為空域?yàn)V波器。當(dāng)不滿足窄帶傳輸條件時(shí),信號帶寬比較大,信號通過天線陣時(shí),不僅存在著相位差,振幅也發(fā)生變化。對這樣的寬帶信號,應(yīng)該選擇寬帶信號處理方案,寬帶波束形成器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖4 寬帶

24、波束形成器結(jié)構(gòu)和窄帶波束形成器不同,寬帶波束形成器中每個(gè)陣元接收到的信號都要用一個(gè)FIR濾波器進(jìn)行處理,由于信號中不同的頻率分量通過天線陣產(chǎn)生的相移不同,采用這樣的結(jié)構(gòu)能對相移差進(jìn)行補(bǔ)償,因而這種處理器具有頻率選擇性。由此可見,寬帶波束形成器同時(shí)在空域和時(shí)域?qū)邮盏降男盘栠M(jìn)行處理,這種處理方式稱為空時(shí)陣列處理。2.3智能天線的應(yīng)用技術(shù)按照技術(shù)方向劃分，智能天線的技術(shù)主要可以分為智能天線的接收部分技術(shù)，發(fā)送部分技術(shù)，以及動態(tài)信道分配技術(shù)等三方面技術(shù)。其中智能天線的接收技術(shù)應(yīng)用于移動通信中接收上行鏈路傳輸?shù)囊苿佑脩粜盘柕倪^程，通過采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)抵抗在同一信道接收的不同用戶間的多址干擾和碼間

25、串?dāng)_，分離出各個(gè)移動用戶，接收的同時(shí)，為了給系統(tǒng)發(fā)送信息提供相關(guān)參數(shù)，還需要估計(jì)出反映用戶空間位置信息的參量；發(fā)送部分技術(shù)，是系統(tǒng)利用下行鏈路發(fā)送移動用戶信號的過程中使用的技術(shù)，主要是通過動態(tài)控制發(fā)射信號功率實(shí)現(xiàn)的，保證每個(gè)用戶只接收系統(tǒng)發(fā)給它的下行信號，不受同一信道中系統(tǒng)發(fā)送的其他用戶信號的干擾，減少其他移動用戶對該用戶的干擾；動態(tài)信道分配技術(shù)則是通過空分信道與時(shí)分信道、頻分信道、碼分信道以及切換技術(shù)相結(jié)合方式，保障通信質(zhì)量，有效利用信道資源。2.4智能天線的分類在很多文獻(xiàn)中,智能天線有三種分類方法。下面介紹其中的一種分類定義。2.4.1自適應(yīng)方向圖智能天線自適應(yīng)天線陣列對到達(dá)各個(gè)天線陣元的

26、信號分別進(jìn)行加權(quán),然后用自適應(yīng)算法聯(lián)合處理,使其方向圖是隨信號及干擾的變化而變化,使期望信號和干擾的比值達(dá)到適時(shí)最大化。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號波達(dá)方向,并在此方向上為用戶獨(dú)立形成主波束。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡單,可以得到最大的載擾比。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化,動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。自適應(yīng)天線陣列一般采用4一16個(gè)天線陣元結(jié)構(gòu),陣元間距為半個(gè)波長。2.4.2多波束切換天線多波束天線在工作時(shí),天線方向圖形狀基本不變,其利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū),每個(gè)波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時(shí),天線陣列確定用戶信號的到達(dá)

27、方向(DOA),根據(jù)用戶移動過程中環(huán)境的變化,基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇,使接收信號最強(qiáng)。多波束智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾,是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比,固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快,但它對天線單元與信道的要求較高,而且用戶信號并不一定在波束中心,當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時(shí),接收效果最差,所以多波束切換天線不能實(shí)現(xiàn)信號最佳接收。2.5智能天線中的自適應(yīng)波束形成算法自適應(yīng)波束形成算法是智能天線研究的核心內(nèi)容。有關(guān)智能天線自適應(yīng)波束形成算法的文獻(xiàn)眾多:LC.Godara對大量的自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行了總結(jié)；A F.Naguib、P

28、Petrus和Z Rong分別在自己的學(xué)位論文中對各種自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行了分類概括。上行鏈路窄帶自適應(yīng)波束形成算法分類圖見圖5。圖5 自適應(yīng)波束形成算法分類根據(jù)是否需要發(fā)射端發(fā)射參考信號,自適應(yīng)波束形成算法可分為盲和非盲兩大類,非盲算法基于發(fā)射端發(fā)送的時(shí)域參考信號,盲算法不需要發(fā)射端發(fā)送參考信號，詳細(xì)算法在此不再贅述。 2.6智能天線國內(nèi)外應(yīng)用及研究現(xiàn)狀智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始發(fā)展,最初的研究對象是雷達(dá)天線陣,目的是提高雷達(dá)的性能和電子對抗能力。到20世紀(jì)90年代中,在美國和中國開始考慮將智能天線技術(shù)用于無線通信系統(tǒng)。在1997年,北京信威通信技術(shù)公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的

29、SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；美國Rde面m公司則在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線。以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。目前正處于確立第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí),中國、歐、日、美等國己經(jīng)開展了大量的理論分析研究,同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺。1.中國在1997年,北京信威通信技術(shù)公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；是兩個(gè)最先商用化的智能天線系統(tǒng)之一。在1998年電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國電信主管部門向國際電聯(lián)提交的TD一SCD瞅RTT建議并與2000年5月已被TIU批準(zhǔn)為第三代移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)之一DCMATDD技術(shù)(低碼片速率選項(xiàng)),智能天線是其核心技術(shù)。目前,智能天線的

30、研究主要集中在大唐電信、西安海天天線有限公司、各高校、研究所、中興通訊等大的通信公司。2. 歐洲歐洲通信委員會(CEC)在ARCE(ResearehintoAdvnacedeounnunieationinEuorpe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究,稱之為TSLJNAM(IThcTeehnologyinSmartAntennasofrUniversalAdvnaeedMobileInfrastureurte)，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。項(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?于1995年初開始現(xiàn)場試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調(diào),陣元

31、分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線,采用ERA技術(shù)有限公司的專用ASIC芯片DBFll08完成波束形成,使用TMS32OC4O芯片作為中央控制。系統(tǒng)評估了識別信號到達(dá)方向的MUSIC算法,采用的自適應(yīng)算法有NLMs伽onnaliez4LeastMenaqs)s算法和RLS(RecuIsiveLeastSquare)算法。同時(shí),通過現(xiàn)場測試,表明圓環(huán)和平面天線適合于室內(nèi)通信環(huán)境使用,而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣天線更合適。歐洲通信委員會(CEc)準(zhǔn)備在AeTs(dvnaeedeounn畫cation介ehnologies即desvrcies)計(jì)劃中繼

32、續(xù)進(jìn)行第二階段智能天線技術(shù)研究,具體問題集中于以下方面:最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)協(xié)議研究與系統(tǒng)性能評估、多用戶檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時(shí)空信道特性估計(jì)及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗(yàn)。3.日本ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束切換天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收的信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行快速付氏變換(FFT)處理,形成正交波束后,分別采用恒模C(MA)算法或最大比值合并分集算法。天線數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成,整塊電路板大小為23.3emx34.0em。野外移動試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模C(MA)算法的多波束切換天線功能。理論

33、分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束切換天線在波束交叉部分的增益。上述兩種方案在所形成波束內(nèi),選用最大電平接收信號,不用判別用戶信號到達(dá)方向及反饋控制機(jī)構(gòu)等硬件跟蹤裝置。ATR研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念:根據(jù)用戶所處環(huán)境不同,影響系統(tǒng)性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號間干擾)也不同,利用軟件方法實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法,比如當(dāng)噪聲是主要因素時(shí),則使用多波束最大比值合并(MRC)算法,而當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)則使用多波束恒模算法(CMA),以此提供算法分集,利用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線配置,完成智能處理。4.美國及其他ArrayCo公司和中國郵電電信科學(xué)研

34、究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(wLL)智能天線系統(tǒng)。肪yaConnll產(chǎn)品采用可變陣元配置,有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明,在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列,射頻工作于1785MHz1805MHz,采用TDD時(shí)分雙工方式,收發(fā)間隔IOms,接收機(jī)靈敏度最大可提高gdB。此外,德州大學(xué)奧斯汀SDMA小組建立了一套智能天線試驗(yàn)環(huán)境,著手理論與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合。加拿大McMaset:大學(xué)研究開發(fā)了4元陣列天線,采用恒模(CMA)算法。第三章 基于MATLAB的智能天線線陣排列仿真3.1智能天線平面陣列

35、仿真源碼clear；m=8；f=2E9；fei0=pi/2；theta0=0；beta=(pi/(2*sin(pi/m)；fei=pi/2；theta1=-180:1:180；theta2=theta1*pi/180；length1=length(theta2)；count=1；while 1 theta0=theta0+(10)*pi/180；theta01=2*pi*(-0.5+(round(rand(1,m)*1e5)/1e5)/0.5)；theta02=2*pi*(-0.5+(round(rand(1,m)*1e5)/1e5)/0.5)；g1=zeros(1,length1)；g0=0

36、；p1=zeros(1,length1)；p0=0；output=zeros(1,length1)；output0=0；for length2=1:1:length1for k=1:1:mx11=2*pi*(k-1)/m-theta2(length2)；x10=2*pi*(k-1)/m-theta01(1)；x21=sin(fei)*cos(x11)；x22=sin(fei0)*cos(x10)；x3=beta*(x21-x22)；x4=cos(x3)g1(length2)=g1(length2)+x4y11=2*pi*(k-1)/m-theta2(length2)；y10=2*pi*(k-1)/m-theta02(1