自適應(yīng)天線 電子科大5.0

1、1第五章第五章 自適應(yīng)天線的應(yīng)用自適應(yīng)天線的應(yīng)用 5.1 無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線 5.2 智能天線智能天線 (Smart Antenna) 5.3 MIMO天線技術(shù)天線技術(shù) 5.4 自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用21 龔耀寰龔耀寰, 自適應(yīng)濾波自適應(yīng)濾波第第11、12、13章，電子工業(yè)出版章，電子工業(yè)出版社，社，2003. 2 J.C. Liberti, T.S.Rappaport, Smart Antennas for Wireless Communications , Pearson Education, 2002。(中譯中譯本：無(wú)線

2、通信中的智能天線，機(jī)械工業(yè)出版社本：無(wú)線通信中的智能天線，機(jī)械工業(yè)出版社)3 劉鳴劉鳴, 袁超偉等袁超偉等智能天線技術(shù)與應(yīng)用智能天線技術(shù)與應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版，機(jī)械工業(yè)出版社，社，2007. 4 IEEE上相關(guān)文獻(xiàn)資料。上相關(guān)文獻(xiàn)資料。 References35.1.1 概述概述5.1 無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線無(wú)線移動(dòng)通信的發(fā)展進(jìn)程：無(wú)線移動(dòng)通信的發(fā)展進(jìn)程：TD-SCDMA452G系統(tǒng)主要性能：系統(tǒng)主要性能：6不同代的主要功能：不同代的主要功能：789 雙工方式雙工方式 多址方式多址方式10 多徑、多址信道；多徑、多址信道； 存在著信號(hào)衰落，時(shí)延擴(kuò)展，多普勒頻

3、率擴(kuò)展，共道干存在著信號(hào)衰落，時(shí)延擴(kuò)展，多普勒頻率擴(kuò)展，共道干擾，多址干擾等問(wèn)題擾，多址干擾等問(wèn)題； 已采用的辦法：已采用的辦法：調(diào)制解調(diào)，信道編碼，均衡，普通分集調(diào)制解調(diào)，信道編碼，均衡，普通分集聯(lián)合等技術(shù)；日益成熟；聯(lián)合等技術(shù)；日益成熟； 但進(jìn)一步解決上述問(wèn)題的能力有限；但進(jìn)一步解決上述問(wèn)題的能力有限； 自適應(yīng)天線技術(shù)智能天線：自適應(yīng)天線技術(shù)智能天線：The Last Frontier。 由于在無(wú)線移動(dòng)通信頻段內(nèi)的頻譜資源非常有限，如何由于在無(wú)線移動(dòng)通信頻段內(nèi)的頻譜資源非常有限，如何在有限的可用頻譜范圍盡可能提高頻譜利用率（每在有限的可用頻譜范圍盡可能提高頻譜利用率（每Hz帶寬帶寬可能傳輸

4、的比特率，可能傳輸?shù)谋忍芈剩琤ps/Hz）就成為目前無(wú)線移動(dòng)通信的）就成為目前無(wú)線移動(dòng)通信的基本任務(wù)?；救蝿?wù)。無(wú)線移動(dòng)通信信道的特點(diǎn)：無(wú)線移動(dòng)通信信道的特點(diǎn)：1112 智能天線采用指向期望用戶(hù)的定向波束，增加了有用信智能天線采用指向期望用戶(hù)的定向波束，增加了有用信號(hào)功率；號(hào)功率； 窄定向波束降低了主波束外的干擾；窄定向波束降低了主波束外的干擾； 自適應(yīng)波束零點(diǎn)指向強(qiáng)干擾用戶(hù)；自適應(yīng)波束零點(diǎn)指向強(qiáng)干擾用戶(hù)； 上述措施均使上述措施均使SINR增加，從而擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，提高了增加，從而擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。頻譜利用率。5.1.2 采用智能天線后無(wú)線通信系統(tǒng)的性能改善采用智能天線后無(wú)線通

5、信系統(tǒng)的性能改善 增加信號(hào)對(duì)干擾噪音比增加信號(hào)對(duì)干擾噪音比 (SINR)1. 1. 提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量，降低誤碼率及出界概率提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量，降低誤碼率及出界概率13 減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落 能實(shí)現(xiàn)空分多址能實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA) 傳統(tǒng)多址技術(shù)：傳統(tǒng)多址技術(shù)： FDMA、 TDMA、 CDMA ； 智能天線采用多個(gè)固定波束或自適應(yīng)波束對(duì)服務(wù)空間進(jìn)行智能天線采用多個(gè)固定波束或自適應(yīng)波束對(duì)服務(wù)空間進(jìn)行劃分劃分-空分多址空分多址(SDMA)； SDMA能夠在不增加所用頻帶的條件下用多波束創(chuàng)造更多能夠在不增加所用頻帶的條件下用多波束創(chuàng)造更多信道，從而大大提高頻率利

6、用率和系統(tǒng)容量。信道，從而大大提高頻率利用率和系統(tǒng)容量。 多徑效應(yīng)是形成時(shí)延擴(kuò)展及衰落的原因，也是造成碼間多徑效應(yīng)是形成時(shí)延擴(kuò)展及衰落的原因，也是造成碼間干擾干擾(ISI)的主要原因；的主要原因； 采用智能天線可以大大減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落對(duì)接收采用智能天線可以大大減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落對(duì)接收信號(hào)的影響；信號(hào)的影響； 智能天線也提供了除空間分集、極化分集之外的另一種智能天線也提供了除空間分集、極化分集之外的另一種分集分集-角度分集。角度分集。 14 減少發(fā)射功率和空間電磁干擾；減少發(fā)射功率和空間電磁干擾； 增加發(fā)射效率；增加發(fā)射效率； 在同樣的最大發(fā)射功率情況下，可以擴(kuò)大了基站小區(qū)的覆在同樣的

7、最大發(fā)射功率情況下，可以擴(kuò)大了基站小區(qū)的覆蓋范圍，從而減少基站數(shù)目；蓋范圍，從而減少基站數(shù)目； 減少切換率；減少切換率； 大大降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求。大大降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求。 2. 2. 改善蜂窩通信系統(tǒng)功能改善蜂窩通信系統(tǒng)功能 多發(fā)多收天線多發(fā)多收天線(MTMRA)， 也稱(chēng)作多入多出也稱(chēng)作多入多出(MIMO)技術(shù)；技術(shù)； 將信道編碼、調(diào)制與智能天線相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的分集處將信道編碼、調(diào)制與智能天線相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的分集處理；理； 系統(tǒng)容量與收發(fā)最小天線數(shù)成線性關(guān)系，極大地提高頻譜利系統(tǒng)容量與收發(fā)最小天線數(shù)成線性關(guān)系，極大地提高頻譜利用率。用率。 3.3.實(shí)現(xiàn)更完善的空間分

8、集和實(shí)現(xiàn)更完善的空間分集和MIMO15 將空間分成扇區(qū)已在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中應(yīng)用。原理：將空將空間分成扇區(qū)已在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中應(yīng)用。原理：將空間分成扇區(qū)，通常采用間分成扇區(qū)，通常采用120度扇區(qū)，在蜂窩系統(tǒng)中用度扇區(qū)，在蜂窩系統(tǒng)中用3個(gè)扇個(gè)扇區(qū)覆蓋區(qū)覆蓋360度。度。5.2 智能天線智能天線切換波束方式切換波束方式 (Switched Beam) 智能天線切換波束采用智能天線切換波束采用更窄波束，進(jìn)一步將宏扇區(qū)更窄波束，進(jìn)一步將宏扇區(qū)分成幾個(gè)微扇區(qū)。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)分成幾個(gè)微扇區(qū)。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入某個(gè)扇區(qū)時(shí)，切換波束系入某個(gè)扇區(qū)時(shí)，切換波束系統(tǒng)選擇一個(gè)最強(qiáng)波束對(duì)準(zhǔn)該統(tǒng)選擇一個(gè)最強(qiáng)波束對(duì)準(zhǔn)該用戶(hù)。用戶(hù)。5.21 智

9、能天線的工作方式智能天線的工作方式16相對(duì)于全向或相對(duì)于全向或120度扇區(qū)波束系統(tǒng)，能提供更大的度扇區(qū)波束系統(tǒng)，能提供更大的SINR，更大的覆蓋范圍或更小的發(fā)射功率；更大的覆蓋范圍或更小的發(fā)射功率； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低； 易于與現(xiàn)有基站系統(tǒng)連接；易于與現(xiàn)有基站系統(tǒng)連接； 只需檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度以確定所用波束，無(wú)需進(jìn)行只需檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度以確定所用波束，無(wú)需進(jìn)行DOA (Direction of Arrival)估計(jì)。估計(jì)。 實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。 當(dāng)用戶(hù)信號(hào)在波束邊緣，干擾信號(hào)在波束中央時(shí)接收效當(dāng)用戶(hù)信號(hào)在波束邊緣，干擾信號(hào)在波束中央時(shí)接收效果差；果差； 不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾

10、置零，干擾抑制差；不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾置零，干擾抑制差； 不能對(duì)多徑分量進(jìn)行相干分集聯(lián)合；不能對(duì)多徑分量進(jìn)行相干分集聯(lián)合； 扇貝現(xiàn)象扇貝現(xiàn)象(Scalloping)。 切換切換波束波束方式的優(yōu)點(diǎn)方式的優(yōu)點(diǎn) 切換切換波束波束方式的缺點(diǎn)方式的缺點(diǎn)17自適應(yīng)陣自適應(yīng)陣的工作方式見(jiàn)右圖。的工作方式見(jiàn)右圖。自適應(yīng)陣方式自適應(yīng)陣方式 通過(guò)指向波束提高期望用戶(hù)的增通過(guò)指向波束提高期望用戶(hù)的增益，降低噪聲與干擾的影響，益，降低噪聲與干擾的影響，SINR的改善優(yōu)于切換波束，從而的改善優(yōu)于切換波束，從而大大增加了信道容量和頻譜利用率；大大增加了信道容量和頻譜利用率； 可在更復(fù)雜的干擾環(huán)境下工作；可在更復(fù)雜的干擾環(huán)境

11、下工作； 自適應(yīng)陣列自適應(yīng)陣列方式的優(yōu)點(diǎn)方式的優(yōu)點(diǎn) 能對(duì)期望用戶(hù)的多徑信號(hào)進(jìn)行合成，利用路徑分集；能對(duì)期望用戶(hù)的多徑信號(hào)進(jìn)行合成，利用路徑分集； 能夠根據(jù)用戶(hù)到來(lái)角度的變化不斷改變波束形狀，使波束主能夠根據(jù)用戶(hù)到來(lái)角度的變化不斷改變波束形狀，使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶(hù)，零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾用戶(hù)；瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶(hù)，零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾用戶(hù)； 能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)小區(qū)，減少切換率。能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)小區(qū)，減少切換率。18 實(shí)現(xiàn)難度及系統(tǒng)造價(jià)較切換波束系統(tǒng)大；實(shí)現(xiàn)難度及系統(tǒng)造價(jià)較切換波束系統(tǒng)大； 與現(xiàn)有基站結(jié)合比切換波束系統(tǒng)困難。與現(xiàn)有基站結(jié)合比切換波束系統(tǒng)困難。 自適應(yīng)陣列自適應(yīng)陣列方式的缺點(diǎn)方式的缺點(diǎn)1.M. Chryssomalli

12、s, “Smart antennas ,” IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 42, no.3 pp. 129-136, June 2000. 195.2.2 算法分類(lèi)算法分類(lèi) 根據(jù)智能天線的工作方式，可分為多波束形成算法和自根據(jù)智能天線的工作方式，可分為多波束形成算法和自適應(yīng)波束形成算法；適應(yīng)波束形成算法； 根據(jù)是否利用陣列輸入數(shù)據(jù)，分為數(shù)據(jù)獨(dú)立波束形成算根據(jù)是否利用陣列輸入數(shù)據(jù)，分為數(shù)據(jù)獨(dú)立波束形成算法，最佳波束形成或自適應(yīng)波束形成算法；法，最佳波束形成或自適應(yīng)波束形成算法； 根據(jù)參考信號(hào)形式可分為：根據(jù)參考信號(hào)形式可分為：空間參考方式：最佳加權(quán)矢量取決

13、于需要信號(hào)及干擾信號(hào)空間參考方式：最佳加權(quán)矢量取決于需要信號(hào)及干擾信號(hào)的到來(lái)方向的到來(lái)方向(DOA); 主要優(yōu)點(diǎn)：特別適用于頻分雙工主要優(yōu)點(diǎn)：特別適用于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)；系統(tǒng)； 缺點(diǎn)：取決于擴(kuò)散角缺點(diǎn)：取決于擴(kuò)散角(擴(kuò)散角很大或存在相關(guān)多徑時(shí)，性能擴(kuò)散角很大或存在相關(guān)多徑時(shí)，性能會(huì)顯著下降會(huì)顯著下降)；對(duì)通道失配誤差很敏感；高分辨；對(duì)通道失配誤差很敏感；高分辨DOA算法一算法一般收斂性能不好或需時(shí)較長(zhǎng)。般收斂性能不好或需時(shí)較長(zhǎng)。20時(shí)間參考方式：參考信號(hào)由訓(xùn)練信號(hào)或?qū)ьl信號(hào)產(chǎn)生。時(shí)間參考方式：參考信號(hào)由訓(xùn)練信號(hào)或?qū)ьl信號(hào)產(chǎn)生。 如如2GGSM可用專(zhuān)用碼訓(xùn)練序列，可用專(zhuān)用碼訓(xùn)練序列， 3G

14、UMTS可用用戶(hù)可用用戶(hù)專(zhuān)用導(dǎo)頻。（專(zhuān)用導(dǎo)頻。（LMS,RLS,SMI,） 優(yōu)點(diǎn)：不需優(yōu)點(diǎn)：不需DOA；有較強(qiáng)魯棒性；有較強(qiáng)魯棒性(Robust)；可結(jié)合最佳；可結(jié)合最佳多徑從而降低衰落影響；多徑從而降低衰落影響； 缺點(diǎn)：要求精確同步，對(duì)于缺點(diǎn)：要求精確同步，對(duì)于FDD體制不能從上行接受信體制不能從上行接受信息確定下行波束加權(quán)；息確定下行波束加權(quán)；盲處理方式：不需盲處理方式：不需DOA或訓(xùn)練信號(hào)，但存在收斂和捕捉或訓(xùn)練信號(hào)，但存在收斂和捕捉問(wèn)題。問(wèn)題。 （CMA, LS-CMA,） 根據(jù)應(yīng)用功能可分為：根據(jù)應(yīng)用功能可分為：高靈敏度接收方式；高靈敏度接收方式；干擾抑制方式；干擾抑制方式；SDMA

15、 方式。方式。215.2.3 智能天線各種方式的應(yīng)用智能天線各種方式的應(yīng)用 密集建筑、大量移動(dòng)物體密集建筑、大量移動(dòng)物體(大擴(kuò)散角大擴(kuò)散角)、高業(yè)務(wù)流量、移動(dòng)、高業(yè)務(wù)流量、移動(dòng)用戶(hù)機(jī)動(dòng)性??；密集多徑環(huán)境；微小區(qū)；用戶(hù)機(jī)動(dòng)性小；密集多徑環(huán)境；微小區(qū)； TDMA：時(shí)間參考波束形成方式；：時(shí)間參考波束形成方式；TDD、FDD； CDMA：基于訓(xùn)練信號(hào)的時(shí)間參考自適應(yīng)波束形成方式；：基于訓(xùn)練信號(hào)的時(shí)間參考自適應(yīng)波束形成方式； 盲處理。盲處理。 擴(kuò)散角小、業(yè)務(wù)流量小、移動(dòng)用戶(hù)機(jī)動(dòng)性大；宏小區(qū)；擴(kuò)散角小、業(yè)務(wù)流量小、移動(dòng)用戶(hù)機(jī)動(dòng)性大；宏小區(qū)； 空間參考波束形成方式較為合適；空間參考波束形成方式較為合適；

16、切換波束方式。切換波束方式。 市區(qū)市區(qū) 鄉(xiāng)村鄉(xiāng)村225.24 智能天線的實(shí)驗(yàn)研究與發(fā)展?fàn)顩r智能天線的實(shí)驗(yàn)研究與發(fā)展?fàn)顩r 歐洲通信委員會(huì)歐洲通信委員會(huì)(CEC)在在RACE計(jì)劃中的計(jì)劃中的TSUNAMI智能智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作頻率：工作頻率：1.8G1.9GHz； 載波數(shù)：載波數(shù)：10； 載波間隔：載波間隔：1.728MHz； 峰值發(fā)射功率：峰值發(fā)射功率：250Mw； 天線：天線：8陣元貼片天線陣；陣元貼片天線陣； 多址方式：多址方式：TDMA, SDMA； 雙工方式：雙工方式：TDD； 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩用戶(hù)四信道下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩用戶(hù)四信道下，BER10dB。23 L 波段，波段，f=1

17、.542GHz； 44陣元組成；陣元組成； 采用自適應(yīng)恒模算法采用自適應(yīng)恒模算法 (CMA)； 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)需要信號(hào)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)需要信號(hào)由0 ,3 入射，干擾信號(hào)由入射，干擾信號(hào)由4 ,20 入射入射時(shí)，自適應(yīng)干擾置零使時(shí)，自適應(yīng)干擾置零使SINR改善改善9.6dB；當(dāng)需要信號(hào)由；當(dāng)需要信號(hào)由4 ,25 入射，干擾信號(hào)由入射，干擾信號(hào)由8 ,60 入射時(shí)，入射時(shí)，SINR改善改善18.5dB。 日本移動(dòng)通信日本移動(dòng)通信 DBF 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 其他實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品其他實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品 美國(guó)美國(guó)AT&T的智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；的智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 美國(guó)美國(guó)ArrayComm公司的用于公司的用于GSM

18、、PHS的的Intellicell； Metaware公司的用于公司的用于TDMA和和CDMA的的Smartcell； 瑞典瑞典Ericsson的用于的用于GSM的的RBS2206； 國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)、公司（國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)、公司（TD-SCDMA）；）； 245.3 MIMO天線技術(shù)天線技術(shù) References1.D.Gesbert, M.Shafi, et al, “From theory to practice: an overview of MIMO space-time coded wireless systems,” IEEE J. Selected Areas in Commu

19、n., 2003, 21(3):281-302.2.A.Hottinen, O.Tirkkonen, and R.Wichman, Multi-antenna transceiver techniques for 3G and beyond, John Wiley, 2003.3.3. 黃韜，袁超偉等黃韜，袁超偉等, MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用, 機(jī)械工業(yè)出版機(jī)械工業(yè)出版社，社，2007。 4.李忻李忻, ，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文, 2005。5.5. 伍裕江伍裕江, MIMO, ，電子科技大學(xué)博，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文士學(xué)位論文, 2007, 2007

20、。255.3.1 MIMO概念概念 無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，又稱(chēng)為多發(fā)多收無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，又稱(chēng)為多發(fā)多收天線天線 (MTMRA) 技術(shù)。技術(shù)。 特點(diǎn)：能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和特點(diǎn)：能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。頻譜利用率。 起源于起源于20世紀(jì)世紀(jì)70年代；年代； 1995年，年，Bell Lab. 的的E. Teladar 給出給出MIMO的高斯信道容量；的高斯信道容量； 1996年，年，Bell Lab. 的的G. J. Foschini 給出一種給出一種MIMO算法算法D-BLAST算法；算法；

21、 1998年，年，V. Tarokh 討論了用于討論了用于MIMO的空時(shí)碼；的空時(shí)碼； 1998年，年，P. W. Wolniansky 等采用等采用V-BLAST算法建立了一個(gè)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20bps/Hz以上的頻譜利以上的頻譜利用率。用率。 發(fā)展歷史發(fā)展歷史26 普通的多天線技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)分集以對(duì)抗衰落，不同天線發(fā)普通的多天線技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)分集以對(duì)抗衰落，不同天線發(fā)射載有同樣信息的信號(hào)。射載有同樣信息的信號(hào)。 例如例如1個(gè)發(fā)射天線，個(gè)發(fā)射天線， M個(gè)接收天線，則發(fā)射信號(hào)通過(guò)個(gè)接收天線，則發(fā)射信號(hào)通過(guò)M個(gè)通個(gè)通道到達(dá)接收機(jī)，最大分集

22、增益為道到達(dá)接收機(jī)，最大分集增益為M； 多徑衰落被視作有害因素，發(fā)射或接收分集目的在于對(duì)抗多徑衰落被視作有害因素，發(fā)射或接收分集目的在于對(duì)抗多徑衰落。多徑衰落。 基本原理基本原理 而而在在MIMO技術(shù)中，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用技術(shù)中，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。若發(fā)射、接收天線間的通道衰落是獨(dú)立的，則若發(fā)射、接收天線間的通道衰落是獨(dú)立的，則MIMO系統(tǒng)可系統(tǒng)可創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道，通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道，通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，以提高數(shù)據(jù)率。信息，以提高數(shù)據(jù)率。27 信道容量：信道容量：SISO (單入單出單入單出)：傳統(tǒng)無(wú)線通信，信道容

23、量為：傳統(tǒng)無(wú)線通信，信道容量為：22log (1)/ /Chb s Hz其中其中C為香農(nóng)為香農(nóng)(Shannon)容量容量;為接收天線的為接收天線的SNR; h為規(guī)一為規(guī)一化信道復(fù)增益?；诺缽?fù)增益。MIMO系統(tǒng)原理框圖：系統(tǒng)原理框圖：28 信道容量信道容量(續(xù)續(xù))：MISO (多入單出多入單出)：在發(fā)端采用：在發(fā)端采用N1的的Smart Antenna，信道容量為：信道容量為：SIMO (單入多出單入多出)：在收端采用：在收端采用N1的的Smart Antenna，信道容量為：信道容量為：MIMO (多入多出多入多出)：信道容量為：信道容量為：221log (1)/NiiChb s HzN22

24、1log (1)/NiiCNhb s Hz2log det()/HMCIHHb s HzN當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí)，當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí)，2(,)log (1)CMin M N因此因此 C 隨天線數(shù)目線性增長(zhǎng)。隨天線數(shù)目線性增長(zhǎng)。N為發(fā)射天線數(shù)目，為發(fā)射天線數(shù)目，M為接受天線數(shù)目，為接受天線數(shù)目，H為為MN的通道矩陣的通道矩陣。295.3.2 MIMO在在3G和后和后3G無(wú)線系統(tǒng)中的應(yīng)用無(wú)線系統(tǒng)中的應(yīng)用 空時(shí)網(wǎng)格碼；空時(shí)網(wǎng)格碼； 空時(shí)分組碼；空時(shí)分組碼； Bell Lab. 的的BLAST MIMO算法。算法。 編碼編碼30 Space Diversity Antenna1 Y. Ebine, and Y

25、. Yamada, “A Vehicular-Mounted Vertical Space DiversityAntenna for a Land Mobile Radio,” , IEEE Trans. Vehicular Tech., May 1991, 40(2):420-425. MIMO天線天線312 F.Demmerle and W.Wiesbeck, A biconical multibeam antenna for space-division multiple access, IEEE Trans. Antennas and Propagation, June 1998, 4

26、6(6):782-787. Used for Angle diversity (pattern diversity) to separate signals from different DOA. Angle Diversity Antenna321.C. Waldschmidt, and W. Wiesbeck, “Compact Wide-Band Multimode Antennas for MIMO and Diversity,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 8, pp. 1963-1969, Aug. 2004. Polari

27、zation Diversity Antenna33 MIMO Platform in UESTC 硬件實(shí)現(xiàn)部分軟件實(shí)現(xiàn)部分信源比特流數(shù)據(jù)獲取QPSK星座映射空時(shí)編碼組幀處理同步頭、信道估計(jì)序列等脈沖成型中頻載波調(diào)制數(shù)字頻率合成上變頻及射頻接口Transmitter System34軟件實(shí)現(xiàn)部分硬件實(shí)現(xiàn)部分射頻接口及下變頻中頻正交解調(diào)幅相誤差校正基帶過(guò)采樣本振基帶頻差預(yù)補(bǔ)償匹配濾波符號(hào)同步及幀同步啟動(dòng)幀檢測(cè)數(shù)據(jù)幀分離信道參數(shù)估 計(jì)空時(shí)解碼QPSK逆映射比特流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信宿Receiver System353 1 22 136 天線問(wèn)題：天線問(wèn)題： 天線數(shù)目天線數(shù)目(M,N) 以及陣元間距為關(guān)鍵參

28、數(shù)，當(dāng)陣元間距增以及陣元間距為關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)陣元間距增大時(shí)，相關(guān)性下降，信道容量增大（大時(shí)，相關(guān)性下降，信道容量增大（BER下降），但天線陣下降），但天線陣尺寸增大；尺寸增大； 接收復(fù)雜度：額外接收復(fù)雜度：額外RF，硬件，軟件，及其復(fù)雜的接，硬件，軟件，及其復(fù)雜的接收分離算法；收分離算法； 系統(tǒng)集成；系統(tǒng)集成； MIMO信道模擬。信道模擬。 尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題375.3.3 MIMO研究近況研究近況 MIMO系統(tǒng)理論及性能研究，目前有較多文獻(xiàn)。系統(tǒng)理論及性能研究，目前有較多文獻(xiàn)。 MIMO實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)研究：Bell Lab. 的的BLAST系統(tǒng)：系統(tǒng)：f0=1.9GHz，

29、 N=8，M=12，在室內(nèi)達(dá)到，在室內(nèi)達(dá)到25.9bps/Hz的頻譜效率。的頻譜效率。http:/www.bell- BYU (Brigham Young Univ): MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大量信道測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大量信道測(cè)試；試；/jensen/歐盟歐盟IST METRA等項(xiàng)目：等項(xiàng)目：/metra/國(guó)內(nèi)：電子科技大學(xué)，東南大學(xué)國(guó)內(nèi)：電子科技大學(xué)，東南大學(xué), 北郵，清華等高校；北郵，清華等高校；中興、中興、華為等也積極進(jìn)行華為等也積極進(jìn)行MIMO研究與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并提出了多種編碼研究與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并提出了多種編碼算

30、法與信道模型，研制出多種算法與信道模型，研制出多種MIMO天線；天線；中國(guó)科技部于中國(guó)科技部于2001年啟動(dòng)了未來(lái)通用無(wú)線通信技術(shù)研究規(guī)劃年啟動(dòng)了未來(lái)通用無(wú)線通信技術(shù)研究規(guī)劃 FuTURE (Future Technologies for Universal Radio Environment).38 DBF的工作過(guò)程及其特點(diǎn)的工作過(guò)程及其特點(diǎn)5.5 自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用5.5.1 自適應(yīng)數(shù)字波束形成自適應(yīng)數(shù)字波束形成 (DBF)特點(diǎn)：自適應(yīng)天線特點(diǎn)：自適應(yīng)天線 + 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理設(shè)有一平面波設(shè)有一平面波 從從 p方向入射到間距為方向入射到間距為d的直線陣

31、上，各單元接受的窄帶模擬信號(hào)為：的直線陣上，各單元接受的窄帶模擬信號(hào)為：()( )jtrEA t e()( ),sinnjtnnVA t en d原理框圖見(jiàn)下頁(yè)。原理框圖見(jiàn)下頁(yè)。39模擬信號(hào)在接收機(jī)模塊中被放大，再由下變頻變換到模擬信號(hào)在接收機(jī)模塊中被放大，再由下變頻變換到基帶，然后利用正交相位檢波基帶，然后利用正交相位檢波(I,Q), 由由(I,Q)通道分別輸通道分別輸出復(fù)視頻信號(hào)的實(shí)部和虛部：出復(fù)視頻信號(hào)的實(shí)部和虛部：Re ( ),Im ( )nnjjInQnVA t eVA t e在在A/D變換器中，在變換器中，在tn時(shí)刻抽樣，時(shí)刻抽樣，數(shù)字化，得到數(shù)字接受信號(hào)：數(shù)字化，得到數(shù)字接受信號(hào)

32、：Re ( ),Im ( )nnjInnjQnnxA texA te在在數(shù)字波束形成器中乘以自適數(shù)字波束形成器中乘以自適應(yīng)的復(fù)加權(quán)應(yīng)的復(fù)加權(quán)WnRe ( ),Im ( )nnjInnnjQnnnxA t W exA t W e40得到的輸出相加得到天線的響應(yīng)為：得到的輸出相加得到天線的響應(yīng)為：sin( )( )jnnnny tA tW e優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：改善自適應(yīng)的方向圖調(diào)零；改善自適應(yīng)的方向圖調(diào)零；能產(chǎn)生密集多波束；能產(chǎn)生密集多波束；方便于陣列單元方向圖的校準(zhǔn)；方便于陣列單元方向圖的校準(zhǔn)；可獲得超分辨率；可獲得超分辨率；靈活的雷達(dá)功率和時(shí)間管理；靈活的雷達(dá)功率和時(shí)間管理；適合于多站點(diǎn)工作。適合于多站點(diǎn)工作。41 DBF的實(shí)現(xiàn)方案的實(shí)現(xiàn)方案接收模塊示意圖：接收模塊示意圖：采用高數(shù)據(jù)率的采用高數(shù)據(jù)率的A/D變換器變換器 (100M200M)數(shù)字波束形成器是數(shù)字波束形成器是DBF雷達(dá)進(jìn)行工作的心臟，主要完成兩雷達(dá)進(jìn)行工作的心臟，主要完成兩大功能：產(chǎn)生多波束和完成自適應(yīng)處理。大功能：產(chǎn)生多波束和完成自適應(yīng)處理。使得干擾信號(hào)最小，而對(duì)所需目標(biāo)信號(hào)的天線響應(yīng)最大。使得干擾信號(hào)最小，而對(duì)所需目標(biāo)信號(hào)的天線響應(yīng)最大。波束控制器的功能：確定最佳加