移動通信智能天線關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、智能天線可以改善通信鏈路性能，大大提高系統(tǒng)容量，提高頻譜利用效率，現(xiàn)已成為移動通信中的研究熱點(diǎn)。本文系統(tǒng)地闡述了移動通信系統(tǒng)中智能天線的基本理論和相關(guān)技術(shù)，重點(diǎn)對其中幾個核心問題：空時信道特性與建模理論、自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法、高分辨的DOA估計算法(重點(diǎn)是相干多徑環(huán)境下的有效算法)、抗干擾技術(shù)(尤其是抗相干干擾)、空時信道多維參數(shù)聯(lián)合估計、空時二維處理理論等方面進(jìn)行了較為深入研究。 對于空時信道特性和相關(guān)建模理論，論文首先介紹

2、了無線空時信道的特點(diǎn)，從理論上分析了時延擴(kuò)展、多普勒頻率擴(kuò)展和角度擴(kuò)展對智能天線的頻率相關(guān)性、時間相關(guān)性和空間相關(guān)性的影響。在此基礎(chǔ)上，(1)本文首次對移動通信環(huán)境中不同散射環(huán)境下(如拉普拉斯分布、截尾高斯分布等)智能天線的相關(guān)性進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真，得出了天線相關(guān)性與散射分布特性之間的定量關(guān)系，為移動通信智能天線設(shè)計提供了理論依據(jù)。(2)對于建模理論，在簡單介紹常用的Lee模型及其改進(jìn)模型、幾何單反射(GBSB)模型、高斯廣義平穩(wěn)

3、不相關(guān)散射(GWSSUS)模型和擴(kuò)展抽頭延遲線模型等模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)ITU建議的不同環(huán)境下的功率時延譜和功率角度譜，本文提出了一種基于統(tǒng)計特性仿真不同空時信道的方法，該方法簡便有效，容易構(gòu)造出適用于不同環(huán)境的信道模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該模型能夠同時反映信道的空間、時間以及頻率特性。 對于波束形成技術(shù)，論文簡介了LMS和RLS兩種非盲算法，重點(diǎn)對恒模算法(CMA)和最小二乘解擴(kuò)重擴(kuò)多目標(biāo)恒模算法(LS-DRMTCMA)兩類盲算法進(jìn)

4、行了深入研究，通過仿真實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，(1)論文針對常規(guī)恒模算法收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差之間的矛盾，基于一種新的代價函數(shù)，提出了一種新的自適應(yīng)步長控制方法，該算法基于高斯函數(shù)實(shí)現(xiàn)恒模誤差和步長之間的非線性映射，參數(shù)控制簡單，具有超線性加速收斂作用，能夠同時兼顧收斂速度、穩(wěn)態(tài)誤差和抗隨機(jī)噪聲性能，改善了恒模陣列性能。(2)對于非平穩(wěn)信道，信號隨機(jī)衰落會導(dǎo)致同級陣列上各輸入信號相對功率快速變化，而恒模算法只是簡單地捕捉功率

5、最強(qiáng)信號，這會造成各級陣列捕獲的信號搖擺不定，從而無法對目標(biāo)用戶實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的捕獲或跟蹤，為此，在前述算法基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了一種非對稱的步長控制機(jī)制，既保證了各級陣列對目標(biāo)用戶的快速捕獲，又能保證各級陣列對目標(biāo)用戶的穩(wěn)定跟蹤，提高了陣列抗衰落性能。 對于波達(dá)方向估計，論文在介紹常用DOA估計算法的基礎(chǔ)上，針對常規(guī)MUSIC和ESPRIT不能處理相干源、能夠估計的DOA數(shù)不能超過陣元數(shù)M、不適用于有色噪聲且多徑分量DOA與用戶配

6、對難等特點(diǎn)，按均勻直線陣和均勻圓陣分別研究了適合蜂窩系統(tǒng)中多用戶相干多徑環(huán)境的DOA估計算法。(1)對于均勻直線陣，利用陣列輸出四階累積量對上行信號空間特征實(shí)現(xiàn)了全盲估計，并將其用于相干多徑環(huán)境下的多用戶信號DOA的估計。該方法不依賴于信號具體特征，能夠抗任意加性高斯噪聲，利用M個陣元最多可以估計2M2/3個DOA，可以突破傳統(tǒng)的MUSIC或ESPRIT算法的局限，并使各多徑分量與用戶自動配對。通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了估計方差與信噪比和快拍數(shù)

7、之間的關(guān)系，驗(yàn)證了算法的有效性和魯棒性。基于空間特征估計，構(gòu)建了空間濾波器組，實(shí)現(xiàn)了多用戶信號分離與信源恢復(fù)。(2)對于均勻圓陣，分別介紹了陣元空間MUSIC、實(shí)波束空間MUSIC和UCA-ESPRIT，通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了各種算法的性能。由于這些算法都不適用于相干源，而常規(guī)的空間平滑技術(shù)不能直接用于圓陣，論文采用預(yù)處理將均勻圓陣轉(zhuǎn)化為模式空間虛擬線陣后再通過平滑處理，實(shí)現(xiàn)了圓陣相干源DOA估計。 相干多徑環(huán)境下，智能天線性能會嚴(yán)

8、重惡化。論文對此提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。(1)針對現(xiàn)有空間平滑解相干算法的不足，本文基于充分利用子陣列自相關(guān)和互相關(guān)矩陣信息的思想，提出了一種新的自適應(yīng)全局加權(quán)空間平滑算法(AGWSS)．該算法大大提高了小型陣列的解相關(guān)性能。該算法是完全自適應(yīng)的，無需信源角度的先驗(yàn)知識或?qū)ζ溥M(jìn)行預(yù)估計。(2)在AGWSS中首次提出采用對稱化處理的思想保證平滑后相關(guān)矩陣的Hermite對稱性，并在此基礎(chǔ)上首次導(dǎo)出了AGWSS最優(yōu)平滑權(quán)矩陣的閉式解。(顯式表

9、達(dá)，不同于某些其它算法的隱式表達(dá))。(3)在AGWSS基礎(chǔ)上，針對某些應(yīng)用場所平滑后相關(guān)矩陣應(yīng)滿足半正定的要求，通過本文的對稱化處理，在平滑后相關(guān)矩陣Toeplitz化、Hermite對稱化和半正定的約束下，并基于原始．對偶內(nèi)點(diǎn)障礙函數(shù)法，本文又提出了半正定的全局加權(quán)空間平滑算法(SD-AGWSS)。將其用于相干環(huán)境下DOA估計，大大提高估計性能，尤其在相干源角度間隔很小或信噪比較低時，分辨能力大大提高。 相干多徑環(huán)境下，常用的

10、波束形成算法性能都將嚴(yán)重惡化，甚至出現(xiàn)期望信號被對消的現(xiàn)象，而常規(guī)的空間平滑算法解相干能力較差，且會損失陣列有效孔徑。(1)本文提出了一種改進(jìn)的波束形成方案：首先利用本文提出的AGWSS算法進(jìn)行自適應(yīng)全局加權(quán)空間平滑，可以最大程度解相關(guān)；然后利用LCMV準(zhǔn)則直接矩陣求逆(DMI)得到子陣波束形成器最佳權(quán)矢量；在此基礎(chǔ)上，為了克服平滑引起的孔徑損失，充分利用剩余自由度，論文分別提出在二次零陷加深準(zhǔn)則下和在噪聲增益最小化準(zhǔn)則下的二次加權(quán)，大

11、大提高了陣列抗相干(關(guān))干擾和抗噪聲能力。(2)論文還首次從理論上和仿真實(shí)驗(yàn)定量分析對比了不同平滑算法的解相干能力(相干抑制因子)。(3)論文利用自由度理論首次分析了不同平滑算法的子陣劃分條件：對M元陣列，WSS最多可以濾除(√M-1-1)個相干干擾，而采用AGWSS時最多可以濾出(M/2-1)個相干干擾。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明AGWSS算法性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的各種空間平滑算法，尤其適用于移動通信中的小型智能天線。 論文進(jìn)一步研究

12、了智能天線中時空多徑信道多維參數(shù)聯(lián)合估計及其干擾抑制問題。(1)針對TD-SCDMA系統(tǒng)中的均勻圓陣，提出了一種新的空時擴(kuò)展陣列結(jié)構(gòu)，該算法能實(shí)現(xiàn)時空信道多徑的俯仰角—方位角—時延—多普勒頻移四維參數(shù)聯(lián)合估計。本算法同時具備：無需訓(xùn)練序列或預(yù)先知道信道沖激響應(yīng)、可用于多用戶環(huán)境、每個用戶的多徑數(shù)目可以超過陣元數(shù)、且多參數(shù)自然配對等特點(diǎn)。在算法處理過程中，可同時從碼域、空域、時域和頻域?qū)π诺乐械亩嘀犯蓴_、符號間干擾和多普勒頻率干擾進(jìn)行抑制