移動通信智能天線關鍵技術研究.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。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技術，重點對其中幾個核心問題：空時信道特性與建模理論、自適應數(shù)字波束形成算法、高分辨的DOA估計算法(重點是相干多徑環(huán)境下的有效算法)、抗干擾技術(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行了較為深入研究。 對于空時信道特性和相關建模理論，論文首先介紹

2、了無線空時信道的特點，從理論上分析了時延擴展、多普勒頻率擴展和角度擴展對智能天線的頻率相關性、時間相關性和空間相關性的影響。在此基礎上，(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)智能天線的相關性進行了理論推導和數(shù)值仿真，得出了天線相關性與散射分布特性之間的定量關系，為移動通信智能天線設計提供了理論依據(jù)。(2)對于建模理論，在簡單介紹常用的Lee模型及其改進模型、幾何單反射(GBSB)模型、高斯廣義平穩(wěn)

3、不相關散射(GWSSUS)模型和擴展抽頭延遲線模型等模型的基礎上，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，容易構造出適用于不同環(huán)境的信道模型，仿真結果驗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，論文簡介了LMS和RLS兩種非盲算法，重點對恒模算法(CMA)和最小二乘解擴重擴多目標恒模算法(LS-DRMTCMA)兩類盲算法進

4、行了深入研究，通過仿真實驗對其性能進行了對比分析。在此基礎上，(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步長控制方法，該算法基于高斯函數(shù)實現(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，信號隨機衰落會導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，從而無法對目標用戶實現(xiàn)穩(wěn)定的捕獲或跟蹤，為此，在前述算法基礎上，本文進一步提出了一種非對稱的步長控制機制，既保證了各級陣列對目標用戶的快速捕獲，又能保證各級陣列對目標用戶的穩(wěn)定跟蹤，提高了陣列抗衰落性能。 對于波達方向估計，論文在介紹常用DOA估計算法的基礎上，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，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。通過仿真實驗研究了估計方差與信噪比和快拍數(shù)

7、之間的關系，驗證了算法的有效性和魯棒性。基于空間特征估計，構建了空間濾波器組，實現(xiàn)了多用戶信號分離與信源恢復。(2)對于均勻圓陣，分別介紹了陣元空間MUSIC、實波束空間MUSIC和UCA-ESPRIT，通過仿真實驗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)的空間平滑技術不能直接用于圓陣，論文采用預處理將均勻圓陣轉(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

8、重惡化。論文對此提出了相應的改進方法。(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和互相關矩陣信息的思想，提出了一種新的自適應全局加權空間平滑算法(AGWSS)．該算法大大提高了小型陣列的解相關性能。該算法是完全自適應的，無需信源角度的先驗知識或?qū)ζ溥M行預估計。(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矩陣的Hermite對稱性，并在此基礎上首次導出了AGWSS最優(yōu)平滑權矩陣的閉式解。(顯式表

9、達，不同于某些其它算法的隱式表達)。(3)在AGWSS基礎上，針對某些應用場所平滑后相關矩陣應滿足半正定的要求，通過本文的對稱化處理，在平滑后相關矩陣Toeplitz化、Hermite對稱化和半正定的約束下，并基于原始．對偶內(nèi)點障礙函數(shù)法，本文又提出了半正定的全局加權空間平滑算法(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的波束形成方案：首先利用本文提出的AGWSS算法進行自適應全局加權空間平滑，可以最大程度解相關；然后利用LCMV準則直接矩陣求逆(DMI)得到子陣波束形成器最佳權矢量；在此基礎上，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則下和在噪聲增益最小化準則下的二次加權，大

11、大提高了陣列抗相干(關)干擾和抗噪聲能力。(2)論文還首次從理論上和仿真實驗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。理論分析和仿真實驗證明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展陣列結構，該算法能實現(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：無需訓練序列或預先知道信道沖激響應、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。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行抑制