智能天線波束成形自適應(yīng)算法.doc

1題目：智能天線波束成形自適應(yīng)算法院（系）信息科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)通信工程屆別學(xué)號(hào)姓名xxx指導(dǎo)老師教務(wù)處印制2006年5月22日2摘要隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,作為目前通信主要手段的無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)引起人們極大關(guān)注，并取得了一定的成就。無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)速度、覆蓋范圍和不同系統(tǒng)間的兼容等性能要求越來(lái)越高，定向性和抗干擾能力成為天線的主要性能指標(biāo)，在這種情況下，研究如何進(jìn)行干擾抑制和減少多徑衰落的影響就成為提高無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要課題。隨著移動(dòng)通信衛(wèi)星通信、雷達(dá)等領(lǐng)域系統(tǒng)功能的日趨完善，智能天線系統(tǒng)、多波束天線系統(tǒng)等具有自適應(yīng)功能的天線的研究和應(yīng)用正在不斷深入，其中，波束形成（BF）技術(shù)是自適應(yīng)天線系統(tǒng)的核心，該技術(shù)是基于傳統(tǒng)天線波束形成理論跟數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，的在自適應(yīng)天線系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文先對(duì)智能天線的出現(xiàn)和發(fā)展過(guò)程做簡(jiǎn)要的介紹，并與傳統(tǒng)的天線進(jìn)行對(duì)比，比較優(yōu)劣，說(shuō)明智能天線結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)勢(shì)；然后說(shuō)明了波束賦形的概念，并介紹了MMSE、MAXSNR、LCMV等基本的波束成形算法，然后進(jìn)一步加入自適應(yīng)的更新過(guò)程，使算法更能滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用，然后采用RLS算法對(duì)智能天線的波束成形進(jìn)行matlab仿真，在性能上對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試和分析，然后對(duì)比了LMS和RLS算法的不同和優(yōu)劣，以及各自適用的通信環(huán)境。關(guān)鍵詞，智能天線波束成形自適應(yīng)算法LMSRLSAbstractWiththerapiddevelopmentofglobalcommunicationsservices,asthe3currentprimarymeansofcommunicationforwirelessmobilecommunicationstechnologyhasbeencauseforgreatconcern,andhaveachievedsomesuccess.Dataratewirelesscommunicationsystems,coverage,andcompatibilitybetweendifferentsystemssuchasperformancerequirementsarehigh,directionalantennasandanti-jammingcapabilitytobecomethemajorperformanceindicators,inthiscasetoexaminehowthereductionofinterferencesuppressionandmulti-fadingofthewirelessmobilecommunicationsystemforenhancingtheperformanceofanimportanttopic.Withthemobilecommunicationssatellitecommunications,radar,andotherareasofsystemfunctionarematuring,smartantennasystems,multi-beamantennasystemswithadaptiveantennafunctionsofresearchandapplicationsareconstantlyin-depth,which,beam-forming(BF)technologyisadaptiveantennasystem,thecoreofthetechnologyisbasedonthetraditionaltheoryofantennabeam-formingtechnologywithdigitalsignalprocessing,adaptiveantennasystemsinbroadapplicationprospects.Thisarticlefirstappearedonthesmartantennaandabriefdescriptionofthedevelopmentprocess,andcomparingwiththeconventionalantenna,compareadvantagesanddisadvantagestoillustratethestructureandperformanceofsmartantennaontheedge；andthenexplaintheconceptofbeam-forming,andintroducedtheMMSE,MAXSNR,LCMV,andotherbasicbeam-formingalgorithm,andthenfurtherbyaddingtheadaptiveupdateprocess,thealgorithmcansatisfypracticalapplication,andthenusingRLSalgorithmforsmartantennabeam-formingmatlabsimulation,theperformanceofthealgorithmtestingandanalysis,andthencomparedLMSandRLSalgorithmandtheadvantagesanddisadvantagesofdifferent,andeachapplicationcommunicationenvironment.KEYWORDS:SmartAntennaAdaptivealgorithmbeam-formingLMSRLS4目錄摘要.2ABSTRACT.2第一章引言.41背景介紹.42智能天線的優(yōu)勢(shì).53智能天線技術(shù)的研究和進(jìn)展.64本文研究方向.11第二章自適應(yīng)天線的基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu).111.移動(dòng)信道的特征以及對(duì)波束成形的影響.122.關(guān)于信號(hào)模型.143.數(shù)字波束成形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹.184.兩種非盲波束形成算法.235.基于參考信號(hào)的波束成形（TRB）算法.26第三章LMS和RLS算仿真和分析.321采用RLS算法仿真以及結(jié)果分析.322仿真比較LMS和RLS兩種算法.36結(jié)語(yǔ).38注釋.39參考文獻(xiàn).39后記.40附錄.41第一章引言1背景介紹當(dāng)今世界各國(guó)已經(jīng)廣泛將無(wú)線通信系統(tǒng)作為重要的通信手段之一，移動(dòng)5通信用戶(hù)數(shù)目迅速增加。移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的迅猛增長(zhǎng)和有限的頻譜資源的矛盾日益突出，有限的頻率資源顯的越來(lái)越緊張。雖然，通過(guò)將通信區(qū)域分為小區(qū)、頻率復(fù)用等手段能使系統(tǒng)通信容量得到較大的提高，但是用戶(hù)數(shù)的激增以及用戶(hù)對(duì)通信服務(wù)要求的提高，要求移動(dòng)通信系統(tǒng)能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和能夠提供圖像以及語(yǔ)音等多媒體服務(wù)，使得這種矛盾更加的突出。影響通信容量增加的一個(gè)非常重要的因素是用戶(hù)之間互相干擾和同一用戶(hù)的碼元之間互相干擾。這類(lèi)干擾不僅影響了系統(tǒng)容量的進(jìn)一步提高，同時(shí)也限制了用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳輸速度。一直以來(lái)，人們都沒(méi)有停止對(duì)提高通信容量方法的探索，傳統(tǒng)的方法主要有兩種：在已有小區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行小區(qū)分裂和在基站端使用扇區(qū)天線取代全向天線。小區(qū)分裂的方法并不能減小系統(tǒng)的干擾，它主要是通過(guò)將一個(gè)小區(qū)分為更小的微小區(qū)使得頻率能夠在一定的區(qū)域內(nèi)得到更多的復(fù)用次數(shù)。但由這種方法使需要的基站數(shù)目變大，使得通信系統(tǒng)的成本增大，同時(shí)由于小區(qū)覆蓋的區(qū)域變小使得移動(dòng)用戶(hù)在移動(dòng)過(guò)程中時(shí)，小區(qū)切換得過(guò)于頻繁導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性增大。在基站端使用扇區(qū)天線取代全向天線使得每個(gè)天線只對(duì)一定的區(qū)域接收發(fā)射信號(hào)，減少了相同復(fù)用頻率之間的同道干擾，從而可以減少頻率復(fù)用，提高系統(tǒng)容量，但是缺點(diǎn)也比較明顯。由于移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境都比較惡劣，多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展在時(shí)、頻域造成的各種干擾，會(huì)使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。而實(shí)際上有用信號(hào)、有用信號(hào)時(shí)延樣本和干擾信號(hào)在時(shí)、頻域存在差異的同時(shí)，在空域(入射角DOA,DirectionOfArrival)也存在差異。而智能天線就是利用空域的相關(guān)信息來(lái)減少信號(hào)干擾的技術(shù)。2智能天線的優(yōu)勢(shì)智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向DOA(DirectionofArrival)，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)并刪除或抑制干6擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。由于采用智能天線波束技術(shù)，在空間形成定向波束，因而，能夠充分利用信道的相關(guān)特性，使信號(hào)在接收端相干相加，噪聲非相干相加，從而提高信道的處理增益。在發(fā)射功率相同的情況下，與傳統(tǒng)的全向天線相比，由于波束的高增益，智能天線覆蓋范圍更大，并且由于波束的定向作用，能夠有效減少多徑衰落的影響，提高通信質(zhì)量，并能夠減少對(duì)其他用戶(hù)的干擾，增加頻譜效率和信道容量。3智能天線技術(shù)的研究和進(jìn)展智能天線與傳統(tǒng)天線概念有本質(zhì)的區(qū)別，其理論基礎(chǔ)是信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)理論、信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、軍事抗干擾通信，用來(lái)完成空間濾波和定位等功能，提高系統(tǒng)的性能和電子對(duì)抗的能力，但由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。自適應(yīng)天線波束賦形技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始發(fā)展，其研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣，目的是提高雷達(dá)的性能和電子對(duì)抗的能力。而智能天線真正的發(fā)展是在20世紀(jì)90年代初，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，微計(jì)算器和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片的處理能力日益提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度；同時(shí)數(shù)字芯片的價(jià)格已經(jīng)為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受，因此，智能天線技術(shù)開(kāi)始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。另外，移動(dòng)通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾(MAI)、共信道干擾(CCI)以及多徑衰落的影響、提高頻譜效率成為提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能時(shí)要考慮的主要因素。而用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向，7旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)并抵消或最大程度的抑制干擾信號(hào)的目的。因此，結(jié)合天線陣列與數(shù)字信號(hào)處理器，就可以動(dòng)態(tài)配置智能天線。智能天線陣列由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后通過(guò)相加器合并輸出。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理。同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜些，每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。智能天線陣要解決的基本問(wèn)題是抗干擾，且提高期望信號(hào)的信道增益。抗干擾是指在干擾信號(hào)背景下改善期望信號(hào)的接收質(zhì)量，即提高期望信號(hào)的處理增益，抑制干擾。而智能天線實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將不完全依賴(lài)于調(diào)制技術(shù)、信源、信道編碼技術(shù)以及其他固有的傳統(tǒng)技術(shù)。智能天線研究的是如何自適應(yīng)地獨(dú)立調(diào)整天線陣各天線單元的激勵(lì)系數(shù)，智能地改變波束形狀而得到空域處理增益從而改善最終的接收。波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶（中頻）信號(hào)的最佳組合或者分配。具體地說(shuō)，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低同信道用戶(hù)間的干擾。因此，首先需要建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)中各處的信號(hào)，而后才可能根據(jù)系統(tǒng)性能要求，將信號(hào)的組合或分配表述為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，尋求其最優(yōu)