智能天線的主瓣干擾抑制算法

1、摘要智能天線是近年來移動通信領域中的研究熱點之一，應用智能天線技術可以很好地解決頻率資源匱乏問題，可以有效地提高移動通信系統(tǒng)容量和服務質(zhì)量。開展智能天線技術以及其中的一些關鍵技術研究對于智能天線在移動通信中的應用有著重要的理論和實際意義。但當天線接收信號存在主瓣干擾時，利用自適應波束形成技術抑制干擾會暴露出兩個缺陷：一是副瓣電平增高；二是主波束變形且峰值偏移。當存在主瓣干擾且有期望信號混入情況下，用常規(guī)自適應波束形成方法進行自適應干擾對消，不但會引起主瓣變形，而且期望信號也會被抑制，從而影響對消性能。本文提出一種新的阻塞矩陣方法，對接收數(shù)據(jù)進行預處理，消除它們對計算數(shù)據(jù)協(xié)方差陣的影響，再用其它

2、方法確定自適應權值。理論分析和計算機仿真表明，用阻塞矩陣方法可以獲得較大的性能提升。關鍵詞智能天線；主瓣干擾；自適應波束形成；陣列信號處理AbstractIn recent years，Smart Antenna，which is considered to be a solution to the problem of lacking frequency，becomes a hotspot in the Mobile Communication area. With this technology，Capacity of Mobile Communication system can be

3、increased effectively and the quality of service can be improved at the same time. To study Smart Antenna and its key technologies is important both in theory and in practice. There are two disadvantages in adaptive beam forming in the presence of main lobe interference， one is heightening of side-l

4、obe level， the other is distortion and peak offset of main beam.When target signal is in the sample data， the performance of adaptive digital beam former (ADBF) will be degraded. If the interference falls into main lobe， the main beam will be distorted with conventional ADBF. A new block matrix (NBM

5、) method is proposed which preprocesses the sample data via a block matrix so that the influence of signal-of-interest (SOI) and main lobe jamming is diminished. This method avoids main lobe distortion and has the better performance of interference cancelling than the direct sample matrix inversion

6、(SMI) method. The results of simulation support the theoretical predictions.Key wordsSmart antenna; Adaptive beam forming; Main lobe interference canceling; Array signal processing 目錄摘要Abstract第1章 緒論11.1背景介紹11.2主要概念21.3智能天線技術的應用需求31.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.4.1國外研究現(xiàn)狀41.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀51.5智能天線的發(fā)展前景61.6本章小結7第2章 智能天線82.1概

7、述82.2智能天線的分類82.3智能天線的基本原理與結構92.3.1智能天線的基本原理92.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結構102.4 自適應波束形成算法12第3章 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法143.1常規(guī)的自適應波束形成算法143.2基于等距線陣的統(tǒng)計模型153.3主瓣干擾對算法的影響163.4基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制173.4.1阻塞矩陣預處理173.4.2波束形成183.5仿真實驗及結果分析19結論22參考文獻23致謝25第一章 緒論1.1背景介紹移動通信作為未來個人通信的主要手段，在全球通信業(yè)務中占據(jù)越來越重要的地位。隨著移動通信用戶數(shù)的迅速增長以及人們對通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求

8、移動通信網(wǎng)在大容量下仍保持較高的服務質(zhì)量。而與此要求相對，目前移動通信中主要存在兩大問題：第一，隨著移動用戶的增多，頻譜資源日益匱乏；第二，由于信道傳輸條件較惡劣，所需信號在到達天線接收端前會經(jīng)歷衰減、衰落和時延擴展，另外還有來自其他用戶的干擾，極大地限制了系統(tǒng)通信質(zhì)量的提高。這兩大問題是移動通信技術發(fā)展中的主要矛盾，也是推動移動通信技術發(fā)展的原動力。必須采取有效方法對系統(tǒng)進行擴容并提高服務質(zhì)量。為了解決系統(tǒng)容量問題，第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中主要采用時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）兩種多址方式;為了提高系統(tǒng)通信質(zhì)量，在第二代系統(tǒng)中廣泛采用了調(diào)制、信道編碼、均衡（TDMA系統(tǒng)）、RAKE接

9、收（CDMA系統(tǒng)）等時、頻域信號處理技術以及分集天線、扇形天線等簡單空間處理技術。這些解決方法在發(fā)揮各自功效的同時，有著共同的不足，即無法對空域資源進行有效利用。智能天線技術正是在這樣的背景下被引入到移動通信中來的。理論研究和實測數(shù)據(jù)均表明：有用信號、其延時樣本和干擾信號往往具有不同的到達角（DOA）和空間信號結構，利用這種空域信息我們可以獲得附加的信號處理自由度，從而能提高系統(tǒng)容量，并且能夠更有效地對抗衰落和抑制干擾。應用于無線通信系統(tǒng)基站的智能天線技術正是充分利用了信號的空域信息，它能有效地擴充系統(tǒng)的容量，大幅度提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線技術己經(jīng)被公認為第三代移動通信系統(tǒng)的一項關鍵技術，

10、并越來越受到人們的關注。在提交國際電聯(lián)ITU所有的3GRTT標準中，幾乎都附有一條：如果有可能，本建議將采用智能天線技術：在國際電聯(lián)2000年3月份的會議上，更是提出要重視在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線技術，并在2000年8月份的會議上正式討論了在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線的問題?？梢灶A見，智能天線技術將在未來的移動通信體制中占據(jù)非常重要的地位。目前，對智能天線技術的研究尚未達到實用化階段，這主要是因為移動通信中電磁波傳播環(huán)境復雜且用戶是移動的，智能天線的自適應過程往往很難動態(tài)地捕獲并跟蹤用戶信號。1.2 主要概念智能天線又稱為自適應天線陣列，英文名為Smart Antenna或intellig

11、ent Antenna。智能天線技術的核心是陣列信號處理，早期應用集中于雷達和聲納信號處理領域，七十年代后期被引入到軍事通信中，而應用于民用蜂窩移動通信則是近十幾年的事情。一般而言，智能天線是專指用于移動通信中的自適應天線陣列（這里的移動通信系統(tǒng)主要指數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)），它利用數(shù)字信號處理技術產(chǎn)生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤所需用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準不希望的干擾信號到達方向，達到充分分離和有效利用用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。在移動通信的基站中使用具有全向收發(fā)功能的智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收，這樣就可以充分利用信號發(fā)

12、射功率，降低信號全向發(fā)射帶來的電磁干擾與相互干擾。智能天線是提高無線電數(shù)據(jù)通信，包括蜂窩通信、個人通信和第三代寬帶CDMA等系統(tǒng)容量的最佳選擇，它超越了任何由信道復用和各種調(diào)制技術所達到的水平。CDMA（Code Division Multiple Access）是碼分多址的英文縮寫，它是在數(shù)字技術的分支擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換

13、成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。SDMA（Space Division Multiple Access）是空分多址的英文縮寫，移動通信中應用智能天線技術就產(chǎn)生了這種新的信道增容方式。它不同于傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）或碼分多址（CDMA），這種多址方式是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶，也就是說，在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分不同的信號?？辗侄嘀房梢耘c其他多址方式完全兼容，從而可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空分碼分多址（SD-CDMA）、空分時分多址（SD-TDMA）等，這樣可以成倍地增長系統(tǒng)容量。碼間干擾

14、（Inter-Symbol Interference，簡稱ISI）是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的千擾，它與高斯分布的加性噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。信道的衰減和時延失真等都可能引起ISI，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的就不可避免地帶來一定的ISI。以一定速度傳送的波形受到非理想信道的影響表現(xiàn)為各碼元波形持續(xù)時間拖長，從而使相鄰碼元波形產(chǎn)生重疊，從而引起判決錯誤，當這種線性失真嚴重時，碼間干擾顯得尤為突出。同信道干擾（Common Channel Interference，簡稱CCI），又叫同頻干擾，它是指使用相同頻率的信道之間的干擾。在蜂窩移動通信中，同信道干擾主要指使用相同頻率

15、的小區(qū)間的干擾。多址干擾（ Multiple Access Interference，簡稱MAI），是在碼分多址蜂窩移動通信中出現(xiàn)的一種干擾。由于在同一個小區(qū)內(nèi)同時通信的用戶是多個，多個用戶均占同一時隙、同一頻率，所不同的是選取的地址碼不一樣，而實際選用的地址碼間的互相關函數(shù)不可能全為零，這樣多個用戶同時通信時必然會產(chǎn)生多址干擾。天線增益，取定向天線主射方向上的某一點，在該點場強保持不變的情況下，此時用無方向性天線發(fā)射時天線所需的輸入功率與采用定向天線時所需的輸入功率之比稱為天線增益，常用“G”表示，天線增益可以用來描述天線往某一方向發(fā)射的能力。天線方向圖是智能天線中一個重要概念，它是指以天線

16、為中心，在相同的距離上，天線輻射或接收的電磁波強度隨方位角或仰角變化的分布圖，亦稱天線波瓣圖或輻射方向圖。在天線方向圖中，如果令空間方向最大值等于1，就叫做歸一化方向圖。天線方向圖可以通過計算得出，也可以通過實際測量得出。利用微機可以得到方向圖的三維模型。為了方便，常采用通過天線最大輻射方向的兩個相互垂直的平面方向圖。平面方向圖多用直角坐標系或極坐標系表示。常用的平面方向圖有：（1）水平平面方向圖。它是當仰角和距離為常數(shù)時，場強或功率方位角變化的圖形。（2）鉛垂平面方向圖。它是當方位角和距離為常數(shù)時，場強或功率隨仰角變化的圖形。1.3智能天線技術的應用需求移動通信系統(tǒng)中引入智能天線技術后，可以

17、為更多的用戶提供種類更多、性能更優(yōu)的服務。下面主要從兩個角度來闡述智能天線技術的應用需求。首先，從移動通信網(wǎng)絡運營商的角度來看：在網(wǎng)絡的建設初期，增加新基站是一種有效的擴容手段，而對于一個成熟的網(wǎng)絡來說，它就顯得不夠經(jīng)濟而且收效不大。在那些容量需求非常大的地方，傳統(tǒng)的小區(qū)分裂方法漸漸變得不可行，而在基站引入智能天線技術代替普通天線后，可以擴大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復用率，這樣就可以在不新建或盡量少建基站的基礎上增加系統(tǒng)容量，即用較少的基站就可實現(xiàn)較大區(qū)域的覆蓋，從而降低了運營商的投資成本和運營成本；同時在基站引入智能天線技術可以有效地改善通信鏈路的性能，這使得運營商可以更輕松地提供各種新

18、業(yè)務如各種數(shù)據(jù)業(yè)務；另外系統(tǒng)容量的增加使得在相同的處理增益下可以同時容納更多的激活用戶，這大大地提高了系統(tǒng)的效率。其次，從移動用戶的角度來看：由于智能天線通過空域或空時域等聯(lián)合處理，可以提高信干噪比、減少時延擴展和減輕衰落，進而提高了鏈路的性能，這樣用戶可以得到更加完美的通話質(zhì)量；智能天線采用窄波束跟蹤用戶，可以提高用戶方向的天線增益，這意味著移動臺可以以較低功率工作，這樣可以延長手機電池的通話時間和待機時間，并且可以大大減輕電磁輻射，從而降低電磁輻射對人體的危害?？傊?，由于智能天線技術對移動通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何其它技術所難以替代的，所以無論是移動網(wǎng)絡運營商還是最終受益的移動用戶對它

19、的需求都十分迫切?？梢钥隙?，智能天線技術在移動通信的發(fā)展中將扮演越來越重要的角色。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.4.1國外研究現(xiàn)狀移動通信在經(jīng)歷了第一代模擬通信系統(tǒng)、第二代蜂窩數(shù)字通信系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)，正向第三代移動通信系統(tǒng)發(fā)展。目前正處于確立第三代移動通信技術標準之時，國外如歐美等發(fā)達國家非常重視智能天線技術在未來移動通信方案中的地位與作用，己經(jīng)開展了大量的理論分析和研究，同時也建立了一些技術試驗平臺。1歐洲歐洲通信委員會（CEC）在RACE（Research into Advanced Communication in Europe）計劃中實施了智能天線技術第一階段研究，由德國、英國、丹麥

20、和西班牙合作完成。該項目組在DECT基站基礎上構造智能天線試驗模型，于1995年初開始現(xiàn)場試驗。天線由8個陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線形、圓環(huán)形和平面形三種。模型用數(shù)字波束形成方法實現(xiàn)智能天線，采用ERA技術有限公司的專用集成電路芯片DBFI108完成波束形成，系統(tǒng)評估了識別信號到達方向的多用戶信號識別分類算法（MUSIC），采用的自適應算法有歸一化最小均方算法（NLMS）和遞歸最小平方算法。實驗驗證了智能天線的功能，在2個用戶4個空間信道（包括上行和下行鏈路）情況下，試驗系統(tǒng)比特差錯率（BER）優(yōu)于?，F(xiàn)場測試結果表明，圓形和平面形天線適用于室內(nèi)通信

21、環(huán)境，而市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。2美國美國對于智能天線技術的研究水平處于世界領先地位，并且許多電信設備生產(chǎn)商紛紛推出了自己的產(chǎn)品。最具代表性的是愛瑞通信公司，它是一家擁有成熟的自適應智能天線技術的全球知名通信技術公司，在這一領域擁有多項專利技術，居世界領先水平。愛瑞通信公司擁有豐富的自適應智能天線的產(chǎn)品線，其中IntelliCell技術在通信系統(tǒng)中的應用能有效地改善信號質(zhì)量和頻譜利用率，使系統(tǒng)容量和覆蓋范圍增大，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從而獲得最佳的語音質(zhì)量。ItelliCell處理器通過自適應處理算法，形成可以加權參數(shù)，在幅度，相位和信號空間到達角等多個指標上進行每秒調(diào)整數(shù)百次的調(diào)整，從

22、而完成上行處理和下行波束形成。該技術己經(jīng)在全球超過7.5萬個基站系統(tǒng)上得到應用，為450萬名無線用戶提供高質(zhì)量的無線寬帶服務。這一技術支持第三代移動通（3G）各種空中接口標準，在容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍及服務質(zhì)量上都比傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。據(jù)稱，IntrlliCell可以使運營商的基站數(shù)量減少50%，由此可以減少大量的設備成本和營運成本。3加拿大加拿大McMaster大學開發(fā)了四元陣列天線，并進行了恒模（CMA Constant Module Algorithm）算法的研究。1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于智能天線的研究起步較晚，但也取得了一些成績。如北京信威公司研制了應用于無線本

23、地環(huán)路（WLL）的智能天線系統(tǒng)，信威公司的智能天線采用8陣元環(huán)形自適應陣列，工作于17851805MHz，采用時分雙工方式，收發(fā)間隔10ms，接收機靈敏度最大可提高9dB。但該系統(tǒng)只能工作于無線本地環(huán)路中，并對用戶位置、移動速率有一定的要求。另外值得一提的是，1998年中國郵電電信科學技術研究院代表我國電信主管部門向國際電聯(lián)提交的TD-SCDMA建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動通信標準之一的CDMA TDD技術（低碼片速率選項），就是第一次提出以智能天線為核心技術的CDMA通信系統(tǒng)，在國內(nèi)外獲得了廣泛的認可和支持，并以制定了相關標準。在國內(nèi)一些大學和研究結構，如清華大學、西安交大、中國科技大學、西

24、安電子科技大學、北方交通大學、北京郵電大學、電信科學技術研究院等相繼開展了智能天線的理論研究。一些大的電信設備生產(chǎn)企業(yè)如大唐電信、華為、中興科技等也投入了很多的人力物力進行研發(fā)；國家“八六三”、國家自然科學基金、博士點基金等也相應支持有關單位進行理論與技術平臺的研究。由于各方面的原因，目前我國對于智能天線技術仍然處于理論研究與技術跟蹤階段。1.5智能天線的發(fā)展前景3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同的用戶，因此接收端各個信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統(tǒng)中的時隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時，在理論分析的基礎上，大量的仿

25、真和現(xiàn)場試驗結果也證明了：在3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這一對矛盾的基礎上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已經(jīng)得到共識，成為3G網(wǎng)絡規(guī)劃和運營的主要特點。在業(yè)務特性上，3G以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務、視頻電話和能力得到增強的增值業(yè)務作為其對2G系統(tǒng)形成服務優(yōu)勢的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡流量。但是與2G系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務能力上的優(yōu)勢，必須使用新技術使頻譜利用率

26、得到質(zhì)的提高，智能天線技術正是目前被認為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標的最有效的方法之一。它通過增加系統(tǒng)SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對空中無線頻譜資源的利用能力。 我國提出的TD-SCDMA標準，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時隙間隔相互交錯的上下行信道之間具有較強的相關性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對下行信道的發(fā)送特性進行準確的調(diào)整，因此TD-SCDMA成為3G標準中最方便于使用智能天線的一個技術，并且已經(jīng)進行了標準化，將智能天線作為其主要的關鍵技術之一。另外，對于3G中使用FD

27、D方式的WCDMA和CDMA2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差（在我國的3G頻率劃分中，主要工作頻段上下行的頻差為190MHz），因此上下行信道之間的相關性較弱，加上城區(qū)中復雜的無線傳播環(huán)境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行鏈路理想的發(fā)送方案是比較困難的，對算法的復雜度也有更高的要求。但是由于對系統(tǒng)性能改善方面的重要作用，所以關于FDD系統(tǒng)中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。在英國進行的TSUNAMI 項目，在DCS1800系統(tǒng)的基礎上，通過使用8副各自由8個元素構成的天線陣列對智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡中的性能情況進行了現(xiàn)場試驗，對各種自適應算法進行了比較，

28、并且發(fā)布了如下的一些試驗結果： （1）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結構中，當信號到達方向相差10度以上的時候，通過使用智能天線，系統(tǒng)獲得了達到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%； （2）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結構中，通過使用8元素的智能天線，系統(tǒng)容量增加了300%； （3）微蜂窩的網(wǎng)絡結構下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大部分自適應算法也能夠取得相當?shù)男阅茉鲆?。需要對微蜂窩的情況進行更深入的研究。 在此之后的SUNBEAM項目把在DCS1800系統(tǒng)上的試驗結果進行了擴展，對智能天線在3G WCDMA中的應用進行了研究；與此同時，在美國、日本和韓國等地方也報告了關于智能天線性能的相關試驗和研究結果。1

29、.6 本章小結由于智能天線有著非常誘人的應用前景，許多國家都投入了大量的人力物力對該技術進行研究，并取得了一些成就。概括地講，目前研究主要解決了以下兩方面的問題：（1）研究論證了智能天線在不同移動通信系統(tǒng)中應用的可行性和有效性，建立了一些技術試驗平臺，并且在一定的條件下（從目前情況來看，智能天線正逐步應用在固定無線接入系統(tǒng)中，即用戶固定無線傳播環(huán)境不斷變化的情況）實現(xiàn)了智能天線技術，驗證了智能天線在提高移動通信系統(tǒng)性能中表現(xiàn)出的強大優(yōu)勢。（2）研究了智能天線基本結構以及功能模塊，并提出了一些智能天線的性能度量準則和自適應波束形成的算法。由于智能天線是移動通信中一項新技術，目前該技術尚處于發(fā)展的

30、初級階段，還有很多問題仍未解決，其中智能天線的跟蹤速度問題顯得尤為突出。智能天線是依照一定的性能度量準則，采用一定的自適應算法來調(diào)節(jié)陣元加權值，從而實現(xiàn)對用戶的捕獲和跟蹤，智能自適應算法是智能天線技術的核心和關鍵。目前各種自適應算法普遍存在計算量大、速度慢的問題，無法實時地捕獲和跟蹤移動用戶，這成為限制智能天線應用的主要問題。第二章 智能天線2.1概述簡單的說，智能天線就是能夠利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調(diào)整發(fā)射和接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境達到性能最優(yōu)的天線。就是天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號情況實時進行自適應變化，即智能天線利用數(shù)字信號處理技術，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主

31、波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。2.2智能天線的分類智能天線根據(jù)采用的天線方向圖的形狀，可分為兩類：多波束智能天線和自適應智能天線。 由于體積和技術等原因，這兩類智能天線目前都僅限于在基站系統(tǒng)中的應用。1. 多波束智能天線多波束智能天線主要采用的是波束轉(zhuǎn)換技術，因此，也稱為波束轉(zhuǎn)換天線。它是在把用戶區(qū)進行分區(qū)（扇區(qū)）的基礎上，使天線的每個波束固定指向不同的分區(qū)，使用多個并行波束就能覆蓋整個用戶區(qū)，從而形成了形狀基本不變的天線方向圖。當用戶在小區(qū)中移動時，根據(jù)測量各個波束的信號強度來跟蹤移動用戶，并能在移動用戶移動

32、時適當?shù)剞D(zhuǎn)換波束，使接收信號最強，同時較好地抑制了干擾，提高了服務質(zhì)量。2. 自適應智能天線自適應智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向（既可接收又可發(fā)送）天線。它基于自適應天線原理，采用現(xiàn)代自適應空間數(shù)字處理技術，通過選擇合適的自適應算法，利用天線陣的波束賦形技術動態(tài)地形成多個獨立的高增益窄波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，同時旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，以增強有用信號、減少甚至抵消干擾信號，提高接收信號的載干比，同時增加系統(tǒng)的容量和頻譜效率。從空分多址技術角度來說，它是利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，從而最大限度地利用有限的信道資源，增加系統(tǒng)的容量

33、和提高頻譜效率。從雙向天線的角度來講，智能天線包括兩個重要組成部分：一是對來自移動臺發(fā)射的多徑電波方向進行到達角估計，并進行空間濾波，抑制其他移動臺的干擾。二是對基站發(fā)送信號進行波束形成，使基站發(fā)送信號能夠沿著移動臺電波的到達方向發(fā)送回移動臺，從而降低發(fā)射功率，減少對其他移動臺的干擾。2.3智能天線的基本原理與結構智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數(shù)加權器，最后用相加器進行合并輸出。這種結構的智能天線只能完成空域處理。同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對較復雜，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網(wǎng)絡（結構上與時域有限沖擊響應均衡器相同）。自適應或智能的主

34、要含義是指這些加權系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應算法進行自適應更新調(diào)整。2.3.1智能天線的基本原理智能天線的基本原理就是根據(jù)一定的接收準則自動地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權值，以實現(xiàn)最優(yōu)接收和發(fā)射。從空間響應來看，智能天線是一個空間濾波器，它在信號入射方向上增益最大，在干擾信號入射方向上形成零陷或低陷。下面以直線陣為例，說明智能天線的基本原理。假設滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天線所走路線的長度差來決定。若入射信號為平面波，則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權值，一定的入射信號強度，

35、不同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號強度也會不同。智能天線的工作原理可用下圖說明： 圖2-1 智能天線基本原理圖對于N元天線陣列，設信號自方向入射，陣元間距為d，接收信號功率為P，以第1個天線單元為參考，則第i個天線單元的相位延遲為，其中，為電磁波波長。天線陣列接收信號可以用下面的矢量表示 （2-1）式中V（a）為天線陣在方向上的響應矢量。設，分別表示有用信號、干擾信號的天線陣響應矢量，分別為有用信號和干擾信號矢量，M為干擾信號個數(shù)，N（t）為噪聲矢量。則經(jīng)過加權的天線陣輸出X（t）可表示為下式 （2-2）智能天線的目的就是確定最佳權值矢量W，己達到提取有用信號，抑制干

36、擾信號濾除噪聲信號的目的。智能天線的方向圖根據(jù)權值的變化而變化，它不同于全向天線，而更接近定向天線的方向圖，即有主瓣、副辯等，但相比而言，智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主，副瓣大小、位置關系和較大的天線增益。它和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權值對應著不同的方向圖，可以通過改變權值來調(diào)節(jié)天線方向圖，即天線模式。理想的智能天線就是要使天線方向圖的主瓣對準目標用戶方向，零瓣對準干擾信號方向。智能天線的方向圖是隨著權值的改變而動態(tài)變化的，智能天線正是通過自適應調(diào)整權值的來抑制干擾、提高信噪比，進而提高移動通信系統(tǒng)性能。2.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結構通常智能天線系統(tǒng)由3部分組成：實現(xiàn)信號空間采樣的

37、天線陣、對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網(wǎng)絡、更新合并權值的控制部分，其基本結構如下圖2-2所示。圖2-2典型的智能天線系統(tǒng)結構示意圖天線陣列部分根據(jù)天線陣元之間的幾何關系，陣列形狀大致可劃分為：線陣、面陣、圓陣等，甚至還可以組成三角陣、不規(guī)則陣和隨機陣。天線陣的配置方式對智能天線性能有著直接的影響。在移動通信應用中天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。因為直線陣已被證明更適合于市區(qū)移動通信環(huán)境。天線陣元數(shù)一般取4到16。因為一方面天線陣元數(shù)越多，系統(tǒng)增益也就越高；但另一方面陣元數(shù)的增加會使射頻通道相應增加，會導致基站成本上升過大，所以智能天線的天線數(shù)不能過大。陣元間距一般為半個波長，因為如果陣元

38、間距過大，接收信號的彼此相關程度會降低：間距過小，會在天線的方向圖上形成不必要的柵瓣（有較大甚至和主瓣高度相同的旁瓣）。波束成型網(wǎng)絡部分主要完成數(shù)模轉(zhuǎn)換和天線方向圖的自適應調(diào)整。每個天線陣陣元上都有ADC和DAC，將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將待發(fā)射的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，完成模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換。所有收發(fā)數(shù)字信號都通過一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號處理器連接。天線方向圖的調(diào)整是根據(jù)控制部分得到的權值調(diào)節(jié)天線輸出來實現(xiàn)的。控制部分（即算法部分）是智能天線系統(tǒng)的核心部分，其功能是依據(jù)信號環(huán)境、按某種性能度量準則和自適應算法，選擇或計算權值。智能天線系統(tǒng)是由上面三部分組成的一個自適

39、應控制系統(tǒng)，它根據(jù)一定的自適應算法自動調(diào)準天線陣方向圖，使它在干擾方向形成零陷或低陷，在信號到達方向形成主瓣，從而達到加強有用信號，擬制干擾信號的目的。智能天線系統(tǒng)的基本工作流程可以簡單概括如下：（1）系統(tǒng)將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣，然后將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲在內(nèi)存中。（2）處理器將立即分析樣本，對無線環(huán)境進行評估，確認有用用戶所在的位置。（3）處理器對天線信號的組合方式進行計算，力爭最佳地恢復用戶的信號。（4）系統(tǒng)將進行模擬計算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。（5）在上述處理的基礎上，系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號，從而使這些信道成為雙向信道。以上介紹

40、了智能天線的基本結構、原理以及工作流程，在工程實際中智能天線的工作原理更復雜，并且每一部分的實現(xiàn)和結構往往根據(jù)所應用的系統(tǒng)不同而略有不同。2.4 自適應波束形成算法在智能天線技術中，需要根據(jù)不同的用戶確定不同的權值以實現(xiàn)對用戶地跟蹤。這些確定權值的算法統(tǒng)稱為智能自適應算法，它是智能天線技術的核心。自適應算法決定著天線陣的暫態(tài)響應速率和實現(xiàn)電路的復雜程度。因此，自適應算法的研究一直是人們關注的焦點。自適應波束形成技術經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向成熟，已有的自適應波束形成算法大致可分為三大類：基于參考信號的波束形成，基于來波波達方向（DOA）的波束形成，基于信號結構特性的盲波束形成。（1）基于

41、參考信號的波束形成。這類算法需要發(fā)射端向接收端發(fā)射訓練序列或?qū)ьl信號來產(chǎn)生接收端參考信號。2G-GSM系統(tǒng)可以用專用碼訓練序列，3G-UMTS系統(tǒng)用戶可以使用專用導頻。其對應自適應波束形成可以采用最小均方（LMS，Least Mean Squares）算法，遞歸最小二乘（RLS）算法，直接矩陣求逆（DMI）等算法。這類算法不需要確定信號的DOA，有較強的健壯（Robust）性，一般不需要較正，可以結合最佳多徑從而降低衰落影響。這種方式一般需要精確同步，并要求高的更新率；時延擴展小時性能很好；對于頻分雙工體制，不能從上行接收信息確定下行波束權矢量。（2）基于來波方向的波束形成。這類算法需要DOA

42、估計技術的支持，不需要參考信號的信息。算法一般包括DOA估計和基于DOA的波束調(diào)整兩部分?；趤聿ǚ较虻牟ㄊ纬杉夹g中，DOA估計非常重要，目前已有多種DOA估計算法，如多重信號分類（MUSIC，Multiple Signal Classification）和借助旋轉(zhuǎn)不變技術估計信號參數(shù)（ESPRIT，Estimation Signal Parameters via Rotational In variance Techniques）算法。此類算法先估計出方向向量，再利用線性約束最小方差（LCMV）準則形成權值。為提高精度，還可以利用特征空間算法得到更佳的權值。但此類算法有一個共同的特點，每個

43、入射波前的方向先被估計，同時產(chǎn)生一個波束形成器恢復來自該方向上的信號。這類算法一般要求天線陣列流形是確知的，而實際系統(tǒng)的流形誤差是不可避免的，故陣列必須是校正過的。此類算法的另一優(yōu)點是非常適合于頻分雙工系統(tǒng)。（3）盲波束形成算法。盲波束形成算法的目的與非盲算法類似，都是為了確定一組權矢量而使接收信號的質(zhì)量最好。但盲波束形成算法不需要訓練序列，它利用時間、空間、碼字結構、或陣列流形來實現(xiàn)同樣的功能。這種盲波束形成技術的主要優(yōu)點是：波束形成器與信道的空間性質(zhì)或陣列的校正無關?？傊灰谕盘柧哂信c噪聲和干擾不同的特性，就可以設法估計出期望信號的陣列方向向量。然后用它作為導向向量進行自適應波束形成

44、。通常信號的典型統(tǒng)計性質(zhì)有非高斯性和循環(huán)平穩(wěn)性等，典型的確定性性質(zhì)則包括恒模性、有限符號集特性等。利用這類性質(zhì)構成了一類新的波束形成算法即盲波束形成算法。典型的盲波束形成算法有恒模（CMA）算法等。第三章 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法近年來，無線通信中使用智能天線提高系統(tǒng)容量和減少干擾已是一個重要課題。智能天線的自適應波束形成可以提高無線鏈路中的信干噪比，減少信道阻塞，增加總的系統(tǒng)容量。通過加權形成的波束以近似零增益波瓣對準多徑信號和強干擾信號源，同時以高增益波瓣對準期望信號源，可以減小干擾，降低用戶發(fā)射功率，使多個移動用戶共享同一個信道與基站進行通信。由于這些陣列中的加權形成波束的操作可以

45、在基帶中完成，因此現(xiàn)在已可以用DSP來實現(xiàn)。一般的自適應波束形成技術存在主瓣干擾時，會出現(xiàn)副瓣電平增高及主波束變形的現(xiàn)象。本章采用了基于阻塞矩陣預處理（BMB）的自適應波束保形方法，方法分兩步：首先對主瓣干擾進行方位估計，利用所得方位結果對接收的信號作預處理，再進行自適應波束形成。以下的分析基于這樣一個假設：主瓣內(nèi)存在一個干擾，而對副瓣內(nèi)的干擾數(shù)目沒有限制。3.1常規(guī)的自適應波束形成算法考慮等間距排列的 M元窄帶線性陣列，陣列單元間距，為工作波長，并假設各通道噪聲為相互獨立的零均值高斯白噪聲，且與信號不相關，方差為，則陣列接收的干擾噪聲信號可表示為 （3-1）式中個干擾信號的復包絡； 通道噪聲

46、；個干擾信號的方向矢量，其中 第個干擾信號的入射角度，并有。干擾噪聲協(xié)方差矩陣為 （3-2）式中干擾協(xié)方差矩陣，根據(jù)線性約束最小方差準則，求得最佳自適應權為 （3-3）式中常數(shù)；維靜態(tài)波束導向矢量。所求得的最佳自適應權能保證在信號進入的前提下，在干擾方向上形成零陷，從而有效地抑制掉干擾。 但是當存在主瓣干擾時 ，自適應波束形成技術將在主瓣形成一個深的零陷，顯然這將導致主波束變形 ，且峰值偏移、副瓣電平增高。3.2基于等距線陣的統(tǒng)計模型為方便起見，仍以平面空間的等距線陣為例。設陣元數(shù)為，陣元間距為，共有個信源，其中。設波達方向為，并以第1個陣元為基準點，各信源在基準點的復包絡分別為。則在第個陣元

47、上第次快拍的采樣值為 （3-4）式（3-4）中表示第個陣元上加性高斯白噪聲的第次快拍。將各個陣元上第次快拍的采樣寫成向量形式 （3-5）其中 （3-6） （3-7） （3-8） （3-9）陣列可以獲取許多次快拍的觀測數(shù)據(jù)，為了充分利用這些數(shù)據(jù)以提高檢測可靠性和參數(shù)估計的精度，可采用累計的辦法，但用數(shù)據(jù)直接累計是不行的，因為隨變化，且其初相通常為均勻分布，一階統(tǒng)計量（均值）為零。但它的二階統(tǒng)計量由于可以消去的隨機初相，所以能反映出信號向量的特征。陣列向量的二階統(tǒng)計量用其外積的統(tǒng)計平均值表示，稱之為陣列協(xié)方差矩陣，定義為 （3-10）將式（3-4）代入式（3-10），考慮到與是統(tǒng)計獨立的，于是可得

48、 （3-11）式（3-11）中，是信源部分的協(xié)方差矩陣。由于各個陣元的噪聲強度相等且彼此互不相關，故其協(xié)方差矩陣為。容易驗證，陣列協(xié)方差矩陣滿足。這說明，陣列協(xié)方差矩陣屬于Hermite矩陣，它的特征值為正值。令特征值為，則協(xié)方差矩陣的特征值分解可以寫成 （3-12）式（3-12）中，是由特征向量組成的酉矩陣，是由特征值構成的對角矩陣。比較式（3-12）和式（3-11）可知，若將的個特征值從大到小依次排列，則前個與信號有關，其數(shù)值大于，即，第開始的特征值完全取決與噪聲，其數(shù)值等于，即。因此，可以將的個特征向量分成兩個部分：一部分是和對應的特征向量，它們張成的空間稱為信號子空間；另一部分是和最小

49、特征值對應的特征向量，它們張成的空間稱為噪聲子空間。由 （3-13）可知各方向向量（方向矩陣的各列）均位于信號子空間里，它們與噪聲子空間正交。3.3主瓣干擾對算法的影響天線在實際的應用中，由于大量密集而強大的干擾，使得帶寬的選擇受到限制，很難找到較寬的且干凈的頻帶。要么降低帶寬，要么在滿足帶寬的前提下抑制干擾。因此帶寬的選擇要兼顧距離分辨力和干擾的影響，較為理想的辦法是在滿足帶寬的要求下抑制干擾。有源干擾的抑制方法，無非是根據(jù)信號和干擾在空域、頻域和時域的差異，在不同的域中進行分離抑制。利用空間兩路相減獲得干擾信號，再進行時域自適應干擾對消的方法抑制副瓣干擾，可以取得較好的效果，但對于從主瓣進

50、入的干擾該方法無能為力。由于主瓣干擾在空域上和有用信號沒有區(qū)別，故只能考慮在頻域和時域上加以區(qū)分。常規(guī)的方法是對主瓣內(nèi)的有源射頻干擾進行頻率躲避，或者根據(jù)干擾信號的極化濾波處理，發(fā)射信號的頻率躲避必然會限制帶寬的利用率。為此，有些學者提出了頻譜不連續(xù)的思想：考慮到窄帶干擾占據(jù)信號帶寬的一部分，用凹口濾波器零陷被干擾污染的頻段，得到間斷的頻譜，各帶寬之和滿足總帶寬的要求，其缺點是零陷干擾的同時將有用信號也濾除掉了，脈壓后的相對旁瓣大幅度抬高，且對凹口濾波器的設計提出較高的要求。自適應波束形成技術抑制干擾應用的基本思想是：在保證信號進入的前提下，使天線方向圖在對準干擾的方向自適應形成零陷，從而抑制

51、掉干擾。我們知道，當干擾從副瓣進入時，自適應波束形成技術有著優(yōu)良的性能，關于這方面的研究有大量的文獻報道。然而在現(xiàn)代復雜電磁環(huán)境下，干擾很可能從主瓣進入，當存在主瓣干擾時，自適應波束形成技術便暴露出兩個嚴重的缺陷23：一是副瓣電平增高 ，這將導致虛警概率的急劇上升；二是主波束變形且峰值偏移，從而影響了測角的精度。這兩點嚴重地限制了自適應波束形成技術在主瓣干擾條件下的應用。究其原因，是由于自適應波束形成為抑制主瓣干擾，必須在主瓣內(nèi)形成零陷所致。 基于這點，由于在對接收信號作預處理中，就對消了主瓣干擾，因此接下來的自適應波束形成就不會在主瓣內(nèi)形成零陷，從而不會導致主波束變形及副瓣電平增高的現(xiàn)象。下

52、面我們將詳細分析該方法。3.4基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制3.4.1阻塞矩陣預處理首先利用空間譜估計方法對主瓣干擾進行方位估計，由于干擾強度遠遠大于目標信號及噪聲的強度，并且主瓣內(nèi)只存在一個干擾，因此空間譜估計法選用較為簡單的最小方差法即可，而不必選用復雜的空間譜估計法如MUSIC法等。最小方差法估計主瓣干擾方位的表達式為 （3-14）由于我們只對主瓣干擾定位，故上式的角度搜索范圍只需在主波束內(nèi)進行，從而大大減少了運算量。得到主瓣干擾的方位信息后，再對接收信號進行主瓣干擾相消預處理，設處理后的信號為Y ，則有 （3-15）式中為維的預處理變換矩陣 （3-16）其中，為主瓣干擾的方位角，相應的復包

53、絡為，實質(zhì)上是一個信號阻塞矩陣26，它利用相鄰天線單元進行相消處理來抑制主瓣干擾，設（3-17）預處理變換前，第個天線單元的接收信號為 （3-18）其中，經(jīng)過預處理變換后， 根據(jù)式（3-16），得到變換后的信號為 ，（3-19）其中， ，。比較式（3-18）和式（3-19），可以看出預處理變換改變了信號的復包絡，但不改變信號的波達方向，并且對于主瓣干擾，其復包絡，因此，預處理變換有效地抑制了主瓣干擾，并且不會影響后續(xù)自適應波束形成處理對其它副瓣干擾的零陷形成。3.4.2波束形成對接收信號進行預處理變換后，第二步就是進行一般的自適應波束形成，變換后的信號協(xié)方差矩陣為 （3-20）從上式可看出，中

54、的噪聲項不再代表一個白噪聲的協(xié)方差矩陣， 因此需進一步進行白化處理 （3-21）實際進行上式的白化處理時需要估計，這時，需對作特征分解，求出個最小特征值，取它們的平均值即為估計值；L為一適當?shù)膶羌虞d量，以彌補 的估計誤差，從而進一步降低旁瓣，一般取即可。最后，可求得自適應權為 （3-22）上述的BMB波束保形方法能在抑制主、副瓣干擾的同時，有效地解決波束畸變的問題。但是該方法需要較準確地估計主瓣干擾的方位，當方位估計存在誤差時，由于不能有效地對消主瓣干擾，性能將要下降。綜上所述，當采樣數(shù)據(jù)中包含目標信號且同時有一個主瓣干擾情況下阻塞方法處理原理見圖 3-1。圖3-1 阻塞方法抑制干擾原理圖3

55、.5仿真實驗及結果分析通過計算機仿真來考查阻塞矩陣方法抑制干擾的性能，以及當阻塞方向與主瓣干擾方向有偏差時對抑制干擾性能的影響。仿真1：等距均勻線陣，陣元數(shù)為8，陣元間距，目標信號在方向，信噪比為20dB，三個互不相關的干擾信號分別從、和入射到陣列上，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內(nèi)。仿真時取快拍數(shù)為200。如圖3-2所示。圖3-2 陣元數(shù)為8干擾為3波束的方向圖由圖3-2可以看出，用阻塞矩陣方法得到的方向圖，在信號方向及主瓣內(nèi)干擾方向都沒有形成零點，因此主波束沒有畸變。而用常規(guī)的數(shù)據(jù)矩陣求逆法得到的自適應方向圖除了在干擾方向形成零點，在信號及主瓣內(nèi)干擾方向也形成了零點，方向圖變形嚴重，而且副瓣電平比阻塞矩陣方法得到的副瓣要得多。增加干擾數(shù)，進行第2個仿真。仿真 2：等距均勻線陣，陣元數(shù)為8，陣元間距，目標信號在方向，信噪比為20dB，八個互不相關的干擾信號分別從、和入射到陣列上 ，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內(nèi)。仿真時取快拍數(shù)為200。如圖3-3所示。圖3-3 陣元數(shù)為8干擾為8波束的方向圖由圖3-3可以看出，當陣元數(shù)仍為8，干擾數(shù)增加到8的情況下，利用阻塞矩陣方法就不能很好的抑制干擾。智能天線的原理已經(jīng)被