MIMO移動通信系統(tǒng)中的終端多天線設計

1、電子科技大學碩士學位論文MIMO移動通信系統(tǒng)中的終端多天線設計姓名：肖偉宏申請學位級別：碩士專業(yè)：電磁場與微波技術(shù)指導教師：聶在平20060401摘要摘要盡管第三代移動通信技術(shù)正方興未艾，新一代移動通信技術(shù)已初露端倪。其高質(zhì)量、高速率的移動多媒體傳輸目標令人神往。然而，實現(xiàn)這一目標并非易事，傳統(tǒng)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)顯得極其蒼白無力。即使采用常規(guī)發(fā)射分集、接收分集以及智能天線技術(shù)，同樣也不足以滿足新一代無線通信系統(tǒng)對大容量與高可靠性的需求?？尚业氖?，多入多出（）無線通信技術(shù)為解決該問題提供了全新的途徑，它在無線鏈路收發(fā)兩端均采用多天線，充分開發(fā)空間資源，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地

2、提升了通信系統(tǒng)的容量與可靠性。當然，機遇與挑戰(zhàn)總是并存的，與常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，通信系統(tǒng)中多天線的應用面臨著大量亟待研究的問題。優(yōu)異的多天線性能是系統(tǒng)實現(xiàn)其各種優(yōu)勢的根本保障，本文以項目“新型天線與分集技術(shù)研究”為契機，圍繞移動終端多天線設計這一主題展開了系統(tǒng)的研究。本文在介紹了系統(tǒng)移動終端天線基本理論的基礎上，詳細闡述了系統(tǒng)移動終端天線的設計方法，提出了適合于移動終端的三種可穿戴式天線及三種內(nèi)置微帶貼片天線：并通過天線各參數(shù)的測量以及系統(tǒng)試驗平臺的外場測試對所設計天線進行了驗證。首先，本文簡要回顧了研究的相關(guān)背景，通過對現(xiàn)代移動通信的發(fā)展及其所面臨的挑戰(zhàn)和急需解決的問題的總結(jié)，了解了

3、通信技術(shù)引入的必然性；在此基礎上，對移動通信技術(shù)進行了系統(tǒng)的闡述，包括傳統(tǒng)的系統(tǒng)以及智能天線系統(tǒng)向系統(tǒng)的演進，移動通信技術(shù)基本原理，系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容和國內(nèi)外研究動態(tài)。其次，結(jié)合系統(tǒng)終端多天線設計要求，概括了現(xiàn)有系統(tǒng)終端天線的主要形式及特點，闡述了決定多天線布局的天線分集形式，給出了分集性能的衡量標準：并在此基礎上，提出了適合于本試驗平臺的移動終端多天線設計思想與技術(shù)途徑，即通過采用分集技術(shù)、改善單元天線方向圖、實現(xiàn)天線的小型化與雙極化使所設計多天線滿足系統(tǒng)的需求，在具體實施方案上，明確了外置可穿戴式天線與內(nèi)置微帶貼片天線兩種方案。接著，本文介紹了微帶天線設計及在移動終端多天線系統(tǒng)中的應用，概

4、述了微帶天線的分類、優(yōu)缺點、分析方法及饋電方式，給出了移動終端微帶天摘要線小型化、雙極化的具體方案。然后，本文重點介紹針對不同的適用情況，所設計的移動終端外置可穿戴式天線與內(nèi)置微帶貼片天線。其主要包括腰帶式可穿戴天線、腰包式可穿戴天線、電抗加載的雙極化微帶貼片天線、采用高介電常數(shù)磁性材料作為介質(zhì)基片的的垂直、水平極化與。雙極化微帶貼片天線。通過對天線各參數(shù)測量的結(jié)果分析表明，可穿戴式天線提升了分集單元數(shù)目，豐富了分集形式，降低了天線的人體吸收率（）；內(nèi)置微帶貼片天線雖然占據(jù)著極小的空間，卻利用雙極化技術(shù)獲取了極化分集增益；各種天線均較好的滿足了系統(tǒng)對終端天線的要求。最后，為驗證所設計移動終端多

5、天線的性能，我們將其用于系統(tǒng)試驗平臺，進行了一系列的實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析和討論。從實驗結(jié)果可以看出，所設計多天線可以獲得良好的分集效果，達到了預期的設計目標。關(guān)鍵字：多輸入多輸出，天線分集，可穿戴天線，雙極化，小型化訂（），（），（），。出，（），：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名：緇日期：伽緝牛

6、月柏關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學位論文作者完全了解電子科技大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）繇監(jiān)生磚燧期：第一章引言第一章引言近十年來，無線局域網(wǎng)和移動通信飛速發(fā)展，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與日俱增。如何在有限的頻譜內(nèi)滿足不斷增長的用戶數(shù)、更高的傳輸速率和保證更高的通信質(zhì)量是一個重要而緊迫的課題。上世紀年代中后期，貝爾實驗室、等學者率先將多入多出【】，即（）概念應用

7、到移動通信系統(tǒng)中，并從理論和實驗上證明了能夠大大提高移動通信系統(tǒng)的容量和質(zhì)量，引起了各國學者的極大關(guān)注，使技術(shù)在短暫的幾年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已被公認為是新一代移動傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了能夠從根本上了解移動通信技術(shù)，本章首先簡要回顧移動通信的發(fā)展歷程，了解當今移動通信所急需解決的幾個問題。然后闡述移動通信技術(shù)的原理，并通過與單天線系統(tǒng)以及智能天線技術(shù)的比較分析，得出移動通信技術(shù)的各種優(yōu)勢。最后簡單介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本文的主要工作與組織結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代移動通信發(fā)展概述現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展移動通信【】是被廣泛應用的一種通信手段，它可以使人們不受時間、地點、環(huán)境的限制而進行相互通信。雖然移動通

8、信在世紀年代就己經(jīng)出現(xiàn)，但自年代貝爾實驗室提出蜂窩系統(tǒng)的概念和理論以來才得以飛速發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，其已經(jīng)成為多種網(wǎng)絡、多種制式、覆蓋范圍廣、用戶眾多的通信系統(tǒng)?？v觀移動通信發(fā)展歷程，第一代系統(tǒng)已成為過去，第二代系統(tǒng)正如日中天，第三代系統(tǒng)方興未艾，第四代系統(tǒng)初露端倪。第一代模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)【】（）從上世紀年代開始發(fā)展，主要采用頻分多址（）、模擬調(diào)頻技術(shù)，主要業(yè)務為電話，典型代表如美國的，歐洲的，北歐的以及日本的等。模擬移動通信系統(tǒng)存在著一些致命的弱點，比如：各系統(tǒng)間沒有公共接口；數(shù)據(jù)承載業(yè)務很難開展；頻譜利用率低，無法適應大容量的需求；安全保密性差，易被竊聽，易做假機以及移動終端要進一步

9、實現(xiàn)小型化、低功耗、低價格的難度較大等。另外，隨著用戶電子科技大學碩士學位論文數(shù)量的急劇增加，蜂窩網(wǎng)絡容量的需求不斷擴大。雖然增加蜂窩網(wǎng)絡容量可以通過增加基站和減小基站小區(qū)的覆蓋面積而得到；但是，在城市密集區(qū)，再增設基站往往已經(jīng)變得非常困難且費用昂貴。因此，為克服第一代系統(tǒng)的局限性，世界上一些發(fā)達國家自年代中期就開始了第二代移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。第二代移動通信系統(tǒng)（）即目前廣泛使用的、一等系統(tǒng)，是從上世紀年代發(fā)展起來的，為數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，主要采用時分多址（）和碼分多址（）技術(shù)。與第一代模擬蜂窩系統(tǒng)相比，第二代移動通信系統(tǒng)在幾個主要方面如：多址方式、調(diào)制技術(shù)、話音編碼、信道編碼和分集接收技術(shù)

10、等采用了數(shù)字技術(shù)。因此，其具有如下優(yōu)點：采用數(shù)字技術(shù)，增加了設備的集成度，降低了終端尺寸采用了高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，大大增加了系統(tǒng)的有效容量采用低功耗系統(tǒng)，增加了終端待機時間采用了信源和信道編碼技術(shù)，具有了抗干擾能力采用了靈活的帶寬配置提供了新的服務能力由于具有上述優(yōu)點，第二代系統(tǒng)在過去幾年內(nèi)取得了前所未有的巨大成功。然而，隨著其不斷的發(fā)展，高速增長的用戶數(shù)與有限的系統(tǒng)容量、有限的業(yè)務之間的矛盾漸趨明顯。這一矛盾突出表現(xiàn)在系統(tǒng)通信容量不足，業(yè)務單一，無法實現(xiàn)某些高速率數(shù)據(jù)（如多媒體數(shù)據(jù)）業(yè)務的應用：另外，因為各國通信標準不統(tǒng)一，系統(tǒng)不兼容，無法實現(xiàn)全球漫游。這就從根本上促進了第三代移動通信的發(fā)展

11、。第三代移動通信系統(tǒng)（）最早在年由國際電信聯(lián)盟（）提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)（），年更名為（國際移動通信一），該系統(tǒng)工作在頻段，最高業(yè)務速率可達。其首選技術(shù)為寬帶（），主要備選方案有歐洲及日本提出的，美國提出的，以及我國提出的。相較與，具有以下幾個方面的特性：全球化。是一個全球性的系統(tǒng)，它包括多種系統(tǒng)，在設計上具有高度的通用性，該系統(tǒng)中的業(yè)務以及它與固定網(wǎng)之間的業(yè)務可以兼容，實現(xiàn)全球漫游。多媒體化。具有多媒體傳輸能力，系統(tǒng)能在低速移動的情況下，實現(xiàn)綜合慢速視頻數(shù)據(jù)的傳輸。第一章引言綜合化。能把現(xiàn)存的各類移動通信系統(tǒng)綜合在統(tǒng)一的系統(tǒng)中，以提供多種服務。智能化。主要表現(xiàn)在智能網(wǎng)的引入，

12、移動終端和基站采用軟件無線電技術(shù)。在積極推進的同時，第四代移動通信【】（）也初顯端倪?？梢栽诓煌墓潭?、移動平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡中提供移動服務，可以在任何地方快速接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信），能夠提供信息通信之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。同時，還是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)、多媒體移動通信系統(tǒng)和寬帶接入系統(tǒng)?？傊?，正在向著移動通信發(fā)展的最終目標一一個人通信（實現(xiàn)任何人（）可以在任何地點（）任何時間（）與其他任何人（）進行任何方式（）的通信）積極邁進?，F(xiàn)代移動通信所面臨的挑戰(zhàn)和急需解決的問題經(jīng)過多年的發(fā)展，移動通信系統(tǒng)無論在商業(yè)上還是在技術(shù)上都取得了巨大的成功，然而以下幾個

13、問題卻制約著它的進一步發(fā)展，成為移動通信所急需解決的問題，也是業(yè)界主要研究的方向。首先是信道容量的問題。眾所周知，電磁頻譜作為一種自然資源，各個區(qū)域、各種系統(tǒng)所能使用的頻段都受到嚴格的限制，而移動通信系統(tǒng)所能使用的頻率更是相當有限。然而，隨著移動通信的迅猛發(fā)展，通信用戶急劇增加，使得移動通信系統(tǒng)本來就不寬裕的頻譜資源越來越緊張。如何有效的提高頻譜利用率，在有限的頻段內(nèi)容納更多的用戶，提供更多的服務成為一個急需解決的問題。為此，和采用了諸多編碼、調(diào)制等技術(shù)來應對這一問題：然而無論采用何種技術(shù)，傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)在通信上存在一個不可突破的極限一一由信道容量公式所計算出來的信道容量；與此同時，移動通信

14、仍在飛速的發(fā)展，通信用戶仍在進一步的增多。因此，尋求新的技術(shù)方案以進一步提高信道容量仍是一個急需解決的問題。其次是通信質(zhì)量的問題，這主要是由移動通信的自身特征引起的。一、移動通信中信號的傳輸媒質(zhì)即為我們所在的這個自由空間，因此，各種地勢、建筑以及人的各種活動勢必導致信號傳輸過程中的反射、折射、繞射、散射以及損耗等，即導致信號的衰落。二、由于各個用戶、各種信號均采用自由空間這一相同的傳輸環(huán)境，使得各信號之間的相互干擾變得難以避免。正是由于信號的衰落和干擾電子科技大學碩士學位論文使得在通信過程中，接收機信號接收電平具有極強的不確定性，這在由多徑所引起的小尺度衰落中特別明顯，這種衰落可能使得在極短的

15、時間內(nèi)，信號接收電平相差幾十個分貝。因此，如何在通信過程中保證通信質(zhì)量成為移動通信所急需解決的又一個問題。最后是數(shù)據(jù)傳輸率的問題。隨著多媒體業(yè)務的快速發(fā)展，越來越多的用戶希望能夠?qū)崟r地傳輸圖片、視頻、音樂等多媒體資料以及瀏覽等。這些對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率提出了極高的要求，所提供的顯然離這一理想相距甚遠；盡管為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，在基礎上的一些改進技術(shù)（稱作或），如通用分組移動業(yè)務（）技術(shù)與數(shù)據(jù)率增強型全域演進（）技術(shù)等相較大大的提高了傳輸速率，然而其數(shù)十至數(shù)百的傳輸速率也同樣無法滿足這一高速率需求；就連的的傳輸速率也極可能在短的時間內(nèi)達到飽和。因此，如何進一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率成為了移動通信所急需解決

16、的又一問題。為了解決上述三個問題，上世紀年代中后期，貝爾實驗室、等學者率先將概念應用到移動通信系統(tǒng)中，并從理論和實驗上證明了，結(jié)合通信技術(shù)與先進的信號處理技術(shù)，可以在不增加額外的頻段和功率的情況下，成倍提高移動通信系統(tǒng)的容量、質(zhì)量以及傳輸速率。這一理論的提出引起了各國學者的極大關(guān)注，使技術(shù)在短暫的幾年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已被公認為新一代移動傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。移動通信技術(shù)所謂多入多出（），即在無線鏈路兩端均采用多天線，分別同時接收與發(fā)射，充分利用信號空域信息，建立空間并行傳輸通道，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍提高移動通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率。相較于傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)，通信技術(shù)最大的優(yōu)

17、勢在于其出發(fā)點為利用傳播環(huán)境中的多徑信息而不是抑制多徑信息。傳統(tǒng)單天線（）系統(tǒng)向系統(tǒng)演進傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)采用一副發(fā)射天線和一副接收天線，稱作單入單出（系統(tǒng)。系統(tǒng)在信道容量上具有一個不可突破的瓶頸容量限制。（）（）第一章引言式中，是容量，是接收天線的信噪比，是歸一化信道復增益，可見其信道容量沒有利用空間維度。不管采用何種調(diào)制技術(shù)、編碼策略或其他方法，無線信道總是給無線通信工程作了這個實際的物理限制。為了提高單天線系統(tǒng)的容量，人們采用了設置更多的基站、拓寬帶寬、加大系統(tǒng)發(fā)射功率等方法。然而，增設基站意味著采用更多的蜂窩，而在城市密集區(qū)，要增設基站已經(jīng)變得非常困難且費用昂貴。拓寬頻帶，必將導致與現(xiàn)行

18、系統(tǒng)不兼容的問題，其代價也是相當昂貴的。加大系統(tǒng)發(fā)射功率姑且不論可能引起人的健康狀況的變化，對硬件設計來說這也是非常困難的，因為功放器件在大功率區(qū)域下的線性工作特性是很難設計的。另外，散熱及發(fā)射功率的加大所引起的功率消耗也是移動終端要考慮的問題。為了進一步尋求提高系統(tǒng)容量的方法，人們提出了天線分集技術(shù)，即在無線鏈路的一端采用多天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)。根據(jù)在無線鏈路中分集技術(shù)所使用的位置不同，我們可以將分集技術(shù)分為兩類，一為發(fā)射分集，一為接收分集。所謂發(fā)射分集，即在發(fā)射端采用多天線進行分集發(fā)射（）；所謂接收分集，即在接收端采用多天線進行分集接收（）。對于×的系統(tǒng)，發(fā)端包含副天線，

19、在發(fā)送端無信道狀態(tài)信息下，各發(fā)射天線支路平均分配發(fā)射功率，其信道平均容量【】【為（等。）（）式中，是第副發(fā)射天線到接收天線的子信道復增益，是接收天線的信噪比。對于×的系統(tǒng)，其信道平均容量【】引為：（卅）（）式中，是發(fā)射天線到第副接收天線的子信道復增益。式（）與式（）表明，信道容量隨發(fā)射或接收天線數(shù)目呈對數(shù)增長，分集系統(tǒng)利用空間維度提高了信道容量。和技術(shù)的進一步發(fā)展就自然產(chǎn)生了收發(fā)兩端同時采用多天線的系統(tǒng)系統(tǒng)。這部分的前驅(qū)工作有年推導出多天線高斯信道容量嘲、年提出算法與年等提出空時編科川，它們從理論和實驗上給出了令人振奮的結(jié)果，使移動通信技術(shù)的研究如雨電子科技大學碩士學位論文后春筍般涌

20、現(xiàn)。目前，國內(nèi)外很多科研院校與商業(yè)機構(gòu)都爭相對通信技術(shù)進行深入研究，技術(shù)正以前所未有的速度向前發(fā)展。智能天線系統(tǒng)向系統(tǒng)演進在常規(guī)術(shù)語中，智能天線是指在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)，它能夠在不利的傳播條件（如存在多徑衰落與干擾）下提供更可靠的通信鏈路。智能天線技術(shù)的核心思想在于聯(lián)合空間維度（自然擴展到時間維度）與天線分集。如果估計出各接收天線單元對期望發(fā)射信號的響應，就可以根據(jù)各響應選擇加權(quán)最優(yōu)合并它們，從而最大化平均合并信號電平而最小化噪聲與干擾。進一步，在多徑衰落中，信號完全丟失的概率隨獨立衰落的天線單元數(shù)目呈指數(shù)減小。智能天線可以分為兩類：開關(guān)波束陣（）和自適應陣列）

21、。開關(guān)波束陣列是一種易于工程實現(xiàn)的智能天線，它是將一個扇區(qū)分為多個微扇區(qū)口”，根據(jù)信號的空間方位，每隔數(shù)秒將主波束切換到最佳指向的微扇區(qū)，而抑制其他微扇區(qū)的干擾。自適應陣列天線的陣元間距約半波長，陣元方向圖相似，各陣元接收的信號經(jīng)加權(quán)合并后，接收信噪比（）可達最大。理論上，元自適應陣列最多抑制一）路干擾。開關(guān)波束陣列僅適于信號角度擴展較小的傳播環(huán)境，自適應陣列雖可以用于信號角度擴展較大的多徑傳播環(huán)境，但在高強度的多徑分量比較豐富的環(huán)境下，自適應天線系統(tǒng)抗衰落的能力是相當有限的”【”】，這是因為智能天線將移動信道的多徑傳播視為消極因素，從而加以抑制而不是利用【”。然而，我們所處的城市環(huán)境大多屬于

22、多徑豐富的傳播環(huán)境，為了迸一步有效的提升移動通信系統(tǒng)抗衰落的能力，貝爾實驗室等提出了移動通信技術(shù)，即采用增大陣元間距與角度擴展的方式，結(jié)合空時處理技術(shù)捕獲與分離多徑，充分利用而不是抑制多徑傳播，進一步開發(fā)空域資源，提高移動傳輸性能。移動通信技術(shù)原理由節(jié)與節(jié)，我們可以看出，移動通信技術(shù)源于天線分集與智能天線技術(shù)，它是天線分集與空時處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其技術(shù)本質(zhì)是空間分集與空間復用的結(jié)合：空間分集用以保證傳輸?shù)目煽啃?，空間復用則用以提高傳輸速率。第一章引言在傳統(tǒng)的移動通信理論中，多徑效應會引起移動信號的衰落，因而被視為一種不利因素，但如果在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(tǒng)，只要各天線單元間距足夠

23、大，移動信道的多徑分量足夠豐富，那么天線接收到的多徑信號的衰落就趨于獨立，技術(shù)就利用了這一特性。對于一個具有副發(fā)射天線和副接收天線的系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖所示：、多徑信道夕圖一移動通信系統(tǒng)框圖發(fā)射信號經(jīng)過空時編碼后形成路信息子流，以相同的頻率經(jīng)不同的天線同時發(fā)射出去，經(jīng)過多徑信道的傳播，這些并行子流以不同的路徑到達接收機，并由不同的天線接收，接收機利用空時解碼對各接收信號進行處理，并恢復出原始數(shù)據(jù)流。由于這些子流同時發(fā)送，占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應相互獨立，則可以創(chuàng)造多個并行空間信道。在年的開創(chuàng)性文章里首次指出：如果用于描述具有副發(fā)射天線與副接收天線的無線鏈路的

24、信道矩陣的元素是完全獨立衰落的，則該系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)目線性增長，而不是、情況下的對數(shù)增長，即。：卜【”曇刪”（）當天線數(shù)目較多時，平均容量為（，）（）（）式中，是容量，是各接收天線的信噪比，上標表示復共軛轉(zhuǎn)置，是×信道矩陣。式（）表明，理論上，對于理想的隨機信道，如果天線的空間和成本與射頻通道（）不受限制，系統(tǒng)就能提供無限大的容量。相較于式（）、式（），我們可以看出系統(tǒng)的容量提升幾乎難以置信，它是信息空間維度充分結(jié)合時間維度的結(jié)果，即采用空時編碼的數(shù)據(jù)流利用矩陣信道而不是智能天線系統(tǒng)中的向量信道傳輸數(shù)據(jù)。電子科技大學碩士學位論文系統(tǒng)主要研究內(nèi)容與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀雖然移動通信技術(shù)源

25、于天線分集技術(shù)與智能天線技術(shù)，但是系統(tǒng)在無需增加頻譜與發(fā)射功率下就可以獲得極大幅度的容量與可靠性提升，因此，其一經(jīng)面世即引發(fā)了大量的理論研究與外場實驗。自從年推導出多天線高斯信道容量、年提出算法與年等提出空時編碼以來，移動通信技術(shù)的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)。時至今日，數(shù)據(jù)庫收錄該領域的研究論文已達六千余篇，它們包含了移動通信技術(shù)的理論研究到實驗驗證以及商用化的各個方面，大致可以分為以下三個方面的內(nèi)容：移動傳播信道的測量與建?？諘r編碼（）方案的研究分集技術(shù)與多天線設計分集技術(shù)與多天線設計作為本文的主要研究內(nèi)容，將在后邊的章節(jié)中進行詳盡的闡述，本小節(jié)主要介紹信道和空時編碼的相關(guān)研究。移動信道的空間特征

26、是決定多天線系統(tǒng)性能的重要因素，而信道建模的任務就是用一系列的參量將多徑傳播的空間信息描述出來，比如多徑散射分布、角度擴展、接收端的平均達波角與發(fā)射端的平均去波角、收發(fā)多天線的配置布局等。為描述信道，人們提出了一系列的信道模型，歸納起來主要有三種，一種是非物理的統(tǒng)計模型【，它主要是基于對信道進行大量測量得出的統(tǒng)計特征，其優(yōu)點是簡單易行，缺點是易受測試環(huán)境及測試條件的限制，并難以分離測試的方法及設備對結(jié)果的影響。這類信道模型的典型代表有等提出獨立同分布（）復高斯信道模型、等提出的隨機信道模型等。另一種為物理確定模型【】，比如單環(huán)及雙環(huán)模型、等提出的室外分布散射模型、提出的電磁散射信道模型等，它借

27、助一些物理參數(shù)去描述信道的多徑特征，其典型參數(shù)包括達波角）、去波角（）等。由于實際中很多傳播環(huán)境是較為復雜的，僅用少數(shù)幾個參數(shù)無法準確地描述移動信道，因此，第三類建模方法是將前兩者結(jié)合起來的混合模型，同時具有前兩類模型的一些特點?？諘r編碼是一種基于多天線發(fā)送技術(shù)的編碼方案，它的主要思想是將多天線技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來，利用空間和時間上的雙重編碼同時獲得空間分集和時間分集，在保證性能的前提下進一步提高信息傳輸速率，降低信道誤碼率。根據(jù)編碼分級理論，空時編碼手段被分為空時網(wǎng)格編碼（）和空時分組第一章引言碼（）兩種。空時網(wǎng)格編碼的概念是由實驗室的等人最早提出的，由于不僅可獲得較高的頻帶利用率，而

28、且具有較好的抗衰落性能，因而很快受到人們的重視，并在整個通信領域掀起了研究熱潮。但這種方法的譯碼復雜度會隨傳輸速率的增加而呈指數(shù)增加，為了降低譯碼的復雜度，提出一種使用兩副發(fā)射天線的傳輸分集方案，雖然該方案無法獲得編碼增益，但它的編譯碼復雜度要比簡單的多，具有更好的實用價值。在此基礎上，利用廣義正交設計理論將其推廣到多于兩個天線的系統(tǒng)中，提出了空時分組碼的概念。運用正交設計有兩個優(yōu)點：在全分集時提供了最大的發(fā)送速率，沒有損失傳送帶寬；接收端可以利用簡單的線性處理進行最大似然算法解碼，復雜度相對較低。另外，它能獲得與最大比合并相同的分集增益，因此被正式列入提案中。提案中下行發(fā)射分集方案共有兩種：

29、空時發(fā)送分集（）和選擇發(fā)送分集（），其中的技術(shù)即為基于發(fā)射分集的空時分組編碼。在國際上，眾多院校與商業(yè)機構(gòu)都相繼對通信技術(shù)展開了深入研究，其中最著名的有貝爾實驗室、斯坦福大學、伯克利加州大學、猶他州楊百翰大學、歐盟、歐盟、歐盟等。在國內(nèi)，清華大學、電子科技大學、北京郵電大學、東南大學等高校與中興通訊、華為公司等企業(yè)與科研所等研究機構(gòu)也在積極進行通信技術(shù)的研究與現(xiàn)場測試，提出了多種編碼算法與信道模型，并研制了多種天線，進行了信道相關(guān)性、天線互耦與通道互耦等研究。當然，國內(nèi)外還有許多研究機構(gòu)與個人正在從事移動通信技術(shù)的研究與開發(fā)，這里不一一列舉。值得一提的是，為改變我國通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展長期處于被動跟進

30、的局面，中國科技部對新一代移動通信技術(shù)相當重視，針對其專門啟動了未來通用移動通信技術(shù)研究計戈（：）。我國“十五”期間高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“”計劃）中的“新型天線與分集技術(shù)”項目分別由電子科技大學（）與東南大學承擔，重點研究多天線通信技術(shù)，設計適于終端和基站應用的多天線，結(jié)合空時編解碼和收發(fā)聯(lián)合信號處理研究提高系統(tǒng)容量和降低誤碼率的方法，探索關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，并完成相應的技術(shù)示范。本文以該項目為契機，圍繞新一代移動通信中的終端多天線設計這一主題，針對移動終端設計出了多種不同適用范圍的方案，為系統(tǒng)終端多天線設計提供了有力的參考與全新的思路。電子科技大學碩士學位論文本文的主要內(nèi)容為得到所需的增益以及系

31、統(tǒng)容量，實現(xiàn)的各種優(yōu)勢，多天線的單元及其布局的設計尤顯重要。本文在對現(xiàn)有的移動終端多天線方案進行概述的基礎上，提出了適合于系統(tǒng)終端多天線的一些新型設計思想和方案，并給出實驗測試結(jié)果。主要工作包括：將可穿戴天線的概念引入移動通信系統(tǒng)終端天線的設計中，在仔細選擇載體之后，充分考慮載體特點，設計出了與之相對應的天線單元、多天線布局方案以及多天線系統(tǒng)與移動終端的連接方式，共包括三種可穿戴式多天線：腰帶式可穿戴多天線單元為的腰包式可穿戴多天線單元為。雙極化微帶貼片的腰包式可穿戴多天線測試結(jié)果表明，所設計多天線提升了移動終端天線分集單元，豐富了分集形式，有效降低了天線后向輻射。結(jié)合天線小型化與雙極化技術(shù)，

32、設計了三種應用于系統(tǒng)移動終端的微帶貼片天線分布電抗加載的雙極化微帶貼片天線采用結(jié)合做為介質(zhì)基片的。、。極化的雙極化微帶貼片天線采用結(jié)合做為介質(zhì)基片的。極化的雙極化微帶貼片天線此三種天線利用雙極化技術(shù)在單一貼片上實現(xiàn)了兩路正交極化的通道，在移動終端實現(xiàn)了極化分集。各個天線靈活應用天線小型化技術(shù)，充分實現(xiàn)了天線的小型化，使得整個天線尺寸僅為四分之一波長左右，貼片尺寸小于五分之一波長。本文的結(jié)構(gòu)安排本文共分六個部分進行論述：第一章引言主要介紹研究的相關(guān)背景，首先簡要介紹了移動通信發(fā)展歷程與移動通信隨著其自身的高速發(fā)展所帶來的問題，然后介紹了針對這些問題所提出的解決方案一移動通信技術(shù)的由來與其主要研究

33、內(nèi)容和國內(nèi)外研究背景。第二章系統(tǒng)終端多天線設計思想，首先介紹了系統(tǒng)對終端多天線的設計要求以及系統(tǒng)終端多天線的研究現(xiàn)狀，然后討論了系統(tǒng)所第一章引言應用到的天線分集技術(shù)，最后在此基礎上給出了具體的適合于移動終端的設計思想與技術(shù)途徑。第三章微帶天線設計及在移動終端多天線系統(tǒng)中的應用，首先簡要介紹了微帶天線優(yōu)缺點、分析方法以及饋電方式。然后詳細討論了系統(tǒng)移動終端微帶天線的小型化與雙極化技術(shù)方案。第四章外置可穿戴式多天線，詳細的介紹了根據(jù)終端多天線設計思想提出的三種外置可穿戴式天線，包括腰帶式可穿戴天線，單元為平面倒天線（）的腰包式可穿戴天線與單元為±。極化的雙極化微帶貼片天線，并給出了天線測

34、試結(jié)果與分析討論。第五章內(nèi)置微帶貼片天線，詳細的介紹了針對系統(tǒng)移動終端的特點，結(jié)合終端多天線設計思想與微帶天線小型化、雙極化技術(shù)所設計出的三種內(nèi)置微帶貼片天線。主要包括采用分布電抗加載方式的雙極化微帶貼片天線與采用材料作為介質(zhì)基片的垂直水平極化和。極化的雙極化微帶貼片天線，并給出了天線的測試結(jié)果與分析結(jié)論。第六章系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析，首先簡要介紹了系統(tǒng)試驗平臺以及試驗內(nèi)容，然后給出了外置可穿戴式天線在試驗平臺上的外場測試結(jié)果，并進行了簡要的分析與討論，驗證了所設計多天線優(yōu)良的性能。電子科技大學碩士學位論文第二章系統(tǒng)終端多天線設計思想移動通信系統(tǒng)是有線與無線的綜合體，是移動網(wǎng)絡在其覆蓋范圍內(nèi)，通過

35、空中接口（無線）將移動臺與基站聯(lián)系起來，并進而與移動交換機相聯(lián)系（有線）的復合體。天線位于收、發(fā)信機和電磁波傳播空間之間，并在這兩者間實現(xiàn)有效的能量空間分布和傳遞，是系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。精心設計天線的輻射特性，可以控制電磁能的空問分布，進而提高資源利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡質(zhì)量。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，各種移動通信系統(tǒng)對天線提出了越來越高的要求，系統(tǒng)作為多媒體通信系統(tǒng)，更是將對天線的要求提高到了前所未有的高度。對于系統(tǒng)移動終端來說，其所能提供的天線分布空間極其有限（對于單天線來說已是相當苛刻，更不用說如此有限的體積內(nèi)需要進行多天線的布局），多天線的設計相當困難；因此，在多天線的設計過程中，應當綜合考慮

36、天線的體積、效率和多天線間信號的空域相關(guān)性等各方面因素。本章首先介紹系統(tǒng)終端天線的設計要求，然后系統(tǒng)研究天線分集技術(shù)并在此基礎上給出了滿足系統(tǒng)性能需求的終端多天線的設計思想與技術(shù)途徑。系統(tǒng)終端多天線設計要求拙劣的天線設計不但會降低信道的性能，還可能會導致收發(fā)設備的損壞。因此，深入理解系統(tǒng)對多天線的設計要求是至關(guān)重要的。根據(jù)技術(shù)的特點，其對移動終端天線設計的基本要求可歸納如下：充分利用空間維度的信息，即采用天線分集技術(shù)，獲取分集增益，主要包括空間分集、角度分集與極化分集。展寬天線單元波瓣以盡可能接收方位向的散射達波，或激發(fā)豐富的傳播多徑，有效利用空間資源。保證天線單元足夠的增益，改善系統(tǒng)的信噪比

37、與抗干擾性能。提高天線單元間的隔離（包括極化隔離與端口隔離），保持達波信號的相對獨立性，降低天線自身引入的相關(guān)性。減小天線單元的后向輻射，降低天線與人體之間的相互影響，包括天線的人體吸收比率（）與人體對天線性能的影響。第二章系統(tǒng)終端多天線設計基礎采用合理的天線結(jié)構(gòu)，使天線結(jié)構(gòu)盡可能簡單以降低加工的復雜度；同時，由于移動終端的內(nèi)部空間有限，天線應具有低輪廓、小體積、輕質(zhì)量的特點。另外，作為商業(yè)化的產(chǎn)品，降低成本是每一個設計者都應該追求的目標，因此天線應保證低成本。綜上所述，系統(tǒng)對天線設計的基本要求可概括為：多分集、寬波瓣、合理的增益、低相關(guān)、低、合理的結(jié)構(gòu)。針對這些基本要求，在天線設計中，應當綜

38、合考慮許多實際因素的影響，比如天線的單元形式、阻抗匹配、單元方向圖、極化特性、多天線間距、多天線布局與多天線間的互耦等。系統(tǒng)終端天線研究現(xiàn)狀的終端中；文中，提出用四個印刷偶極子或印刷倒天線來實現(xiàn)通信，但為增加隔離，地板達到了丸無；【中在面積為九的模擬手機板上利用一個螺旋天線和一個型內(nèi)置天線，實現(xiàn)手機上的多天線設計，但只局限于兩個天線。文測試了幾種天線布局下的信道容量，測試結(jié)果表明：一、即使信號的包絡相關(guān)系數(shù)達到，信道容量的下降也并不明顯；二、采用極化和空間分集時，所得到的信道容量最高。天線分集技術(shù)從上一章我們知道，系統(tǒng)本質(zhì)上是空間復用與空間分集的結(jié)合，天線分集增益的有效獲取是系統(tǒng)獲得理想效果的

39、前提。因此，盡可能的采用各種分集技術(shù)，獲取分集增益，可謂系統(tǒng)天線設計的重中之重。為了能夠靈活的使用分集技術(shù)，有必要對天線分集技術(shù)做一個簡單的闡述。分集技術(shù)主要包括以下五種形式：時間分集、頻率分集、空間分集、極化分集以及方向圖分集，前面兩種方案屬于編碼與信號處理范疇，后面三種則屬于天線分集的范疇。電子科技大學碩士學位論文空間分集空間分集的分集性能與傳播環(huán)境和分集合并方式緊密相關(guān)。在基站端，由于多徑角度擴展較低，需要用于空間分集的天線單元間距較大口”，而在移動終端，周圍環(huán)境的多徑較為豐富，尤其是在室內(nèi)環(huán)境中，即使用于空間分集的天線單元間距小到只有，系統(tǒng)也能夠獲得良好的解相關(guān)性能【”。方向圖分集方向

40、圖分集又稱為角度分集口“，由于地形地貌等傳播環(huán)境的影響，從不同方向遠離發(fā)射端或抵達接收端的多徑信號不是完全相關(guān)的，因此采用方向性波束在不同角度發(fā)射或接收，可以獲得分集效果”。如可在基站端采用開關(guān)波束智能天線【和多模天線實現(xiàn)角度分集，這些不同的天線方向圖以加權(quán)方式將多徑信道重新合并，從而每個天線產(chǎn)生一個不同的信道。相較于空間分集，方向圖分集最大的優(yōu)點在于可以克服空間分集安裝空間需求大的缺點。但是，其分集性能與來波到達角的角譜擴展大小具有緊密的聯(lián)系，在基站端，來波到達角譜的擴展較小，容易造成來波方向位于其中某付天線的旁瓣，引起很大的接收功率差，進而導致分集增益的失敗。在移動端，來波到達角譜的擴展大，可以有效實施方向圖分集。極化分集極化分集是具有不同極化的天線接收彼此正交的極化分量來獲取分集增益的一種分集手段，其工作原理基于無線信道的極化特征。信號在無線信道的傳播過程中，會進行多次反射、折射和散射，造成信號極化狀態(tài)的改變；由電磁場理論可知，正交極化分量的反射、折射系數(shù)是不同的，這就導致在每一次的反射或者至少是其中的一些反射中，正交極化分量的幅度、相位變化產(chǎn)生了差異。理想情況下，經(jīng)過足夠多的隨機反射后，接收信號的正交極化分量彼此獨立，并第二章系統(tǒng)終端多天線設計基礎且與發(fā)射時的極化狀態(tài)無關(guān)，這就是正交極化分量去相關(guān)的機理【”】。對于無線信道這種極化扭轉(zhuǎn)的性質(zhì)，可以用交叉極化鑒別度（）來衡