現(xiàn)代移動(dòng)通信論文

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1、- 西北師大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代移動(dòng)通信 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目： 智能天線—線陣 XX： 記強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 7 專業(yè)班級(jí)： 2012級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程 系所中心：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 賈 向 東 起訖時(shí)間：2014年12月1日-12月20日 設(shè)計(jì)地點(diǎn)：教9-C501實(shí)驗(yàn)室 2014年12月20日 . z. - 摘要 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的開展,與日俱增的移動(dòng)用戶數(shù)量和

2、日趨豐富的移動(dòng)增值效勞,使無線通信的業(yè)務(wù)量迅速增加,無線電波有限的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)。另一方面,由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的同頻干擾和多址干擾的影響嚴(yán)重,更影響了無線電波帶寬的利用率。并且無線環(huán)境的多變性和復(fù)雜性,使信號(hào)在無線傳輸過程中產(chǎn)生多徑衰落和損耗。這些因素嚴(yán)重地限制了移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和性能。因此為了適應(yīng)通信技術(shù)的開展,迫切需要新技術(shù)的出現(xiàn)來解決這些問題。這樣智能天線技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。智能天線技術(shù)為解決頻率資源缺乏、提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量和系統(tǒng)效勞質(zhì)量提供了一個(gè)有效的解決途徑。1998年我國(guó)電信科學(xué)研究院向國(guó)際電聯(lián)提交的TD-SCDMA RTT建議并于2000年確定為國(guó)際第三代移動(dòng)

3、通信主流標(biāo)準(zhǔn)之一,第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信實(shí)施方案。在TD-SCDMA中,智能天線作為關(guān)鍵技術(shù),可以大大提高系統(tǒng)性能。 由于智能天線本身的優(yōu)越性,因此早在1990年就有智能天線在蜂窩移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究,隨著G3移動(dòng)通信技術(shù)的成熟,目前,智能天線的商用化進(jìn)程也加快。論文的研究工作是在MATLAB軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。首先介紹了智能天線技術(shù)的背景；其次介紹了智能天線的原理和相關(guān)概念,并分析了智能天線中的自適應(yīng)算法。而論文主要研究了平面陣列的性能，并通過MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)了智能天線圓陣排列。 關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；智能天線；MATLAB；圓陣 目錄 第一章 緒論 1.1移動(dòng)

4、通信開展簡(jiǎn)介 1.1.1通信從有線通信到無線通信的演進(jìn) 1.1.2無線接入方式的演變 1.1.3從大區(qū)模擬通信到蜂窩數(shù)字通信 1.2第三代移動(dòng)通信 1.3智能天線技術(shù)的由來 1.3.1智能天線簡(jiǎn)介 1.3.2傳統(tǒng)解決方法的瓶頸 1.3.3智能天線實(shí)現(xiàn)的實(shí)際考慮 第二章 智能天線簡(jiǎn)介 2.1智能天線原理 2.2智能天線的根本構(gòu)造 2.3智能天線的應(yīng)用技術(shù) 2.4智能天線的分類 2.4.1自適應(yīng)方向圖智能天線 2.4.2多波束切換天線 2.5智能天線中的自適應(yīng)算法 2.6智能天線國(guó)外應(yīng)用及研究現(xiàn)狀 第三章 基于MATLAB的智能天線線陣排列仿真 3.1智能天線

5、平面陣列仿真 第四章 總結(jié) 第一章 緒論 1.1移動(dòng)通信開展簡(jiǎn)介 1.1.1通信從有線通信到無線通信的演進(jìn) 從通信技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在,通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和用戶也越來越壯大。通信業(yè)務(wù)也從僅僅是語音通信開展到了數(shù)據(jù)、視頻通信。然而,要使用戶最終享受通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)帶來的便利和快捷,就必須讓用戶和通信網(wǎng)絡(luò)方便連接。最先用戶接入通信網(wǎng)絡(luò)的方法是通過銅線等金屬線來實(shí)現(xiàn)。但是,由于銅資源的稀少,本錢高,而且同時(shí)所能提供的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了廣闊用戶的寬帶應(yīng)用要求。后來開展到用同軸電纜對(duì)用戶進(jìn)展通信網(wǎng)絡(luò)接入。 人們對(duì)通信的要求也越來越高,為了滿足這這些要求,采用光纖作為用戶的接入媒介,可以提供很寬的帶寬

6、,有很大的優(yōu)越性,但其費(fèi)用對(duì)于個(gè)人和商業(yè)用戶來說非常昂貴,一般只用于主干傳輸線路。最重要的是由于通信線路的布局不能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地方便地接入。因此,無線通信方式逐漸開展,并可以提供移動(dòng)靈活性和寬帶接入要求,很快成為傳統(tǒng)有線接入方式的替代品。1934年,人們就開場(chǎng)利用微波無線電系統(tǒng)傳送橫越英吉利海峽。1947年,美國(guó)貝爾研究所在紐約與波士頓之間建立了寬帶模擬微波中繼系統(tǒng)。70年代以后,數(shù)字微波通信系統(tǒng)開場(chǎng)投入使用。漸漸地,無線通信技術(shù)應(yīng)用于個(gè)人通信領(lǐng)域并且產(chǎn)生了移動(dòng)通信。 1.1.2無線接入方式的演變 模擬蜂窩系統(tǒng)的技術(shù)是采用頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大圍覆蓋，它在每個(gè)小區(qū)采用頻分多址技術(shù)FDMA(Fr

7、equeneynivisionMultipleAecess),即對(duì)于在同一基站覆蓋的圍同時(shí)工作的多個(gè)移動(dòng)臺(tái),基站是以工作頻率來區(qū)分的,每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)都使用不同的頻率與基站通信。然而,電磁波的頻率資源是有限的,隨著移動(dòng)用戶與日俱增,最終將導(dǎo)致移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量不能滿足現(xiàn)實(shí)開展的需要。為了擴(kuò)大移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量,必須開拓新的接入方法。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的開展,移動(dòng)通信技術(shù)也采用了數(shù)字技術(shù)。從此移動(dòng)通信中出現(xiàn)了新的無線接入技術(shù)時(shí)分多址技術(shù)TDMA(五meoivisionMultipleAeeess)。將特定長(zhǎng)度的時(shí)間段劃分為多個(gè)時(shí)隙,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)對(duì)應(yīng)特定的時(shí)隙進(jìn)展接收或發(fā)

8、送信息,這樣,在同一個(gè)頻率點(diǎn)上,基站就可以根據(jù)不同時(shí)隙來區(qū)分同時(shí)工作的多個(gè)移動(dòng)臺(tái)。將FDMA和TDMA技術(shù)結(jié)合起來,就可以大大提高通信系統(tǒng)的通信容量。 雖然TDMA技術(shù)的出現(xiàn)提高了通信系統(tǒng)的容量,但其容量上限受到硬件處理速度的限制。隨著擴(kuò)頻通信技術(shù)的出現(xiàn)和開展,誕生了新的無線接入技術(shù)碼分多址CDMA(CodenivisionMultipleAeeess),多個(gè)移動(dòng)臺(tái)在同一個(gè)小區(qū)Cell中工作的時(shí)候,每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)擁有唯一區(qū)別其他移動(dòng)臺(tái)的正交偽隨機(jī)碼,基站是通過碼型區(qū)分移動(dòng)臺(tái)的,這樣,在某一個(gè)特定頻率點(diǎn)、某一個(gè)特定時(shí)隙點(diǎn),可以有多個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)有效工作于一個(gè)小區(qū)。由于可以找到的準(zhǔn)正交碼的數(shù)目巨大,

9、大大提高系統(tǒng)的容量。信系統(tǒng)的容量將更大。假設(shè)將FDMA、TDMA、CDMA技術(shù)結(jié)合在一起,那么可以移動(dòng)通但在實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中,所用的碼型是相互準(zhǔn)正交,故存在非完全正交帶來的多址干擾。 1.1.3從大區(qū)模擬通信到蜂窩數(shù)字通信 通信技術(shù)的開展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的一個(gè)過程。模擬通信系統(tǒng)就是所有傳 輸和處理的信號(hào)及其信號(hào)處理手段都是模擬的。70年代,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了先進(jìn)移動(dòng)系統(tǒng)AMPS并于1979年在芝加哥試運(yùn)行,這是世界上第一 個(gè)蜂窩模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)。進(jìn)入閱年代,模擬蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)走向成熟并在全世界得到廣泛應(yīng)用。到90年代初,模擬蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)占了全世界移動(dòng)通信網(wǎng)的大多數(shù),并使

10、移動(dòng)業(yè)務(wù)得到快速普及。模擬移動(dòng)通信被稱為第一代移動(dòng)通信。早期的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)是在大的覆蓋區(qū)域中心設(shè)置大功率發(fā)射機(jī),采用高架天線把信號(hào)發(fā)送到整個(gè)覆蓋地區(qū)(半徑可達(dá)幾十公里)；為該覆蓋區(qū)域的用戶提供無線接入效勞。 這種系統(tǒng)的缺乏是它同時(shí)提供應(yīng)用戶使用的信道數(shù)有限,滿足不了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)的需求。例如,在70年代于美國(guó)紐約開通的IMTS(Im講ovedMobile介lephonesevriee)系統(tǒng),僅能同時(shí)提供12對(duì)信道供使用，如果出現(xiàn)第13對(duì)用戶要求通話,只能出現(xiàn)忙音。隨著以大規(guī)模集成電路為根底的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的開展和應(yīng)用,使人們拋開模擬技術(shù)而采取了數(shù)字技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用,提

11、高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量；擴(kuò)大了通信系統(tǒng)的容量；同時(shí)采用數(shù)字加密技術(shù),提高了傳輸信號(hào)的性。同時(shí)為了解決提高通信系統(tǒng)的容量這個(gè)問題,出現(xiàn)了蜂窩網(wǎng)覆蓋的概念。 蜂窩網(wǎng)是把原來的大覆蓋區(qū)域劃分成假設(shè)干個(gè)較小的區(qū)域Cell(在蜂窩系統(tǒng)中稱為小區(qū)),各小區(qū)均用小功率的基站發(fā)射機(jī)進(jìn)展覆蓋,并為該小區(qū)的移動(dòng)用戶提供無線接入效勞。這樣,在保證通信質(zhì)量的情況下,一個(gè)任意形狀的大區(qū)域都可以用假設(shè)干個(gè)Cell進(jìn)展覆蓋,使大區(qū)域里可以同時(shí)容納的用戶數(shù)大大提高。以至今還在使用的GSM和SI一95為代表的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)稱為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了通過移動(dòng)通信能夠提供無線工internet業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù),提高移動(dòng)通信中數(shù)據(jù)

12、的傳輸率,使之滿足人們?nèi)找鎸?duì)帶寬的需求,因而的第三代移動(dòng)通信己提上議事日程。它應(yīng)能支持從話音到分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要提供帶寬。TIU規(guī)定的第三代移動(dòng)通信無線傳輸技術(shù)的最低要求中,必須滿足以下 三種,即 ()l快速移動(dòng)環(huán)境,最高速率達(dá)144kbit/s； (2)室外到室或步行環(huán)境,最高速率到達(dá)384kbit/s； (3)室環(huán)境,最高速率到達(dá)ZMbit/S 這樣的速率已經(jīng)能滿足我們對(duì)無線工internet業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)要求了。目前,ITU將WCDMA、CDMA2000和TD一SCDMA確定為目前3G的三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)。 1.2第三代移動(dòng)通信 第三代移動(dòng)通信是近20年

13、來現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)和實(shí)踐的總結(jié)和開展。國(guó)際電聯(lián)TU-R在20年前(1985年),就開場(chǎng)研究第三代移動(dòng)通信的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是統(tǒng)一全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和頻段,實(shí)現(xiàn)全球漫游,提高移動(dòng)通信的頻譜利用率及數(shù)據(jù)傳輸速率,滿足多媒體業(yè)務(wù)的需求。1997年,確定了根本要求和征求無線傳輸技術(shù)(RTT)建議。 至此,第三代移動(dòng)通信進(jìn)入了制定和完成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的快車道,成為全球通信業(yè)技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)。在信息產(chǎn)業(yè)部的大力支持下,大唐電信集團(tuán)代表中國(guó)起草的第三代移動(dòng)通信世界標(biāo)準(zhǔn)草案TD-SCDMA提交到ITU。這是中國(guó)自有電信史100多年以來,首次向IUT提交完整的全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。ITU本次共征集到分別來自美、歐、中

14、、日、等國(guó)家和地區(qū)的16種3GRTT(第三代移動(dòng)通信無線傳輸技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)提案,其中6種是衛(wèi)星移動(dòng)的RTT標(biāo)準(zhǔn)提案,其余10種為地面移動(dòng)的G3RTT標(biāo)準(zhǔn)提案。 中國(guó)的TD一SCDMA是10種地面移動(dòng)的3GRTT標(biāo)準(zhǔn)提案中的一員。在提案評(píng)審和篩選的過程中,國(guó)際電聯(lián)根據(jù)對(duì)G3標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)10個(gè)地面移動(dòng)的G3標(biāo)準(zhǔn)提案進(jìn)展了長(zhǎng)達(dá)兩年的評(píng)估、仿真、融合、關(guān)鍵參數(shù)確實(shí)定工作,最終在2000年5月5日土耳其工TU-R全會(huì)上,通過了包括中國(guó)提案在的幾個(gè)無線傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī),它們分別是:CDMA2OO0(美國(guó)提出),WCDMA(歐、日提出),TD-SCDMA(大唐起草,中國(guó)提出)；其中,CDMAZ000與WCDMA

15、是頻分雙工(FDD)模式,TD一SCDMA屬于時(shí)分雙工(TDD)模式,ITU-R分別為G3的這兩種模式劃分了獨(dú)立的頻段,自此DCMAZ000,WDCMA和TD一SCDMA成為目前G3的三大主流標(biāo)準(zhǔn)。 目前,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的框架己確定,將以衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)結(jié)合,形成一個(gè)對(duì)全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò),滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)不同密度用戶的通信需求,支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)人類個(gè)人通信的理想。ITU對(duì)第三代陸地移動(dòng)通清系玩劍基不要:在室、手持機(jī)及移動(dòng)三種環(huán)境下,支持話音和各種多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(速率達(dá)ZMb/S),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高頻譜利用率、低本錢的無線傳輸技術(shù)以及全球兼容的核心網(wǎng)絡(luò)

16、。第三代移動(dòng)通信網(wǎng)由核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和用戶終端構(gòu)成。鑒于歷史和現(xiàn)狀,核心網(wǎng)主要是以第二代移動(dòng)通信的兩種網(wǎng)絡(luò)為根底,從而形成了兩套網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。 1.3智能天線技術(shù)的由來 1.3.1通信系統(tǒng)開展遇到的問題 由于移動(dòng)通信技術(shù)的開展,集成電路的規(guī)模和性能迅猛增加,計(jì)算機(jī)技術(shù)大開展,多媒體信息處理技術(shù)逐漸成熟。信息交流呈爆炸性增長(zhǎng)和全球化趨勢(shì),多媒體信息流逐漸超過話音流。信息的無線傳輸是需要功率和帶寬的,高速率的信息傳輸需要大的發(fā)射功率和足夠的帶寬。但在客觀的應(yīng)用環(huán)境中,遇到了諸多問題。 第一、 無線傳輸環(huán)境非常復(fù)雜,損耗、衰落、干擾使得無線傳輸?shù)男屎艿?為了保證好的信號(hào)傳輸質(zhì)量,必須提高發(fā)射

17、功率。第二、在建網(wǎng)初期,網(wǎng)絡(luò)要求到達(dá)覆蓋要求,但用戶少,資金回收少,為了減少基站數(shù)目,節(jié)省開支,同時(shí)擴(kuò)大覆蓋距離,也必須提高發(fā)射功率。第三、對(duì)于傳統(tǒng)的天線是全向性的,而真正能被期望用戶有效利用的信號(hào)功率只是到達(dá)用戶方向的一小局部；在其它方向輻射的功率是沒有利用的,變成了浪費(fèi)。 同時(shí)這些在非期望用戶方向上發(fā)射的電磁信號(hào)對(duì)其它用戶和其它基站將帶來干擾,這和第一個(gè)問題是矛盾的。第四、頻率資源有限,直接從頻率資源上能獲得的系統(tǒng)容量有限,難以滿足實(shí)際的需要。同時(shí)干擾也是一個(gè)限制系統(tǒng)容量的重要因素。 1.3.2傳統(tǒng)解決方法的瓶頸 為了解決以上出現(xiàn)的問題。首先,可以提高射頻信號(hào)的發(fā)射功率來保證無線信號(hào)

18、傳輸?shù)馁|(zhì)量；在建網(wǎng)初期擁有較少用戶的情況下,為了實(shí)現(xiàn)覆蓋要求,也必須投入相應(yīng)數(shù)目的基站,即使投入的資金遠(yuǎn)大于用戶帶來的收入。其次,要減少全向天線輻射帶來的干擾,就必須使發(fā)射功率減小。另外,要提高系統(tǒng)的容量,提高頻率資源的利用率,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的方法是使用劃分小區(qū),采用頻率復(fù)用,但小區(qū)數(shù)的增加,頻率復(fù)用度增加的同時(shí),必須減小基站的發(fā)射功率,以減小同頻干擾；這樣也導(dǎo)致越區(qū)切換的量增加,系統(tǒng)的負(fù)荷加重?？梢?對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)性能的總體優(yōu)化來說,面臨很多的問題,且諸多方面是矛盾的。 1.3.3有效的解決方法和智能天線技術(shù)的出現(xiàn) 為了解決這種開展瓶頸,就要提高發(fā)射功率的利用率,使功率發(fā)射具有指向性,將

19、發(fā)射信號(hào)功率集中使用在期望方向,提高期望用戶信號(hào)質(zhì)量的同時(shí),減少了對(duì)非期望用戶的干擾,可以在很大程度上提高系統(tǒng)的容量。由于將功率集中指向,用一樣的功率可以獲得更高的增益。一方面可以提高信號(hào)傳輸質(zhì)量；在一樣的小區(qū),可以使用相對(duì)于傳統(tǒng)天線小的功率實(shí)現(xiàn)覆蓋要求；另一方面,如果在基站和移動(dòng)臺(tái)同時(shí)使用智能天線,可以在建網(wǎng)初期使用較少數(shù)目基站而實(shí)現(xiàn)大圍覆蓋。指向性功率發(fā)射還可以用于采用頻率復(fù)用的小區(qū),增加頻率復(fù)用率的同時(shí),減小干擾,從而大大提高系統(tǒng)的容量。 基于此,出現(xiàn)了利用波束空間指向來劃分信道的概念。方向性的發(fā)射和接收射頻信號(hào),有助于提高系統(tǒng)容量、系統(tǒng)覆蓋距離和系統(tǒng)效勞質(zhì)量。所以,可以把空間劃分作為

20、一種接入方式,引入了新的無線接入方式,空分多址SDMA(SpaeeDivisionMultipleAeeess),成為FnMA、ToMA、 cDMA的補(bǔ)充。由此開展起來的空域?yàn)V波〔./l可以將在頻譜上和時(shí)間上交疊的多個(gè)信號(hào)區(qū)分開來,而智能天線就是實(shí)現(xiàn)空間濾波的一種有效方式；智能天線系統(tǒng)可以適時(shí)更新時(shí)域、頻域和空域響應(yīng)。所以智能天線成為了當(dāng)今移動(dòng)通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。在1998年電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國(guó)電信主管部門向國(guó)際電聯(lián)提交的DT一CSMDATRT建議和現(xiàn)在成為國(guó)際第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMATDD技術(shù)(低碼片速率選項(xiàng))中,智能天線是其核心技術(shù)之一。 第二章 智能天線簡(jiǎn)介 2.1

21、智能天線原理 移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用的智能天線技術(shù)在工作時(shí)引入了空分多址的概念，利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶。系統(tǒng)通過調(diào)整天線陣列中各個(gè)天線單元上的可編程器件，來改變各個(gè)天線單元的權(quán)值，從而將天線用于接收信號(hào)的波束導(dǎo)向具體某一方向，產(chǎn)生定向的空間波束，產(chǎn)生的天線波束的主波束對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，有效地接收了期望信號(hào)，并消除了干擾；智能天線系統(tǒng)還利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)，在同一信道上實(shí)現(xiàn)了接收和發(fā)送多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)，而互不干擾的效果，使不同的移動(dòng)用戶可以使用同一段頻譜資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享。 2.2智能天線的根本構(gòu)造 智能天線系統(tǒng)在構(gòu)造上已經(jīng)

22、形成了模塊化設(shè)計(jì)，大體分為天線陣列，模/數(shù)或者數(shù)/模轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)處理，波束成型網(wǎng)絡(luò)等四大局部其中天線陣列用于在接收或發(fā)送模擬信號(hào)時(shí)形成期望的波束，主要分為線陣，面陣，圓陣，三角陣，不規(guī)那么陣和隨機(jī)陣等；模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換局部在接收信號(hào)時(shí)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在發(fā)送信號(hào)時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；自適應(yīng)處理局部根據(jù)自適應(yīng)算法和波達(dá)角估計(jì)算法來產(chǎn)生期望的權(quán)值；波束成型網(wǎng)絡(luò)局部通過得出的權(quán)值對(duì)各個(gè)天線陣元進(jìn)展動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)處理，并利用天線列產(chǎn)生期望的自適應(yīng)波束。 智能天線構(gòu)造框圖如圖1所示。 下面的討論基于等間距線天線陣,如圖2所示。 圖2 等間距線天線陣 首先建立智能天線的信號(hào)模型。設(shè)

23、等間距線天線陣的陣元個(gè)數(shù)為L(zhǎng),陣元間距d,以第1個(gè)陣元作為參考陣元,信號(hào)s(t)的入射方向與天線陣法線方向的夾角為θ。s(t)到達(dá)第i個(gè)陣元與到達(dá)參考陣元的時(shí)間差為 ------------------------------------〔1〕 其中c為光速。信號(hào)s(t)在參考陣元上的感應(yīng)信號(hào)通常可用復(fù)數(shù)形式表示為 ------------------------------------(2) 信號(hào)s(t)在第i個(gè)陣元上的感應(yīng)信號(hào)可表示為 ------------------(3) 這里λ為載波波長(zhǎng)。把信號(hào)s(t)在天線陣上感應(yīng)的信號(hào)用向量表示為 ------(4) 其中

24、-----------------(5) 稱為引導(dǎo)向量?？紤]噪聲,x(t)可表示為 ----------------------------------(6) 其中 ---------------------(7) 窄帶傳輸條件下采用窄帶波束形成器,如圖3。 圖3 窄帶波束形成器構(gòu)造 記 -------------------------------------(8) 陣列輸出信號(hào)y(t)可表示為 ------------------------------------(9) 根據(jù)不同的準(zhǔn)那么選取加權(quán)向量w,可使某個(gè)方向上的信號(hào)得到最正確合并,而其他方向上的干擾和信號(hào)那

25、么被抑制。將窄帶波束形成器同時(shí)域FIR濾波器進(jìn)展比擬后可以發(fā)現(xiàn),兩者構(gòu)造類似,而且兩者的參數(shù)還存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,時(shí)域FIR濾波器在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)展處理,而窄帶波束形成器在空域?qū)π盘?hào)進(jìn)展處理,所以窄帶波束形成器通常又可稱為空域?yàn)V波器。當(dāng)不滿足窄帶傳輸條件時(shí),信號(hào)帶寬比擬大,信號(hào)通過天線陣時(shí),不僅存在著相位差,振幅也發(fā)生變化。對(duì)這樣的寬帶信號(hào),應(yīng)該選擇寬帶信號(hào)處理方案,寬帶波束形成器構(gòu)造框圖如圖4所示。 圖4 寬帶波束形成器構(gòu)造 和窄帶波束形成器不同,寬帶波束形成器中每個(gè)陣元接收到的信號(hào)都要用一個(gè)FIR濾波器進(jìn)展處理,由于信號(hào)中不同的頻率分量通過天線陣產(chǎn)生的相移不同,采用這樣的構(gòu)造能對(duì)相移差進(jìn)

26、展補(bǔ)償,因而這種處理器具有頻率選擇性。由此可見,寬帶波束形成器同時(shí)在空域和時(shí)域?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)展處理,這種處理方式稱為空時(shí)陣列處理。 2.3智能天線的應(yīng)用技術(shù) 按照技術(shù)方向劃分，智能天線的技術(shù)主要可以分為智能天線的接收局部技術(shù)，發(fā)送局部技術(shù)，以及動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等三方面技術(shù)。其中智能天線的接收技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信中接收上行鏈路傳輸?shù)囊苿?dòng)用戶信號(hào)的過程，通過采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)抵抗在同一信道接收的不同用戶間的多址干擾和碼間串?dāng)_，別離出各個(gè)移動(dòng)用戶，接收的同時(shí)，為了給系統(tǒng)發(fā)送信息提供相關(guān)參數(shù)，還需要估計(jì)出反映用戶空間位置信息的參量；發(fā)送局部技術(shù)，是系統(tǒng)利用下行鏈路發(fā)送移動(dòng)用戶信號(hào)的過程中使用的

27、技術(shù)，主要是通過動(dòng)態(tài)控制發(fā)射信號(hào)功率實(shí)現(xiàn)的，保證每個(gè)用戶只接收系統(tǒng)發(fā)給它的下行信號(hào)，不受同一信道中系統(tǒng)發(fā)送的其他用戶信號(hào)的干擾，減少其他移動(dòng)用戶對(duì)該用戶的干擾；動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)那么是通過空分信道與時(shí)分信道、頻分信道、碼分信道以及切換技術(shù)相結(jié)合方式，保障通信質(zhì)量，有效利用信道資源。 2.4智能天線的分類 在很多文獻(xiàn)中,智能天線有三種分類方法。下面介紹其中的一種分類定義。 2.4.1自適應(yīng)方向圖智能天線 自適應(yīng)天線陣列對(duì)到達(dá)各個(gè)天線陣元的信號(hào)分別進(jìn)展加權(quán),然后用自適應(yīng)算法聯(lián)合處理,使其方向圖是隨信號(hào)及干擾的變化而變化,使期望信號(hào)和干擾的比值到達(dá)適時(shí)最大化。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理

28、技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)波達(dá)方向,并在此方向上為用戶獨(dú)立形成主波束。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)單,可以得到最大的載擾比。自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢。自適應(yīng)天線陣列一般采用4一16個(gè)天線陣元構(gòu)造,陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。 2.4.2多波束切換天線 多波束天線在工作時(shí),天線方向圖形狀根本不變,其利用多個(gè)并行波束覆蓋 整個(gè)用戶區(qū),每個(gè)波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí),天線陣列確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA),根據(jù)用戶移動(dòng)過程中環(huán)境的變化,基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)展選擇,使接收信號(hào)最強(qiáng)。多波束智能天線對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾,是通過控

29、制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比,固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快,但它對(duì)天線單元與信道的要求較高,而且用戶信號(hào)并不一定在波束中心,當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí),接收效果最差,所以多波束切換天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最正確接收。 2.5智能天線中的自適應(yīng)波束形成算法 自適應(yīng)波束形成算法是智能天線研究的核心容。有關(guān)智能天線自適應(yīng)波束形成算法的文獻(xiàn)眾多:LC.Godara對(duì)大量的自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)展了總結(jié)；A F.Naguib、P Petrus和Z Rong分別在自己的學(xué)位論文中對(duì)各種自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)展了分類概括。上行鏈路窄帶自適應(yīng)波束形成算法分類圖見圖5。

30、 圖5 自適應(yīng)波束形成算法分類 根據(jù)是否需要發(fā)射端發(fā)射參考信號(hào),自適應(yīng)波束形成算法可分為盲和非盲兩大類,非盲算法基于發(fā)射端發(fā)送的時(shí)域參考信號(hào),盲算法不需要發(fā)射端發(fā)送參考信號(hào)，詳細(xì)算法在此不再贅述。 2.6智能天線國(guó)外應(yīng)用及研究現(xiàn)狀 智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開場(chǎng)開展,最初的研究對(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)抗能力。到20世紀(jì)90年代中,在美國(guó)和中國(guó)開場(chǎng)考慮將智能天線技術(shù)用于無線通信系統(tǒng)。在1997年,信威通信技術(shù)公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；美國(guó)Rde面m公司那么在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線。以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。目

31、前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí),中國(guó)、歐、日、美等國(guó)己經(jīng)開展了大量的理論分析研究,同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。 1.中國(guó) 在1997年,信威通信技術(shù)公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；是兩個(gè)最先商用化的智能天線系統(tǒng)之一。在1998年電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國(guó)電信主管部門向國(guó)際電聯(lián)提交的TD一SCD瞅RTT建議并與2000年5月已被TIU批準(zhǔn)為第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一DCMATDD技術(shù)(低碼片速率選項(xiàng)),智能天線是其核心技術(shù)。目前,智能天線的研究主要集中在大唐電信、海天天線、各高校、研究所、中興通訊等大的通信公司。 2. 歐洲 歐洲通信委員會(huì)(CEC)在

32、 ARCE(ResearehintoAdvnacedeounnunieationinEuorpe)方案中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究,稱之為 TSLJNAM(IThcTeehnologyinSmartAntennasofrUniversalAdvnaeedMobileInfrastureurte)，由德國(guó)、英國(guó)、丹麥和西班牙合作完成。工程組在DECT基站根底上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?于1995年初開場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由八個(gè)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型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線,采用ERA技術(shù)的專用ASIC芯片D

33、BFll08完成波束形成,使用TMS32OC4O芯片作為中央控制。系統(tǒng)評(píng)估了識(shí)別信號(hào)到達(dá)方向的MUSIC算法,采用的自適應(yīng)算法有NLMs伽onnaliez4LeastMenaqs~)s算法和RLS(RecuIsiveLeastSquare)算法。同時(shí),通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,說明圓環(huán)和平面天線適合于室通信環(huán)境使用,而像市區(qū)環(huán)境那么采用簡(jiǎn)單的直線陣天線更適宜。歐洲通信委員會(huì)(CEc)準(zhǔn)備在AeTs(^dvnaeedeounn畫cation介ehnologies即desvrcies)方案中繼續(xù)進(jìn)展第二階段智能天線技術(shù)研究,具體問題集中于以下方面:最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)協(xié)議研究與系統(tǒng)性能評(píng)估、多用戶檢測(cè)與自適

34、應(yīng)天線構(gòu)造、時(shí)空信道特性估計(jì)及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 3.日本 ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束切換天線。天線陣元布局為間距半波長(zhǎng)的16陣元平面方陣,射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收的信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換后,進(jìn)展快速付氏變換(FFT)處理,形成正交波束后,分別采用恒模C(MA)算法或最大比值合并分集算法。天線數(shù)字信號(hào)處理局部由10片F(xiàn)PGA完成,整塊電路板大小為23.3emx34.0em。野外移動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模C(MA)算法的多波束切換天線功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束切換天線在波束穿插局部的增益。上述兩種方案在所形成波

35、束,選用最大電平接收信號(hào),不用判別用戶信號(hào)到達(dá)方向及反應(yīng)控制機(jī)構(gòu)等硬件跟蹤裝置。ATR研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念:根據(jù)用戶所處環(huán)境不同,影響系統(tǒng)性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號(hào)間干擾)也不同,利用軟件方法實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法,比方當(dāng)噪聲是主要因素時(shí),那么使用多波束最大比值合并(MRC)算法,而當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)那么使用多波束恒模算法(CMA),以此提供算法分集,利用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線配置,完成智能處理。 4.美國(guó)及其他 ArrayCo~公司和中國(guó)郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(wLL)智能天線系統(tǒng)。肪yaConnll產(chǎn)品采用可變陣元配置

36、,有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)展的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)說明,在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列,射頻工作于1785MHz~1805MHz,采用TDD時(shí)分雙工方式,收發(fā)間隔IOms,接收機(jī)靈敏度最大可提高gdB。此外,大學(xué)奧斯汀SDMA小組建立了一套智能天線試驗(yàn)環(huán)境,著手理論與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合。加拿大McMaset:大學(xué)研究開發(fā)了4元陣列天線,采用恒模(CMA)算法。 第三章 基于MATLAB的智能天線線陣排列仿真 3.1智能天線平面陣列仿真 源碼 clear； m=8； f=2E9； fei0=pi/2； thet

37、a0=0； beta=(pi/(2*sin(pi/m)))； fei=pi/2； theta1=-180:1:180； theta2=theta1*pi/180； [length1]=length(theta2)； count=1； while 1 theta0=theta0+(10)*pi/180； theta01=2*pi*((-0.5+(round(rand(1,m)*1e5))/1e5)/0.5)； theta02=2*pi*((-0.5+(round(rand(1,m)*1e5))/1e5)/0.5)； g1=zeros(1,length1)；g0

38、=0； p1=zeros(1,length1)；p0=0； output=zeros(1,length1)；output0=0； for length2=1:1:length1 for k=1:1:m x11=2*pi*(k-1)/m-theta2(length2)； x10=2*pi*(k-1)/m-theta01(1)； x21=sin(fei)*cos(x11)； x22=sin(fei0)*cos(x10)； x3=beta*(x21-x22)； x4=cos((x3)) g1(length2)=g1(length2)+x4

39、 y11=2*pi*(k-1)/m-theta2(length2)； y10=2*pi*(k-1)/m-theta02(1)； y21=sin(fei)*cos(y11)； y22=sin(fei0)*cos(y10)； y3=beta*(y21-y22)； y4=cos((y3)) p1(length2)=g1(length2)+y4 output(length2)=g1(length2)+p1(length2)； end end max_output=max(abs(output))； output0=abs(output)./max_o

40、utput； max_g1=max(abs(g1))； max_p1=max(abs(p1))； g0=abs(g1)./max_g1； p0=abs(p1)./max_p1； subplot(2,6,1:3)； plot(theta1,output0)； grid on xlabel({'synthesis wavefront'}) legend('show','ww') subplot(2,6,4:6) hold off plot(theta1,g0) hold on plot(theta1,p0,'g') plot(theta1,output0,'r')

41、 legend('show','User1','User2','Sys-User') grid on subplot(2,6,7:8) polar(theta2,output0) subplot(2,6,9:10) hold off polar(theta2,g0) hold on polar(theta2,p0,'g') polar(theta2,output0,'r') grid on subplot(2,6,11:12) hold off polar(theta2,g0) hold on polar(theta2,p0,'g') polar(theta2,

42、output0,'g') theta0 pause End 仿真圖 基于Matlab的智能天線陣列仿真圖 第四章 總結(jié) 智能天線技術(shù)是未來移動(dòng)通信開展的必然選擇,它的出現(xiàn)是為了解決開展中遇到的問題。理論研究和實(shí)驗(yàn)說明,智能天線的應(yīng)用可以給移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來假設(shè)干好處:增加系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)效勞質(zhì)量、擴(kuò)大覆蓋圍等。對(duì)于智能天線來說,移動(dòng)通信技術(shù)在不斷開展,未來的開展方向?qū)⑹菍?duì)智能天線的接收準(zhǔn)那么及自適應(yīng)算法、寬帶信號(hào)波束的高速波束成形處理的研究。最終使智能天線能普遍應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。 本文主要研究了移動(dòng)通信智能天線的根本原理、分類及自行約束算法，并在MATLAB上仿真實(shí)現(xiàn)了智能天線圓陣排列。在完成此次設(shè)計(jì)時(shí)，閱讀了大量有關(guān)移動(dòng)通信技術(shù)及智能天線的論文，自學(xué)到了很多在課堂及課本上沒有接觸的知識(shí)，在很大程度上增強(qiáng)了對(duì)移動(dòng)通信這門課程的理解。 . z.