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移动通信智能天线关键技术研究

周围  
【摘要】: 智能天线可以改善通信链路性能,大大提高系统容量,提高频谱利用效率,现已成为移动通信中的研究热点。本文系统地阐述了移动通信系统中智能天线的基本理论和相关技术,重点对其中几个核心问题:空时信道特性与建模理论、自适应数字波束形成算法、高分辨的DOA估计算法(重点是相干多径环境下的有效算法)、抗干扰技术(尤其是抗相干干扰)、空时信道多维参数联合估计、空时二维处理理论等方面进行了较为深入研究。 对于空时信道特性和相关建模理论,论文首先介绍了无线空时信道的特点,从理论上分析了时延扩展、多普勒频率扩展和角度扩展对智能天线的频率相关性、时间相关性和空间相关性的影响。在此基础上,(1)本文首次对移动通信环境中不同散射环境下(如拉普拉斯分布、截尾高斯分布等)智能天线的相关性进行了理论推导和数值仿真,得出了天线相关性与散射分布特性之间的定量关系,为移动通信智能天线设计提供了理论依据。(2)对于建模理论,在简单介绍常用的Lee模型及其改进模型、几何单反射(GBSB)模型、高斯广义平稳不相关散射(GWSSUS)模型和扩展抽头延迟线模型等模型的基础上,根据ITU建议的不同环境下的功率时延谱和功率角度谱,本文提出了一种基于统计特性仿真不同空时信道的方法,该方法简便有效,容易构造出适用于不同环境的信道模型,仿真结果验证了该模型能够同时反映信道的空间、时间以及频率特性。 对于波束形成技术,论文简介了LMS和RLS两种非盲算法,重点对恒模算法(CMA)和最小二乘解扩重扩多目标恒模算法(LS-DRMTCMA)两类盲算法进行了深入研究,通过仿真实验对其性能进行了对比分析。在此基础上,(1)论文针对常规恒模算法收敛速度与稳态误差之间的矛盾,基于一种新的代价函数,提出了一种新的自适应步长控制方法,该算法基于高斯函数实现恒模误差和步长之间的非线性映射,参数控制简单,具有超线性加速收敛作用,能够同时兼顾收敛速度、稳态误差和抗随机噪声性能,改善了恒模阵列性能。(2)对于非平稳信道,信号随机衰落会导致同级阵列上各输入信号相对功率快速变化,而恒模算法只是简单地捕捉功率最强信号,这会造成各级阵列捕获的信号摇摆不定,从而无法对目标用户实现稳定的捕获或跟踪,为此,在前述算法基础上,本文进一步提出了一种非对称的步长控制机制,既保证了各级阵列对目标用户的快速捕获,又能保证各级阵列对目标用户的稳定跟踪,提高了阵列抗衰落性能。 对于波达方向估计,论文在介绍常用DOA估计算法的基础上,针对常规MUSIC和ESPRIT不能处理相干源、能够估计的DOA数不能超过阵元数M、不适用于有色噪声且多径分量DOA与用户配对难等特点,按均匀直线阵和均匀圆阵分别研究了适合蜂窝系统中多用户相干多径环境的DOA估计算法。(1)对于均匀直线阵,利用阵列输出四阶累积量对上行信号空间特征实现了全盲估计,并将其用于相干多径环境下的多用户信号DOA的估计。该方法不依赖于信号具体特征,能够抗任意加性高斯噪声,利用M个阵元最多可以估计2M~2/3个DOA,可以突破传统的MUSIC或ESPRIT算法的局限,并使各多径分量与用户自动配对。通过仿真实验研究了估计方差与信噪比和快拍数之间的关系,验证了算法的有效性和鲁棒性。基于空间特征估计,构建了空间滤波器组,实现了多用户信号分离与信源恢复。(2)对于均匀圆阵,分别介绍了阵元空间MUSIC、实波束空间MUSIC和UCA-ESPRIT,通过仿真实验研究了各种算法的性能。由于这些算法都不适用于相干源,而常规的空间平滑技术不能直接用于圆阵,论文采用预处理将均匀圆阵转化为模式空间虚拟线阵后再通过平滑处理,实现了圆阵相干源DOA估计。 相干多径环境下,智能天线性能会严重恶化。论文对此提出了相应的改进方法。(1)针对现有空间平滑解相干算法的不足,本文基于充分利用子阵列自相关和互相关矩阵信息的思想,提出了一种新的自适应全局加权空间平滑算法(AGWSS),该算法大大提高了小型阵列的解相关性能。该算法是完全自适应的,无需信源角度的先验知识或对其进行预估计。(2)在AGWSS中首次提出采用对称化处理的思想保证平滑后相关矩阵的Hermite对称性,并在此基础上首次导出了AGWSS最优平滑权矩阵的闭式解。(显式表达,不同于某些其它算法的隐式表达)。(3)在AGWSS基础上,针对某些应用场所平滑后相关矩阵应满足半正定的要求,通过本文的对称化处理,在平滑后相关矩阵Toeplitz化、Hermite对称化和半正定的约束下,并基于原始-对偶内点障碍函数法,本文又提出了半正定的全局加权空间平滑算法(SD-AGWSS)。将其用于相干环境下DOA估计,大大提高估计性能,尤其在相干源角度间隔很小或信噪比较低时,分辨能力大大提高。 相干多径环境下,常用的波束形成算法性能都将严重恶化,甚至出现期望信号被对消的现象,而常规的空间平滑算法解相干能力较差,且会损失阵列有效孔径。(1)本文提出了一种改进的波束形成方案:首先利用本文提出的AGWSS算法进行自适应全局加权空间平滑,可以最大程度解相关;然后利用LCMV准则直接矩阵求逆(DMI)得到子阵波束形成器最佳权矢量;在此基础上,为了克服平滑引起的孔径损失,充分利用剩余自由度,论文分别提出在二次零陷加深准则下和在噪声增益最小化准则下的二次加权,大大提高了阵列抗相干(关)干扰和抗噪声能力。(2)论文还首次从理论上和仿真实验定量分析对比了不同平滑算法的解相干能力(相干抑制因子)。(3)论文利用自由度理论首次分析了不同平滑算法的子阵划分条件:对M元阵列,WSS最多可以滤除((M-1)~(1/2)-1)个相干干扰,而采用AGWSS时最多可以滤出(M/2-1)个相干干扰。理论分析和仿真实验证明AGWSS算法性能明显优于现有的各种空间平滑算法,尤其适用于移动通信中的小型智能天线。 论文进一步研究了智能天线中时空多径信道多维参数联合估计及其干扰抑制问题。(1)针对TD-SCDMA系统中的均匀圆阵,提出了一种新的空时扩展阵列结构,该算法能实现时空信道多径的俯仰角-方位角-时延-多普勒频移四维参数联合估计。本算法同时具备:无需训练序列或预先知道信道冲激响应、可用于多用户环境、每个用户的多径数目可以超过阵元数、且多参数自然配对等特点。在算法处理过程中,可同时从码域、空域、时域和频域对信道中的多址干扰、符号间干扰和多普勒频率干扰进行抑制,大大提高了智能天线抗干扰性能。(2)为了提高多维参数估计时的搜索速度,本文还采用了粒子群优化(PSO)算法进行多维搜索。针对基本粒子群优化算法只适合搜索全局最优的局限性,本文应用“函数变换”将原空时谱函数变换为等高峰函数,并通过修改粒子速度更新公式和“聚积处理”等手段实现了PSO算法在空时谱多峰位搜索中的应用。 最后,论文对采用智能天线后移动通信系统的信噪比、系统容量等方面进行了分析,并讨论了智能天线对原有系统可能的影响。


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