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一种新型自适应天线及其在移动通信中的应用研究

蒋泽  
【摘要】:近年来,随着数字信号处理(DSP)技术的迅速发展及数字信号处理器件性能价格比的不断提高,继在雷达、声纳及相关军事通信领域获得成功应用之后,自适应天线在蜂窝移动通信系统中的应用研究,引起了相关领域研究人员的高度重视。在这一应用场景下典型的处理方式是,基于对阵列输出的处理,从特定的性能准则出发实现对于用户信号的分离及其(空间)选择性收发。一般认为,这一应用可以从根本上解决移动通信自干扰系统的载干比问题,并因此实现用户容量和信道传输质量的根本性改善。 然而在实际问题中,由于无线蜂窝移动通信电波传播环境的复杂性以及具体移动通信系统无线传输技术的不同,应用于移动通信环境下的自适应天线技术呈现出不同于其传统应用环境的显著特点。事实上,应当结合移动通信系统自身的特点,进一步从传播环境特性建模、高性能天线阵列设计、高效自适应算法研究及系统网络管理策略方面进行统一的权衡或折衷处理,可望实现自适应天线技术与移动通信系统的最佳融合。换言之,对上述相关问题进行从整体出发的分析,是研究自适应天线在移动通信中应用问题的研究方法。 基于这一研究方法,本文具体地深入探讨了一类有可能适用于移动通信环境的重要的多波束自适应天线,即基于菲涅尔区相位修正结构聚焦的多波束自适应天线。为了更好地介绍这一天线的工作机理和性能特点,论文应用了两个部分来加以说明。 首先,对菲涅尔区相位修正结构的工作机理、从特定要求出发对该类结构进行设计的系统设计方法等进行了深入探讨。这包括:①将平面上菲涅尔区的形成视为一平面以任意角度与收发两点间菲涅尔区椭球(壳)体相交的结果。基于这一认识,不仅可以将一般的正馈修正平面设计扩展为包括正馈情形在内的更为一般化的偏馈菲涅尔区相位修正平面设计,而且可以进行共形(conformal)修正曲面上的设计;②建立了一维菲涅尔区相位修正结构与二维修正结构类比关系。这为相关的理论分析及实验研究提供了方便,即通过研究一维问题来分析其特性;③用多种电磁场外域问题的典型分析方法和实验研究的方法对菲涅尔区相位修正结构的聚焦场及远区辐射场进行了大量研究。通过实验研究结果与理论结果的 WP=8 比较,不仅从实验研究的角度对菲涅尔区相位修正结构的工作特点进行了研究,而且说明了理论分析方法的适用性;④对其诸如频率特性、交叉极化特性等参数进行了进一步的探讨。上述对于菲涅尔相位修正聚焦结构工作机理的进一步探索,客观上为该类聚焦结构的实际应用提供了更为全面的背景。基于这些分析,我们能更为灵活地基于其特点实现一种新型多波束自适应天线,并因此而对这种自适应天线的工作机制形成深刻的认识。 其次,基于菲涅尔区相位修正平面(Fresnel Zone phase correcting Plate, FZP)较好的偏轴扫描特性,我们研究小组提出了一类基于FZP聚焦结构的新型多波束自适应天线(Fresnel zone phase-correcting Multi-Beam Antenna, FMBA)。在本文中,进一步对相关问题进行了广泛深入的研究。这包括:①采用馈源阵列对FZP天线的输出进行自适应信号处理,实现了一种多波束自适应天线;②从多个角度分析了这类多波束自适应天线的工作性能。有关结果表明,这种天线兼有传统自适应天线阵元空间处理和波束空间处理的特点,一方面降低了自适应天线信号处理的复杂程度,另一方面可以有效地处理相干来波的情形;③基于无线传播信道的空间弥散特性,分析了FMBA实现空间信号来波方向(Direction-of-Arrival, DOA)的鲁棒性估计问题,从而为其基于DOA估计的实际应用提供有效的解决方案;④通过分析其阵列输出特性,我们对这种天线的工作机理进行了深入探讨,有关结果有助于进一步认识多波束自适应天线的工作机理,丰富了其设计方法。 作为一个和陆地移动通信环境相结合的应用实例,具体以CDMA陆地蜂窝移动通信系统为原型,研究了基于FMBA模型的自适应波束赋形技术,通过与ULA模型的比较,分析了其对于BER性能的改善情况。同时,针对移动无线信道的时变特性,研究了基于FMBA模型的自适应波束跟踪技术,结合一典型的陆地蜂窝无线电波传播信道模型,分析了其自适应跟踪性能。 对基于菲涅尔区相位修正结构的多波束自适应天线及其在移动通信系统中的应用而言,上述工作构成了一个相对完整的系统化的研究。这些工作一方面丰富了高频聚焦结构、多波束天线以及自适应天线等领域的研究内容,另一方面也对是移动通信环境下自适应天线技术研究的直接贡献。因此,兼有理论研究价值和实际工程应用前景。 应当指出,上述工作虽然取得了一定的结果,但由于研究时间的限制,更多地表现出对一些新的物理机制和现象的揭示。例如基于FZP聚焦场分布实现来波信号的最佳复原与重构问题,以及应用解析变换法——即基于FZP谱变换算法, WP=9 实现菲涅尔区相位修正聚焦结构的物理映射作用等问题,这些问题的充分研究和讨论,还将会进一步丰富相关领域的研究内容和研究方法。


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