基于MATLAB的智能天线及仿真概要.docx

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基于MATLAB的智能天线及仿真概要

摘要

随着移动通信技术的发展，与日俱增的移动用户数量和日趋丰富的移动增值服务，使无线通信的业务量迅速增加，无限电波有限的带宽远远满足不了通信业务需求的增长。

另一方面，由于移动通信系统中的同频干扰和多址干扰的影响严重，更影响了无线电波带宽的利用率。

并且无线环境的多变性和复杂性，使信号在无线传输过程中产生多径衰落和损耗。

这些因素严重地限制了移动通信系统的容量和性能。

因此为了适应通信技术的发展，迫切需要新技术的出现来解决这些问题。

这样智能天线技术就应运而生。

智能天线是近年来移动通信领域中的研究热点之一，应用智能天线技术可以很好地解决频率资源匮乏问题，可以有效地提高移动通信系统容量和服务质量。

开展智能天线技术以及其中的一些关键技术研究对于智能天线在移动通信中的应用有着重要的理论和实际意义。

论文的研究工作是在MATLAB软件平台上实现的。

首先介绍了智能天线技术的背景；其次介绍了智能天线的原理和相关概念，并对智能天线实现中的若干问题，包括:

实现方式、性能度量准则、智能自适应算法等进行了分析和总结。

着重探讨了基于MATLAB的智能天线的波达方向以及波束形成，阐述了music和capon两种求来波方向估计的方法，并对这两种算法进行了计算机仿真和算法性能分析;

关键字:

智能天线；移动通信；自适应算法；来波方向；MUSIC算法

Abstract

Withdevelopmentofmobilecommunicationtechnology，mobileusersandcommunication，incrementserviceareincreasing，thismakewirelessservicesincreasesothatbandwidthofwirelesswaveisunfitfordevelopmentofcommunication，Ontheotherhand，muchseriousCo-ChannelInterruptionandtheMultipleAddressinterruptioneffectutilizerateofwirelesswave’sbandwidth，sothetransportedsignalsaredeclinedandweardown，Allthishasstrongbadeffectonthecapacityandperformanceofquestionandbefitforthedevelopmentofcommunication，sosmartantennaariseSmartAntenna，whichisconsideredtobeasolutiontotheproblemoflackingfrequency,becomesahotspotintheMobileCommunicationarea．Withthistechnology,CapacityofMobileCommunicationsystemcanbeincreasedeffectivelyandthequalityofservicecanbeimprovedatthesametime.TostudySmartAntennaanditskeytechnologiesisimportantbothintheoryandinpractice。

AlloftheresearchworkofthispaperisbasedontheMATLABsoftwareenvironment．First，inthispaper，wemakeanintroductionontheappearancebackgroundoftheSmartAntennatechnologyanditsrelativetheoryandconcept．Inaddition,someproblemsaboutitsrealizationsuchasmodesofitsrealization,rulesofitsperformance,

adaptivealgorithmsareanalyzed.FocusedonthesmartantennabasedonMATLABtheDOAandbeamforming，andcapononthemusicfortwotowavethedirectionoftheestimatedmethod.Inordertodecreasecalculating-timeandcomplexityofthealgorithm,aruleofmaximumreceivedsignalispresented;Nextseveralproblemsaboutrealizationofthealgorithmarediscussed。

KeyWords:

SmartAntenna；MobileCommunication；AdaptivealgorithmDirectionOfArrival；Cyclic-MUSICarithmetic

目录

第一章绪论...........................................6

1.1课题背景..........................................6

1.2主要概念..........................................7

1.3国内外研究现状.....................................8

1.3.1国外研究现状.....................................8

1.3.2国内研究现状....................................10

1.4本文研究的意义....................................11

1.5本论文研究的主要内容及章节安排.....................11

第二章智能天线.....................................12

2.1概述............................................12

2.2移动通信环境与智能天线的信号模型...................12

2.2.1移动通信环境....................................12

2.2.2移动通信中的空间信道模型.........................14

2.3智能天线的基本原理及结构..........................14

2.3.1智能天线的基本原理..............................14

2.3.2智能天线系统的基本结构..........................16

2.4智能天线的主要功能及应用..........................18

第三章基于MATLAB的波达方向研究以及波束形成.........20

3.1MATLAB概述.......................................20

3.1.1MATLAB语言简介.................................20

3.1.2MATLAB语言特点.................................20

3.2天线阵的波达方向估计的MATLAB仿真..................22

3.2.1原理...........................................22

3.2.2波达方向估计的方法...............................24

3.3天线阵波束形成的MATLAB仿真........................27

第四章总结..........................................31参考文献.............................................32致谢................................................32

第一章绪论

1.1课题背景

移动通信作为未来个人通信的主要手段，在全球通信业务中占据越来越重要的地位。

随着移动通信用户数的迅速增长以及人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍保持较高的服务质量。

而与此要求相对，目前移动通信中主要存在两大问题：

第一，随着移动用户的增多，频谱资源日益匾乏；第二，由于信道传输条件较恶劣，所需信号在到达天线接收端前会经历衰减、衰落和时延扩展，另外还有来自其他用户的干扰，极大地限制了系统通信质量的提高。

这两大问题是移动通信技术发展的主要矛盾，也是推动移动通信技术发展的原动力。

必须采取有效方法对系统进行扩容并提高服务质量。

为了解决系统容量问题，第二代数字蜂窝系统中主要采用时分多址（TDMA和码分多址（CDMA两种多址方式;为了提高系统通信质量，在第二代系统中广泛采用了调制、信道编码、均衡（TDMA系统、RAKE接收（CDMA系统等时、频域信号处理技术以及分集天线、扇形天线等简单空间处理技术。

这些解决方法在发挥各自功效的同时，有着共同的不足，即无法对空域资源进行有效利用。

智能天线技术正是在这样的背景下被引入到移动通信中来的。

理论研究和实测数据均表明:

有用信号、其延时样本和干扰信号往往具有不同的到达角（DOA和空间信号结构，利用这种空域信息我们可以获得附加的信号处理自由度，从而能提高系统容量，并且能够更有效地对抗衰落和抑制干扰。

应用于无线通信系统基站的智能天线技术正是充分利用了信号的空域信息，它能有效地扩充系统的容量,大幅度提高系统的通信质量。

智能天线技术己经被公认为第三代移动通信系统的一项关键技术，并越来越受到人们的关注。

在提交国际电联ITU所有的3GRTT标准中，几乎都附有一条:

如果有可能，本建议将采用智能天线技术:

在国际电联2000年3月份的会议上，更是提出要重视在CDMA系统中使用智能天线技术，并在2000年8月份的会议上正式讨论了在CDMA系统中使用智能天线的问题。

可以预见，智能天线技术将在未来的移动通信体制中占据非常重要的地位。

1.2主要概念

智能天线又称为自适应天线阵列，英文名为SmartAntenna或IntelligentAntenna。

智能大线技术的核心是阵列信号处理，早期应用集中于雷达和声纳信号处理领域，七十年代后期被引入到军事通信中，而应用于民用蜂窝移动通信则是近十儿年的事情。

一般而言，智能天线是专指用于移动通信中的自适应天线阵列（这里的移动通信系统主要指数字蜂窝移动通信系统，它利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪所需用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准不希望的干扰信号到达方向，达到充分分离和有效利用用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

在移动通信的基站中使用具有全向收发功能的智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域内发送和接收，这样就可以充分利用信号发射功率，降低信号全向发射带来的电磁干扰与相互干扰。

智能天线是提高无线电数据通信，包括蜂窝通信、个人通信和第三代宽带CDMA等系统容量的最佳选择，它超越了任何由信道复用和各种调制技术所达到的水平。

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess是码分多址的英文缩写，它是在数字技术的分支—扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

SDMA（SpaceDivisionMultipleAccess是空分多址的英文缩写，移动通信中应用智能天线技术就产生了这种新的信道增容方式。

它不同于传统的频分多址（FDMA,时分多址（TDMA或码分多址（CDMA，这种多址方式是利用用户空间位置的不同来区分不同用户，也就是说，在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的空间传播路径而区分不同的信号。

空分多址可以与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分—码分多址（SD-CDMA、空分—时分多址（SD-TDMA等，这样可以成倍地增长系统容量。

码间干扰（ISIInter-SymbolInterference是数字通信系统中除噪声干扰

之外最主要的干扰，它与高斯分布的加性噪声干扰不同，是一种乘性干扰。

信道的衰减和时延失真等都可能引起ISI，实际上，只要传输信道的频带是有限的就不可避免地带来一定的ISI.以一定速度传送的波形受到非理想信道的影响表现为各码元波形持续时间拖长，从而使相邻码元波形产生重叠，从而引起判决错误，当这种线性失真严重时，码间干扰显得尤为突出。

同信道干扰（CCICommonChannelInterference，又叫同频干扰，它是指使用相同频率的信道之间的干扰。

在蜂窝移动通信中，同信道干扰主要指使用相同频率的小区间的干扰。

多址干扰（MAIMultipleAccessInterference，是在码分多址蜂窝移动通信中出现的一种干扰。

由于在同一个小区内同时通信的用户是多个，多个用户均占同一时隙、同一频率，所不同的是选取的地址码不一样，而实际选用的地址码间的互相关函数不可能全为零，这样多个用户同时通信时必然会产生多址干扰。

天线增益——取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率与采用定向天线时所需的输入功率之比称为天线增益，常用“G”表示，天线增益可以用来描述天线往某一方向发射的能力。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

移动通信在经历了第一代模拟通信系统、第二代蜂窝数字通信系统和窄带CDMA系统，正向第三代移动通信系统发展。

目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，国外如欧美等发达国家非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用，己经开展了大量的理论分析和研究，同时也建立了一些技术试验平台。

1.欧洲

欧洲通信委员会在计划中实施了智能天线技术第一阶段研究，称之为TSUNAMI（TheTechnologyinSmartantennasforUniversalAdvancedMobileInfrastructure，德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。

该项目组在DECT基站

基础上构造智能天线试验模型，于1995年初开始现场试验。

天线由8个阵元组成，射频工作频率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线形、圆环形和平面形三种。

模型用数字波束形成方法实现智能天线，采用ERA技术有限公司的专用集成电路芯片DBF1108完成波束形成，系统评估了识别信号到达方向的多用户信号识别分类算法（MUSIC，采用的自适应算法有归一化最小均方算法（NLMS和递归最小平方算法。

实验验证了智能天线的功能，在2个用户4个空间信道（包括上行和下行链路情况下，试验系统比特差错率（BER优于310。

现场测试结果表明，圆形和平面形天线适用于室内通信环境，而市区环境则采用简单的直线阵更合适。

2.日本

ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。

天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，工作频率为1.545GHz.阵元接收信号先经过模数变换，然后进行快速傅里叶变换处理，形成正交波束后，分别采用恒模算法或最大比值合并（MRC算法。

数字信号处理部分由10片现场可编程门阵列完成，整块电路板大小为23.3*34.0（CM。

野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束智能天线的功能。

根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素（如噪声、同信道干扰或符号间干扰也不同，利用软件方法在不同环境应用不同算法。

比如当噪声是主要因素时使用多波束最大比值合并算法;当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法:

而要抵消符号间干扰时采用最小均方算法和最大似然连续估计算法（MLSE，以此提供算法分集。

3.美国

美国对于智能天线技术的研究水平处于世界领先地位，并且许多电信设备生产商纷纷推出了自己的产品。

最具代表性的是爱瑞通信公司（ArrayComm，它是一家拥有成熟的自适应智能天线技术的全球知名通信技术公司，在这一领域拥有多项专利技术，居世界领先水平。

爱瑞通信公司拥有丰富的自适应智能天线的产品线，其中IntelliCell技术在通信系统中的应用能有效地改善信号质量和频谱

利用率，使系统容量和覆盖范围增大，提高数据传输速率，从而获得最佳的语音质量。

IntelliCell处理器通过自适应处理算法，形成可以加权参数，在幅度，相位和信号空间到达角等多个指标_L进行每秒调整数百次的调整，从而完成上行处理和下行波束形成。

该技术己经在全球超过7.5万个基站系统上得到应用，为450万名无线用户提供高质量的无线宽带（WirelessBandwidth服务。

这一技术支持第三代移动通（3G各种空中接口标准（IMT2000WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA，在容量、数据传输速率、覆盖范围及服务质量上都比传统移动通信系统具有明显的优势。

据称，IntelliCell可以使运营商的基站数量减少50%，由此可以减少大量的设备成本和营运成本。

另外，德州大学奥斯丁SDMA小组建立了一套智能天线试验环境，并着手理论研究以及与实际系统相结合的研究。

4.加拿大

加拿大McMaster大学开发了四元I-4列天线，并进行了恒模（CMAConstantModuleAlgorithm算法的研究。

1.3.2国内研究现状

国内对于智能天线的研究起步较晚，但也取得了一些成绩。

如北京信威公司研制了应用于无线本地环路（WLI的智能天线系统，信威公司的智能天线采用8阵元环形自适应阵列，工作于1785-1805MHz,采用时分双工方式，收发间隔10ms，接收机灵敏度最大可提高9dB。

但该系统只能工作于无线本地环路中，并对用户位置、移动速率有一定的要求。

在国内一些大学和研究结构，如清华大学、西安交大、中国科技大学、西安电子科技大学、北方交通大学、北京邮电大学、电信科学技术研究院等相继开展了智能天线的理论研究一些大的电信设备生产企业如大唐电信、华为、中兴科技等也投入了很多的人力物力进行研发;国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究。

1.4本文研究的意义

智能天线有着非常诱人的应用前景，许多国家都投入了大量的人力物力对该

技术进行研究，并取得了一些成就。

概括地讲，目前研究主要解决了以下两方面

的问题:

1.研究论证了智能天线在不同移动通信系统中应用的可行性和有效性，建立

了一些技术试验平台，并且在一定的条件下（从目前情况来看，智能天线正逐步

应用在固定无线接入系统中，即用户固定无线传播环境不断变化的情况）实现了

智能天线技术，验证了智能天线在提高移动通信系统性能中表现出的强大优势。

2.研究了智能天线基本结构以及功能模块，并提出了一些智能天线的性能度

量准则和自适应波束形成的算法.

智能天线应用于3G系统时，同时也带来了相应的新问题，如：

智能天线的校

准、智能天线和其它抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、设备复杂性的考

虑、帧结构及有关物理技术等。

波束形成是智能天线的关键技术之一，本论文主要研究智能天线的波束形成

技术。

1.5本论文研究的主要内容及章节安排

本论文主要研究智能天线波束形成技术，包括基本思想、技术原理，研究智

能天线波束形成的MATLAB仿真技术，包括天线阵波达方向估计MATLAB仿

真，以及天线阵波束形成的MATLAB仿真。

本论文的章节安排如下：

第一章智能天线的研究现状以及本课题研究的意义；

第二章智能天线的原理以及结构和功能；

第三章利用MATLAB仿真工具，重点对天线阵波达方向估计以及天线阵的

波束形成进行仿真。

第二章智能天线

2.1概述

应用于具有复杂电磁波传播环境的移动通信系统中的智能天线是一种具有

上行接收和下行发射双向功能的天线系统，它能够有效提高天线系统的可靠性与

灵活性，增加通信系统容量和改善通信质量。

本章将对这一技术展开研究，前半

部分介绍智能天线系统原理及应用，内容包括智能天线的应用环境、信道模型、

工作原理、结构、应用;后半部分主要探讨智能天线技术实现中的若干问题，内

容包括智能天线的实现方式、性能度量准则等。

2.2移动通信环境与智能天线的信号模型

移动通信系统都有着复杂的电磁波传播环境，从某种意义上说，智能天线的

工作原理可以理解为根据用户信号的不同空间传播方向调节用户信道参数，从而

减少干扰对系统的影响。

因此，了解移动通信的环境以及复杂移动通信环境所引

起的干扰，建立可以有效而精确地预测无线系统的信道模型，对于智能天线技术

的研究和实现有着十分重要的意义。

2.2.1移动通信环境

随着无线电技术的发展和广泛应用，空间传输的电磁波变得越来越复杂。

应

用智能天线技术就是为了有效消除电波传输的不利影响。

影响移动通信中信号传

输的主要因素有:

通信信道的特点、电磁波传播方式、传输损耗及传输效应，下

面分别予以介绍。

1.移动通信信道的主要特点

1传播的开放性，即一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传

输的。

2接收地理环境的复杂性与多样性，有城市中心繁华区近郊小城镇农村及远

郊区。

3通信用户的随机移动性，有慢速步行的通信和高速车载不间断的通信。

2.电磁波是无线信号传输的介质，移动通信下的电磁波传播方式有:

1直射波:

它是指视距覆盖区无遮挡的传播，直射波信号最强。

2多径反射波：

指不同建筑物或其它物反射后到达接收点的传播信号。

3绕射波：

从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与放射波相当。

4散射波：

由于空气中离子受激后二次反射后引起的漫反射后到达接收点的传

播信号，其信号强度最弱。

3.电磁波在传输过程中是有损的，移动通信电磁波传输可能会有下面三种不同的

损耗:

1路径传播损耗：

又称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映

了传播在宏观大范围的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。

2慢衰落损耗：

它是由于电磁波在传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所

产生的阴影效应而产生的损耗。

它反应了中等范围内数百波长量级接收电平的均

值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又