现代移动通信论文剖析.docx
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现代移动通信论文剖析
西北师范大学
计算机科学与工程学院
现代移动通信
课程设计报告
设计题目：
智能天线—线阵
姓名：
张记强
学号：
201271060137
专业班级：
2012级物联网工程
系所中心：
计算机科学与工程学院
指导老师：
贾向东
起讫时间：
2014年12月1日-12月20日
设计地点：
教9-C501实验室
2014年12月20日
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,无线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。
智能天线技术为解决频率资源不足、提高移动通信系统容量和系统服务质量提供了一个有效的解决途径。
1998年我国电信科学研究院向国际电联提交的TD-SCDMARTT建议并于2000年确定为国际第三代移动通信主流标准之一,第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信实施方案。
在TD-SCDMA中,智能天线作为关键技术,可以大大提高系统性能。
由于智能天线本身的优越性,因此早在1990年就有智能天线在蜂窝移动通信中的应用研究,随着G3移动通信技术的成熟,目前,智能天线的商用化进程也加快。
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,并分析了智能天线中的自适应算法。
而论文主要研究了平面阵列的性能，并通过MATLAB仿真实现了智能天线圆阵排列。
关键词：
移动通信；智能天线；MATLAB；圆阵
目录
第1章绪论
1.1移动通信发展简介
1.1.1通信从有线通信到无线通信的演进
1.1.2无线接入方式的演变
1.1.3从大区模拟通信到蜂窝数字通信
1.2第三代移动通信
1.3智能天线技术的由来
1.3.1智能天线简介
1.3.2传统解决方法的瓶颈
1.3.3智能天线实现的实际考虑
第2章智能天线简介
2.1智能天线原理
2.2智能天线的基本结构
2.3智能天线的应用技术
2.4智能天线的分类
2.4.1自适应方向图智能天线
2.4.2多波束切换天线
2.5智能天线中的自适应算法
2.6智能天线国内外应用及研究现状
第3章基于MATLAB的智能天线线阵排列仿真
3.1智能天线平面阵列仿真
第4章总结
第1章绪论
1.1移动通信发展简介
1.1.1通信从有线通信到无线通信的演进
从通信技术的出现到现在,通信网络的规模和用户也越来越壮大。
通信业务也从仅仅是语音通信发展到了数据、视频通信。
然而,要使用户最终享受通信网络和技术带来的便利和快捷,就必须让用户和通信网络方便连接。
最先用户接入通信网络的方法是通过铜线等金属线来实现。
但是,由于铜资源的稀少,成本高,而且同时所能提供的传输带宽远远满足不了广大用户的宽带应用要求。
后来发展到用同轴电缆对用户进行通信网络接入。
人们对通信的要求也越来越高,为了满足这这些要求,采用光纤作为用户的接入媒介,可以提供很宽的带宽,有很大的优越性,但其费用对于个人和商业用户来说非常昂贵,一般只用于主干传输线路。
最重要的是由于通信线路的布局不能实现随时随地方便地接入。
因此,无线通信方式逐渐发展,并可以提供移动灵活性和宽带接入要求,很快成为传统有线接入方式的替代品。
1934年,人们就开始利用微波无线电系统传送电话横越英吉利海峡。
1947年,美国贝尔研究所在纽约与波士顿之间建立了宽带模拟微波中继系统。
70年代以后,数字微波通信系统开始投入使用。
渐渐地,无线通信技术应用于个人通信领域并且产生了移动通信。
1.1.2无线接入方式的演变
模拟蜂窝系统的技术是采用频率复用实现网络的大范围覆盖，它在每个小区采用频分多址技术FDMA（FrequeneynivisionMultipleAecess）,即对于在同一基站覆盖的范围内同时工作的多个移动台,基站是以工作频率来区分的,每一个移动台都使用不同的频率与基站通信。
然而,电磁波的频率资源是有限的,随着移动用户与日俱增,最终将导致移动通信系统的容量不能满足现实发展的需要。
为了扩大移动通信系统的容量,必须开拓新的接入方法。
随着计算机技术大规模集成电路和数字信号处理技术的发展,移动通信技术也采用了数字技术。
从此移动通信中出现了新的无线接入技术时分多址技术TDMA（五meoivisionMultipleAeeess）。
将特定长度的时间段划分为多个时隙,每个移动台对应特定的时隙进行接收或发送信息,这样,在同一个频率点上,基站就可以根据不同时隙来区分同时工作的多个移动台。
将FDMA和TDMA技术结合起来,就可以大大提高通信系统的通信容量。
虽然TDMA技术的出现提高了通信系统的容量,但其容量上限受到硬件处理速度的限制。
随着扩频通信技术的出现和发展,诞生了新的无线接入技术码分多址CDMA（CodenivisionMultipleAeeess）,多个移动台在同一个小区Cell中工作的时候,每一个移动台拥有唯一区别其他移动台的正交伪随机码,基站是通过码型区分移动台的,这样,在某一个特定频率点、某一个特定时隙点,可以有多个移动台同时有效工作于一个小区内。
由于可以找到的准正交码的数目巨大,大大提高系统的容量。
信系统的容量将更大。
若将FDMA、TDMA、CDMA技术结合在一起,则可以移动通但在实际的CDMA系统中,所用的码型是相互准正交,故存在非完全正交带来的多址干扰。
1.1.3从大区模拟通信到蜂窝数字通信
通信技术的发展经历了从模拟到数字的一个过程。
模拟通信系统就是所有传
输和处理的信号及其信号处理手段都是模拟的。
70年代,美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统AMPS并于1979年在芝加哥试运行,这是世界上第一
个蜂窝模拟移动通信系统。
进入阅年代,模拟蜂窝移动通信技术走向成熟并在全世界得到广泛应用。
到90年代初,模拟蜂窝移动通信网占了全世界移动通信网的大多数,并使移动电话业务得到快速普及。
模拟移动通信被称为第一代移动通信。
早期的模拟移动通信系统是在大的覆盖区域中心设置大功率发射机,采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十公里）；为该覆盖区域内的用户提供无线接入服务。
这种系统的不足是它同时提供给用户使用的信道数有限,满足不了移动通信业务迅速增长的需求。
例如,在70年代于美国纽约开通的IMTS（Im讲ovedMobile介lephonesevriee）系统,仅能同时提供12对信道供使用，如果出现第13对用户要求通话,只能出现忙音。
随着以大规模集成电路为基础的数字信号处理技术的发展和应用,使人们抛开模拟技术而采取了数字技术。
数字信号处理技术的应用,提高了信号的传输质量；扩大了通信系统的容量；同时采用数字加密技术,提高了传输信号的保密性。
同时为了解决提高通信系统的容量这个问题,出现了蜂窝网覆盖的概念。
蜂窝网是把原来的大覆盖区域划分成若干个较小的区域Cell（在蜂窝系统中称为小区）,各小区均用小功率的基站发射机进行覆盖,并为该小区内的移动用户提供无线接入服务。
这样,在保证通信质量的情况下,一个任意形状的大区域都可以用若干个Cell进行覆盖,使大区域里可以同时容纳的用户数大大提高。
以至今还在使用的GSM和SI一95为代表的数字蜂窝通信系统称为第二代移动通信系统。
为了通过移动通信能够提供无线工internet业务和多媒体业务,提高移动通信中数据的传输率,使之满足人们日益对带宽的需求,因而的第三代移动通信己提上议事日程。
它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要提供带宽。
TIU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中,必须满足以下
三种,即
（）l快速移动环境,最高速率达144kbit/s；
（2）室外到室内或步行环境,最高速率达到384kbit/s；
（3）室内环境,最高速率达到ZMbit/S
这样的速率已经能满足我们对无线工internet业务和多媒体业务要求了。
目前,ITU将WCDMA、CDMA2000和TD一SCDMA确定为目前3G的三大主流无线接口标准。
1.2第三代移动通信
第三代移动通信是近20年来现代移动通信技术和实践的总结和发展。
国际电联TU-R在20年前（1985年）,就开始研究第三代移动通信的技术和标准。
其目标是统一全球移动通信标准和频段,实现全球漫游,提高移动通信的频谱利用率及数据传输速率,满足多媒体业务的需求。
1997年,确定了基本要求和征求无线传输技术（RTT）建议。
至此,第三代移动通信进入了制定和完成国际标准的快车道,成为全球通信业技术和市场竞争的一个焦点。
在信息产业部的大力支持下,大唐电信集团代表中国起草的第三代移动通信世界标准草案TD-SCDMA提交到ITU。
这是中国自有电信史100多年以来,首次向IUT提交完整的全系统标准。
ITU本次共征集到分别来自美、欧、中、日、韩等国家和地区的16种3GRTT（第三代移动通信无线传输技术）标准提案,其中6种是卫星移动的RTT标准提案,其余10种为地面移动的G3RTT标准提案。
中国的TD一SCDMA是10种地面移动的3GRTT标准提案中的一员。
在提案评审和筛选的过程中,国际电联根据对G3标准的要求,对10个地面移动的G3标准提案进行了长达两年的评估、仿真、融合、关键参数的确定工作,最终在2000年5月5日土耳其工TU-R全会上,通过了包括中国提案在内的几个无线传输的技术规范,它们分别是:
CDMA2OO0（美国提出）,WCDMA（欧、日提出）,TD-SCDMA（大唐起草,中国提出）；其中,CDMAZ000与WCDMA是频分双工（FDD）模式,TD一SCDMA属于时分双工（TDD）模式,ITU-R分别为G3的这两种模式划分了独立的频段,自此DCMAZ000,WDCMA和TD一SCDMA成为目前G3的三大主流标准。
目前,第三代移动通信系统的框架己确定,将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合,形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络,满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求,支持话音、数据和多媒体业务,实现人类个人通信的理想。
ITU对第三代陆地移动通清系玩剑基不要求是:
在室内、手持机及移动三种环境下,支持话音和各种多媒体数据业务（速率达ZMb/S）,实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。
第三代移动通信网由核心网、无线接入网和用户终端构成。
鉴于历史和现状,核心网主要是以第二代移动通信的两种网络为基础,从而形成了两套网络标准。
1.3智能天线技术的由来
1.3.1通信系统发展遇到的问题
由于移动通信技术的发展,集成电路的规模和性能迅猛增加,计算机技术大发展,多媒体信息处理技术逐渐成熟。
信息交流呈爆炸性增长和全球化趋势,多媒体信息流逐渐超过话音流。
信息的无线传输是需要功率和带宽的,高速率的信息传输需要大的发射功率和足够的带宽。
但在客观的应用环境中,遇到了诸多问题。
第1、无线传输环境非常复杂,损耗、衰落、干扰使得无线传输的效率很低,为了保证好的信号传输质量,必须提高发射功率。
第二、在建网初期,网络要求达到覆盖要求,但用户少,资金回收少,为了减少基站数目,节省开支,同时扩大覆盖距离,也必须提高发射功率。
第三、对于传统的天线是全向性的,而真正能被期望用户有效利用的信号功率只是到达用户方向的一小部分；在其它方向辐射的功率是没有利用的,变成了浪费。
同时这些在非期望用户方向上发射的电磁信号对其它用户和其它基站将带来干扰,这和第一个问题是矛盾的。
第四、频率资源有限,直接从频率资源上能获得的系统容量有限,难以满足实际的需要。
同时干扰也是一个限制系统容量的重要因素。
1.3.2传统解决方法的瓶颈
为了解决以上出现的问题。
首先,可以提高射频信号的发射功率来保证无线信号传输的质量；在建网初期拥有较少用户的情况下,为了实现覆盖要求,也必须投入相应数目的基站,即使投入的资金远大于用户带来的收入。
其次,要减少全向天线辐射带来的干扰,就必须使发射功率减小。
另外,要提高系统的容量,提高频率资源的利用率,已经实现的方法是使用划分小区,采用频率复用,但小区数的增加,频率复用度增加的同时,必须减小基站的发射功率,以减小同频干扰；这样也导致越区切换的量增加,系统的负荷加重。
可见,对整个网络和通信系统性能的总体优化来说,面临很多的问题,且诸多方面是矛盾的。
1.3.3有效的解决方法和智能天线技术的出现
为了解决这种发展瓶颈,就要提高发射功率的利用率,使功率发射具有指向性,将发射信号功率集中使用在期望方向,提高期望用户信号质量的同时,减少了对非期望用户的干扰,可以在很大程度上提高系统的容量。
由于将功率集中指向,用相同的功率可以获得更高的增益。
一方面可以提高信号传输质量；在相同的小区,可以使用相对于传统天线小的功率实现覆盖要求；另一方面,如果在基站和移动台同时使用智能天线,可以在建网初期使用较少数目基站而实现大范围覆盖。
指向性功率发射还可以用于采用频率复用的小区,增加频率复用率的同时,减小干扰,从而大大提高系统的容量。
基于此,出现了利用波束空间指向来划分信道的概念。
方向性的发射和接收射频信号,有助于提高系统容量、系统覆盖距离和系统服务质量。
所以,可以把空间划分作为一种接入方式,引入了新的无线接入方式,空分多址SDMA（SpaeeDivisionMultipleAeeess）,成为FnMA、ToMA、
cDMA的补充。
由此发展起来的空域滤波〔./l可以将在频谱上和时间上交叠的多个信号区分开来,而智能天线就是实现空间滤波的一种有效方式；智能天线系统可以适时更新时域、频域和空域响应。
所以智能天线成为了当今移动通信系统中的研究热点。
在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的DT一CSMDATRT建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的CDMATDD技术（低码片速率选项）中,智能天线是其核心技术之一。
第二章智能天线简介
2.1智能天线原理
移动通信系统中采用的智能天线技术在工作时引入了空分多址的概念，利用用户空间位置的不同来区分用户。
系统通过调整天线阵列中各个天线单元上的可编程器件，来改变各个天线单元的权值，从而将天线用于接收信号的波束导向具体某一方向，产生定向的空间波束，产生的天线波束的主波束对准期望信号方向，旁瓣或零陷对准干扰信号，有效地接收了期望信号，并消除了干扰；智能天线系统还利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术，在同一信道上实现了接收和发送多个移动用户信号，而互不干扰的效果，使不同的移动用户可以使用同一段频谱资源，实现了资源共享。
2.2智能天线的基本结构
智能天线系统在结构上已经形成了模块化设计，大体分为天线阵列，模/数或者数/模转换，自适应处理，波束成型网络等四大部分其中天线阵列用于在接收或发送模拟信号时形成期望的波束，主要分为线阵，面阵，圆阵，三角阵，不规则阵和随机阵等；模/数或数/模转换部分在接收信号时将模拟信号转换成数字信号，在发送信号时将数字信号转换成模拟信号；自适应处理部分根据自适应算法和波达角估计算法来产生期望的权值；波束成型网络部分通过得出的权值对各个天线阵元进行动态自适应加权处理，并利用天线陈列产生期望的自适应波束。
智能天线结构框图如图1所示。
下面的讨论基于等间距线天线阵,如图2所示。
图2等间距线天线阵
首先建立智能天线的信号模型。
设等间距线天线阵的阵元个数为L,阵元间距d,以第1个阵元作为参考阵元,信号s（t）的入射方向与天线阵法线方向的夹角为θ。
s（t）到达第i个阵元与到达参考阵元的时间差为
------------------------------------
（1）
其中c为光速。
信号s（t）在参考阵元上的感应信号通常可用复数形式表示为
------------------------------------
（2）
信号s（t）在第i个阵元上的感应信号可表示为
------------------（3）
这里λ为载波波长。
把信号s（t）在天线阵上感应的信号用向量表示为
------（4）
其中
-----------------（5）
称为引导向量。
考虑噪声,x（t）可表示为
----------------------------------（6）
其中
---------------------（7）
窄带传输条件下采用窄带波束形成器,如图3。
图3窄带波束形成器结构
记
-------------------------------------（8）
阵列输出信号y（t）可表示为
------------------------------------（9）
根据不同的准则选取加权向量w,可使某个方向上的信号得到最佳合并,而其他方向上的干扰和信号则被抑制。
将窄带波束形成器同时域FIR滤波器进行比较后可以发现,两者结构类似,而且两者的参数还存在一定的对应关系,时域FIR滤波器在时域对信号进行处理,而窄带波束形成器在空域对信号进行处理,所以窄带波束形成器通常又可称为空域滤波器。
当不满足窄带传输条件时,信号带宽比较大,信号通过天线阵时,不仅存在着相位差,振幅也发生变化。
对这样的宽带信号,应该选择宽带信号处理方案,宽带波束形成器结构框图如图4所示。
图4宽带波束形成器结构
和窄带波束形成器不同,宽带波束形成器中每个阵元接收到的信号都要用一个FIR滤波器进行处理,由于信号中不同的频率分量通过天线阵产生的相移不同,采用这样的结构能对相移差进行补偿,因而这种处理器具有频率选择性。
由此可见,宽带波束形成器同时在空域和时域对接收到的信号进行处理,这种处理方式称为空时阵列处理。
2.3智能天线的应用技术
按照技术方向划分，智能天线的技术主要可以分为智能天线的接收部分技术，发送部分技术，以及动态信道分配技术等三方面技术。
其中智能天线的接收技术应用于移动通信中接收上行链路传输的移动用户信号的过程，通过采用信道估计和均衡技术抵抗在同一信道接收的不同用户间的多址干扰和码间串扰，分离出各个移动用户，接收的同时，为了给系统发送信息提供相关参数，还需要估计出反映用户空间位置信息的参量；发送部分技术，是系统利用下行链路发送移动用户信号的过程中使用的技术，主要是通过动态控制发射信号功率实现的，保证每个用户只接收系统发给它的下行信号，不受同一信道中系统发送的其他用户信号的干扰，减少其他移动用户对该用户的干扰；动态信道分配技术则是通过空分信道与时分信道、频分信道、码分信道以及切换技术相结合方式，保障通信质量，有效利用信道资源。
2.4智能天线的分类
在很多文献中,智能天线有三种分类方法。
下面介绍其中的一种分类定义。
2.4.1自适应方向图智能天线
自适应天线阵列对到达各个天线阵元的信号分别进行加权,然后用自适应算法联合处理,使其方向图是随信号及干扰的变化而变化,使期望信号和干扰的比值达到适时最大化。
自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号波达方向,并在此方向上为用户独立形成主波束。
它的优点是算法较为简单,可以得到最大的载扰比。
自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化,动态响应速度相对较慢。
自适应天线阵列一般采用4一16个天线阵元结构,阵元间距为半个波长。
2.4.2多波束切换天线
多波束天线在工作时,天线方向图形状基本不变,其利用多个并行波束覆盖
整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。
当用户在小区中移动时,天线阵列确定用户信号的到达方向（DOA）,根据用户移动过程中环境的变化,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。
多波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰,是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。
与自适应智能天线相比,固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快,但它对天线单元与信道的要求较高,而且用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束切换天线不能实现信号最佳接收。
2.5智能天线中的自适应波束形成算法
自适应波束形成算法是智能天线研究的核心内容。
有关智能天线自适应波束形成算法的文献众多:
LC.Godara对大量的自适应波束形成算法进行了总结；AF.Naguib、PPetrus和ZRong分别在自己的学位论文中对各种自适应波束形成算法进行了分类概括。
上行链路窄带自适应波束形成算法分类图见图5。
图5自适应波束形成算法分类
根据是否需要发射端发射参考信号,自适应波束形成算法可分为盲和非盲两大类,非盲算法基于发射端发送的时域参考信号,盲算法不需要发射端发送参考信号，详细算法在此不再赘述。
2.6智能天线国内外应用及研究现状
智能天线技术在20世纪60年代就开始发展,最初的研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的性能和电子对抗能力。
到20世纪90年代中,在美国和中国开始考虑将智能天线技术用于无线通信系统。
在1997年,北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统；美国Rde面m公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。
以上是最先商用化的智能天线系统。
目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时,中国、欧、日、美等国己经开展了大量的理论分析研究,同时也建立了一些技术试验平台。
1.中国
在1997年,北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统；是两个最先商用化的智能天线系统之一。
在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD一SCD瞅RTT建议并与2000年5月已被TIU批准为第三代移动通信国际标准之一DCMATDD技术（低码片速率选项）,智能天线是其核心技术。
目前,智能天线的研究主要集中在大唐电信、西安海天天线有限公司、各高校、研究所、中兴通讯等大的通信公司。
2.欧洲
欧洲通信委员会（CEC）在
ARCE（ResearehintoAdvnacedeounnunieationinEuorpe）计划中实施了第一阶段智能天线技术研究,称之为
TSLJNAM（IThcTeehnologyinSmartAntennasofrUniversalAdvnaeedMobileInfrastureurte），由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。
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。
天线由八个阵元组成,射频工作频率为1.89GHz,阵元间距可调,阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。
模型用数字波束成形的方法实现智能天线,采用ERA技术有限公司的专用ASIC芯片DBFll08完成波束形成,使用TMS32OC4O芯片作为中央控制。
系统评估了识别信号到达方向的MUSIC算法,采用的自适应算法有NLMs伽onnaliez4LeastMenaqs~）s算法和RLS（RecuIsiveLeastSquare）算法。
同时,通过现场测试,表明圆环和平面天线适合于室内通信环境使用,而像市区环境则采用简单的直线阵天线更合适。
欧洲通信委员会（CEc）准备在AeTs（^dvnaeedeounn画cation介ehnologies即desvrcies）计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究,具体问题集中于以下方面:
最优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。
3.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切换天线。
天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵,射频工作频率是
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