基于LMS算法的智能天线研究及仿真附源码.docx
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基于LMS算法的智能天线研究及仿真附源码
基于LMS算法的智能天线研究
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。
本专题的研究工作是在MATLAB软件平台上实现的。
首先介绍了选题背景和国内外研究现状及发展趋势，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LMS的智能天线，并用MATLAB对线阵进行了仿真实现。
关键词：
智能天线，LMS算法
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[1]。
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基本概念
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几年的事情。
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[2]。
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[3]，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国外研究现状
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，已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。
1.3.1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10-3。
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。
1.3.2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。
1.3.3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。
1.4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[4]。
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。
第二章智能天线
2.1智能天线基本原理
智能天线的基本原理就是根据一定的接收准则自动地调节天线阵元的幅度和相位加权值，以实现最优接收和发射。
从空间响应来看，智能天线是一个空间滤波器，它在信号入射方向上增益最大，在干扰信号入射方向上形成零陷或低陷[5]。
智能天线技术有两个主要分支。
波束转换技术（SwitchedBeamTechnology）和自适应空间数字处理技术（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），或简称波束转换天线和自适应天线阵。
天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。
但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。
智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰[6]。
2.2智能天线基本结构
通常智能天线系统由3部分组成:
实现信号空间采样的天线阵;对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络:
更新合并权值的控制部分[7]，其基本结构如图2-1所示。
天线阵列部分根据天线阵元之间的几何关系，阵列形状大致可划分为:
线阵、面阵、圆阵等，甚至还可以组成三角阵、不规则阵和随机阵。
天线阵的配置方式对智能天线性能有着直接的影响。
在移动通信应用中天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。
天线阵元数一般取4到16。
因为一方面天线阵元数越多，系统增益也就越高；但另一方面阵元数的增加会使射频通道相应增加，会导致基站成本上升过大，所以智能天线的天线数不能过大。
阵元间距一般为半个波长，因为如果阵元间距过大，接收信号的彼此相关程度会降低;间距过小，会在天线的方向图上形成不必要的栅瓣（有较大甚至和主瓣高度相同的旁瓣）。
图2-1典型的智能天线系统结构示意图
波束成型网络部分主要完成数模转换和天线方向图的自适应调整。
每个天线阵阵元上都有ADC和UAC，将接收到的模拟信号转换为数字信号，将待发射的数字信号转换为模拟信号，完成模拟信号和数字信号的相互转换[8]。
所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。
天线方向图的调整是根据控制部分得到的权值调节天线输出来实现的。
控制部分（即算法部分）是智能天线系统的核心部分，其功能是依据信号环境、按某种性能度量准则和自适应算法，选择或计算权值。
智能天线系统是由上面三部分组成的一个自适应控制系统，它根据一定的自适应算法自动调准天线阵方向图，使它在干扰方向形成零陷或低陷，在信号到达方向形成主瓣，从而达到加强有用信号，拟制干扰信号的目的。
智能天线系统的基本工作流程可以简单概括如下:
✓系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将它们转换成数字形式，并存储在内存中。
✓处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认有用用户所在的位置。
✓处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。
✓系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。
✓在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。
以上介绍了智能天线的基本结构、原理以及工作流程，在工程实际中智能天线的工作原理更复杂，并且每一部分的实现和结构往往根据所应用的系统不同而略有不同。
2.3智能天线优点及应用
上一节介绍了智能天线的原理，移动通信中引入智能天线技术究竟能实现那些功能，它又有那些优势；移动通信系统依据多址方式和实现方法的不同可以分为不同的类别，智能天线在不同的移动通信系统中的应用情况又是怎么样呢?
这一节里主要介绍这两个方面的内容。
智能天线的功能以及在移动通信中应用的强大优势主要表现在以下几个面：
✓抗衰落：
在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。
采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。
如果采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，从而可以大大减小信号衰落的影响。
智能天线还可用于分集，减少衰落。
电波通过不同路径到达接收天线，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自适应接收天线，将这些分量隔离开，然后再合成处理，即可实现角度分集。
✓抗干扰：
用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。
与传统天线相比，用12个30°波束天线阵列组成360°。
全覆盖天线的同频干扰要小得多。
将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。
抗干扰应用的实质是空间域滤波。
智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。
✓增加系统容量：
为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。
要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。
方法之一是采用智能天线技术，用多波束天线代替普通天线。
由于天线波束变窄，提高了天线增益及C/I指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。
使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。
未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网容量[9]。
采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案，可在不影响通话质量的情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。
✓实现移动台定位：
目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。
在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。
通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
2.4智能天线发展趋势
智能天线原理已趋于成熟，但是在实际中的应用与实现并不广泛，仍处于初期，未来的智能天线将朝着以下四个方向发展：
✓情景化：
既要适应户外环境特点的美观型天线表面，又要适应具体环境的最佳波束赋形；
✓小型化：
用介质谐振器代替传统天线阵列的介质型智能天线是理想的小型化途径；
✓电调化：
通过调整赋形波束权值达到虚拟调整阵列垂直和水平波束对应的下倾角和方位角的目的；
✓宽带化：
工作频段可覆盖GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WiMAX等多种异构网络频段[10]。
总之，智能天线技术己经成为移动通信技术中一个最活跃的研究领域，它对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。
第三章LMS算法原理
3.1智能天线信号模型
以直线阵为例，假设等间距直线阵的阵元数目为N，元间距为d，参考阵元为1，微波信号s（t）的入射方向与天线阵法向的夹角为
。
如下图所示：
则信号s（t）到达第i个阵元和参考元的时间差为，其中c为光速：
如果载波频率为f，波长为
信号s（t）在参考元上感应信号用复数表示为：
则信号在第i个阵元上的感应信号可表示为：
信号s（t）在天线阵上的感应的信号用向量表示为，其中
称为引导向量：
设阵元的热噪声向量为：
空间干扰向量为：
则阵元接收信号用向量表示为：
阵元加权向量为：
阵元输出为：
3.2智能天线理论最优解
最小均方误差准则：
1）计算d（t）与阵列输出信号y（t）之间的误差
2）计算均方误差
其中，
为阵元接收信号与期望信号的互相关系数矩阵，
为接收信号的自相关矩阵。
3）这表明均方误差是权系数向量的二次函数，它是一个凹的抛物形曲面，是具有唯一最小值的函数。
调节权系数使均方误差为最小，相当于沿抛物形曲面下降找最小值。
可以用梯度法来求该最小值。
求
对加权向量
的梯度
4）令上式等于0，求解最佳加权向量：
3.2LMS算法原理
实际应用中，
和
事先未知，不能直接得到最佳加权向量，必须根据某种自适应算法求解。
最简单的是LMS（LeastMeanSquares）算法，根据最速下降法，“下一时刻”权系数向量W（n+1）应该等于“现时刻”权系数向量W（n）加上一个负均方误差梯度的比例项[11]，即：
其中，
是一个控制收敛速度与稳定性的常数，称之为收敛因子。
精确计算梯度
是十分困难的，LMS是一种粗略估计却十分有效的计算
的方法：
直接取e2（n）作为均方误差E{e2（n）}的估计值，即：
代入梯度下降法迭代公式即得LMS算法的迭代公式：
第四章仿真实现
3.1仿真参数
天线阵类型
阵元数
有用信号到达方向
干扰信号到达方向
期望信号
阵元噪声
直线阵
8
30°/15°/5°
0°
cos（2*pi*t/T）
均值为0，方差为1
表4-1仿真参数
3.2仿真结果与分析
图4-1有用信号30°，干扰信号0°
图4-2有用信号15°，干扰信号0°
图4-3有用信号5°，干扰信号0°
随着有用信号和干扰信号的到达角发生变化时，基于LMS算法的智能天线可以很好的追踪期望信号，并能够自适应调整天线阵的权值向量，使天线方向图的最大增益波束对准有用的信号，而使干扰信号到达的方向产生零陷，从而能够很好的抑制干扰信号的影响。
但是，随着有用信号和干扰信号的方向差值越来越小，如图4-3所示，两者间的到达角差值仅为5°，尽管天线最大增益依然对准有用信号方向，干扰信号方向也为零馅，但是旁瓣的增益也十分可观，因此天线多余的辐射能量也增加了，降低了天线阵的性能。
3.3文献对比验证
参考文献[12]为基于LMS算法的智能天线波束方向图仿真，其仿真参数为：
使用阵元间距为d=
2的8阵元天线，接收信号的到达角为
，干扰信源到达角为
；期望信号接收的信号向量为
，其中
，T=1ms，t=（1:
100）*T/100。
设初始的天线阵权值全为零，迭代次数为100次，其结果图为：
根据参考文献的参数进行再次仿真，所得结果如下：
与参考文献对比，结果一致，且实现了对有用信号的最大增益和干扰信号的零馅。
第五章结论
作为新一代移动通信的首选技术，智能天线技术有着其他技术所不能比拟的优越性能，对于解决日益剧增的无线通信业务、满足用户通信质量需求的问题提供了较为满意的解决方式。
在基站引入智能天线技术代替普通天线后，可以扩大系统覆盖区域，提高小区内频谱复用率，这样就可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，即用较少的基站就可实现较大区域的覆盖
其次，从移动用户的角度来看：
由于智能天线通过空域或空时域等联合处理，可以提高信干噪比、减少时延扩展和减轻衰落，进而提高了链路的性能，这样用户可以得到更加完美的通话质量；智能天线采用窄波束跟踪用户，可以提高用户方向的天线增益，这意味着移动台可以以较低功率工作，这样可以延长手机电池的通话时间和待机时间，并且可以大大减轻电磁辐射，从而降低电磁辐射对人体的危害。
同时，与其他算法相比，基于LMS算法的智能天线具有原理简单，实现容易，收敛快，性能较好等优点，在智能天线中势必能够得到广泛应用[13]。
总之，由于智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何其它技术所难以替代的，所以无论是移动网络运营商还是最终受益的移动用户对它的需求都十分迫切。
可以肯定，智能天线技术在未来的移动通信的发展中将扮演越来越重要的角色。
附录：
Matlab源码
%%清理工作空间
clc
clear
%%初始参数设置
%阵元数和阵元间距
N=8;d
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