通信新技术03-07.ppt

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1、通信新技术智能天线智能天线及其在移动通信中的应用及其在移动通信中的应用冯正和2003年7月18日1目录一、序二、天线阵列三、天线阵列流形和脉冲响应四、自适应天线五、测向技术(DOA)六、容量分析七、MIMO八、结束语2一、序1、智能天线的特点和应用阵列天线，匹配传播环境，波束跟用户，功率和增益（环境、能量），提高频谱利用率，定位FDMA、TDMA、CDMA、SDMA应用：移动通信，卫星通信，平流层通信，军事通信 2、主要技术和发展历史通信对抗，雷达对抗移动通信中的多径衰落，天线分集3、多天线通信提高信息传输速度MIMO，分集改善通信覆盖，网络优化343、三种智能天线切换波束式天线5笔形波束天线

2、6自适应天线74、空分信道：扇形波束天线、笔形波束天线，天线阵列多用户接入，空分信道8二个用户9二、天线阵列1、天线阵列的方向图，线阵10对于平面波斜入射，相邻二个天线间信号相位差为：k为自由空间波数，d 为天线单元间距离天线单元 n 收到的电压信号为：11天线阵列的方向图合成：12如果 Wn()1,n=0,N1,当来波方向为时，用户收到的信号为：13五单元直线阵的方向图如下图，具有对称性：14七单元直线阵的方向图如下图，具有对称性15天线间距离通常为半波长 kd=，时，阵列增益降低，时，出现裂瓣。N个天线组成的线阵天线的波瓣有N个最大值，N个零点。162、波束形成和DBF技术在天线口上按权函

3、数加权，可以把最大值方向指向我们希望的方向。如果要在方向上最大，加权函数 Wn（），使各路信号通过移相后相加。1730，60 天线方向图（八单元线阵）18数字波束成形微波移相19数字波束成形数字技术，基带信号处理203、切换波束天线：Butler Matrix Circuits21Butler Matrix Circuits令22四波束天线阵23242526274、天线阵列主要指标带宽、增益带宽与d、k 有关；与天线单元带宽有关；主瓣宽度，增益与天线孔径（线阵为其长度）、波长有关,也与天线单元增益有关。它决定了空分数，和链路增益。28三、天线阵列流形和脉冲响应1、天线阵列的流形：讨论线阵，假设

4、：幅度相等；忽略互耦；窄带信号；设各天线单元的信号为：un(t)，加权相加后输出信号为：29把时间和空间信号分开，令 对于线阵，称为对于方向的方向矢量，对于全部方向的方向矢量组成的矩阵称为天线阵列的流形，它可以通过测量或计算得到。天线阵的流形对于DOA或DBF都是关键参数。302、矢量通道脉冲响应(VCIR)，Vector Channel Impulse Response矢量通道脉冲响应给出了从发到收的脉冲响应（包括天线阵列）。它是传播空间与流形的总响应。其中I是多径总数，i 是i路多径方向，a，i，i是它的方向矢量,幅度和时延。如发射信号为s(t),则接收信号为：31四、自适应天线：自适应算

5、法，使输出信干比最大，采用零点技术（用零点对准干扰）。32结构框图：自适应的反馈控制系统，进行误差采集与反馈控制（权函数）。333、自适应迭代算法，MMSE(Minimum Mean Square Error)和LS(Least Square)泛函 i为时间序列，其中空间用矢量，时间用右下标i，T是采样周期，di是目标时间函数。重写泛函：34对矢量复变量求变分，一般公式：采用迭代方法求解：k为迭代次数 ,，35如果去掉期望符号，便得到：为瞬间误差，这是LMS法（Least Mean Square error）36LS法，如对P个采样取平均，便成为LS法，Least Square。设泛函：展开上

6、式，并求变分：不用迭代，d可利用训练序列 37五、测向技术(DOA)1、天线阵测向的基本概念，基于幅度的测向，最大值测向和零点测向（3dB点）382、阵列信号处理测向（DOA，AOA），延迟求和法延迟求和法：空间的FFT技术，用于窄带信号，为权函数，形成波束Ruu 是阵列输入信号的自相关函数。a是方向矢量，信号,噪声39连续变化 W（），当 时，输出最大。称为空间谱，空间角度FFT，寻找峰值。缺点：由于主瓣宽，分辩力低；不能处理多目标。4041子空间法子空间法：MUSIC(MUltiple Signal Classification)求输入信号自相关矩阵的本征值，它可以进行多信号分辨，是信号参

7、量估计法。可以求出信号个数和幅度，信号方向，信号的交叉相关及噪声。如有N个天线和M个用户，MN。天线阵得到的信号矢量为：其中 A是M个用户信号的方向矢量组成的矩阵，流形矩阵。由信号矢量组成的自相关矩阵为：矩阵的本征值方程为：即：42ARA的本征值为：,i=1,2,M因为A是方向矢量组成的,线性独立，A满秩，只要自相关矩阵R非奇异，即输入信号数M小于天线数N，则ARA正定，其秩为M。而NM个本征值为另，由上式知，v应为 。它们的本征矢量为qi,满足：i=0,1,NM，代入R，43所以：因A满秩，R非奇异，有：即：因此整个空间分为二个子空间，信号子空间和噪声子空间。令：为噪声矢量空间，当天线阵方向

8、矢量 对着信号方向时，我们有：则可得信号谱：或 4445六、容量分析 图1自适应方向图 图2等旁瓣针状波束方向图46图1是一个8元圆形自适应阵列对1用户(实心矩形)、10干扰用户(空心矩形)通信环境的等效方向图。由图可见，系统在干扰方向形成凹点，并在所需信号方向形成峰值。通常自适应算法在无干扰信号的其它角度上也可能出现峰值。图3给出了一个门限值为6dB的32用户CDMA系统中，在基站引入采用自适应、-15dB等旁瓣针状波束、-20dB等旁瓣针状波束和简单同相叠加方向图四种不同智能天线后，系统的累积概率分布。在0.01的出界概率下，采用上述四种智能天线系统的扩容能力分别为6.56、6.41、5.47、4.9倍。47比较不同天线的容量 图3 32用户时四种智能 图4四种智能天线 天线系统累积概率 扩容能力的出界概率4850个用户的自适应方向图等旁瓣针状波束方向图49七、MIMO505152535455565758空时编码STC的通信过程星座图H59606162时空信号联合处理 63八、结束语1、时空信号处理是增加容量、提高频谱利用率、改善电磁环境的主要手段；2、基站、手机的多天线技术；3、采用新技术、新材料、新信号处理技术；64谢谢！65