智能天线波束赋形GOB算法与EBB算法比较

智能天线波束赋形GOB算法与EBB算法比较
智能天线波束赋形GOB算法与EBB算法比较

目前比较常用的波束赋形算法有2种:GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法,对于固定位置的用户,其波束指向是固定的,波束宽度也随天

线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时,它通过测向确定用户信号DOA,然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权,将方向图的主瓣指向用户方向,从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法,方向图没有固定的形状,随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大

的同时,还要满足对其他用户干扰最小。

实际设备中采用了EBB算法,需要说明的一点是,仅下行有波束赋形技术,上行方向,手机天线无法进行波束赋形,基站多个天线此时主要用于分集接收。

简单来说就是一个天线阵的运用,上行信号到达每个天线的时间是不一致的,但天线之间的相差是可以预知的,只要将每个天线上的上行信号做一个加权处理,所得信号将是同相信号,将天线阵上的信号相加,即可增加10logN*N db(此处应为10logN db——本人注)的信噪比;同理下行时,首先根据上行信号估计

空间特性,然后在天线阵上发送具有相差的信号,使各个天线下行信号到达接受机的信号同相。上下行中相位的加权运算就是波束赋形。

注解:波束赋形工作由基站完成

GOB 与EBB算法的区别

目前智能天线的赋形算法主要有以下两种:

一、GOB(Grid Of Beam)算法(又称波束扫描法):它是基于参数模型(利用信道的空域参数)的算法,使基站实现下行指向性发射。

GOB算法的基本思路如下:

将整个空间分为L个区域,并为每个区域设置一个初始角度。以各个区域的初始角度的方向向量为加权系数,计算接收信号功率,然后找到最大功率对应的区域,再将该区域的初始角度当作估计的到达角。利用上下行信道对称的特点,确定赋形角度。

二、EBB(Eigenvalue Based Beamforming)算法(即特征向量法):通过对空间

相关矩阵进行特征值的分解来得到权矢量。实现方法就是找到第K个用户的权矢量w^(k) 使得r最大

EBB算法的基本思路如下:

(1)对于整个波束空间,找到使接收信号功率最大的赋形权矢量。这通过对用户空间相关矩阵进行特征分解,找到最大特征值对应的特征向量即为权矢量。

(2)对用户空间相关矩阵进行特征分解,求得到达角度个数和对应方向。

两种算法的比较:

从算法难度来看,EBB算法的实现难度略高于GOB算法;

EBB算法得到的是全局最优解,而GOB算法得到的是局部最优解;

在低速情况下,EBB算法性能优于GOB;

在高速情况下,EBB算法与GOB算法性能基本相当

在城区,无线的传播环境很恶劣,EBB算法的优势也更加明显

智能天线波束赋形GOB算法与EBB算法比较

目前比较常用的波束赋形算法有2种:GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法,对于固定位置的用户,其波束指向是固定的,波束宽度也随天 线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时,它通过测向确定用户信号DOA,然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权,将方向图的主瓣指向用户方向,从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法,方向图没有固定的形状,随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大 的同时,还要满足对其他用户干扰最小。 实际设备中采用了EBB算法,需要说明的一点是,仅下行有波束赋形技术,上行方向,手机天线无法进行波束赋形,基站多个天线此时主要用于分集接收。 简单来说就是一个天线阵的运用,上行信号到达每个天线的时间是不一致的,但天线之间的相差是可以预知的,只要将每个天线上的上行信号做一个加权处理,所得信号将是同相信号,将天线阵上的信号相加,即可增加10logN*N db(此处应为10logN db——本人注)的信噪比;同理下行时,首先根据上行信号估计 空间特性,然后在天线阵上发送具有相差的信号,使各个天线下行信号到达接受机的信号同相。上下行中相位的加权运算就是波束赋形。 注解:波束赋形工作由基站完成 GOB 与EBB算法的区别 目前智能天线的赋形算法主要有以下两种: 一、GOB(Grid Of Beam)算法(又称波束扫描法):它是基于参数模型(利用信道的空域参数)的算法,使基站实现下行指向性发射。 GOB算法的基本思路如下: 将整个空间分为L个区域,并为每个区域设置一个初始角度。以各个区域的初始角度的方向向量为加权系数,计算接收信号功率,然后找到最大功率对应的区域,再将该区域的初始角度当作估计的到达角。利用上下行信道对称的特点,确定赋形角度。 二、EBB(Eigenvalue Based Beamforming)算法(即特征向量法):通过对空间

波束成形

第四章智能天线自适应波束成形算法简介 4.1 引言 智能天线技术作为一种新的空间资源利用技术,自20世纪90年代初由一些学者提出后,近年来在无线通信领域受到了人们的广泛关注。它是在微波技术、自动控制理论、数字信号处理(DSP)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线技术从实质上讲是利用不同信号在空间上的差异,对信号进行空间上的处理。与FDMA,TDMA及CDMA相对应,智能天线技术可以认为是一种空分多址SDMA技术,它使通信资源不再局限于时域、频域和码域,而是拓展到了空间域。它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下,根据用户信号在空域上的差异来区分不同的用户。智能天线技术与其它通信技术有机相结合,可以增加移动通信系统的容量,改善系统的通信质量,增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。 4.2 智能天线技术及其优点 智能天线,即具有一定程度智能性的自适应天线阵,自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下,自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小,使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰,增强系统有用信号的检测能力,优化天线方向图,并能有效地跟踪有用信号,抑制和消除干扰及噪声,即使在干扰和信号同频率的情况下,也能成功地抑制干扰。如果天线的阵元数增加,还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源。实际干扰抑制的效果,一般可达25--30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户,同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声,使系统处于最佳的工作状态。 智能天线利用空域自适应滤波原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来,它主要包括两个重要组成部分,一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计,并进行空间滤波,抑制其它移动台的干扰;二是对基站发送信号进行数字波束形成,使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台,从而降低发射功率,减少对其它移动台的干扰。在普遍采用扩频技术的CDMA系统中,采用智能天线的优势主要体现在以下几个方面: 1) 提高了基站接收机的灵敏度 基站接收到的信号,是来自各天线单元和收信机接收到的信号之和,如果采

波束赋形工作原理及对TD-LTE测试的影响

波束赋形?工作原理及对TD-LTE测试的影响 ! 1 波束赋形基础知识" ? ? “波束赋形”?一词有时会被滥?用,从?而引起混淆。从技术上来说,波束赋形和波束导向?一样简单,即 两个或更多的天线以受控的延迟或相位偏移来发射信号,从?而创造出定向的建设性?干涉波瓣(见图1)。! ! 图1 简单波束导向创建的波瓣 ? ?TD-LTE系统中所?用的波束赋形是?一个相对更加复杂的命题,部分原因是终端设备具有移动的特性。?一种称为Eigen波束赋形的技术会使?用关于RF信道的信息从统计上对发射天线组件的幅度和相位参数进?行加权判断。虽然 Eigen波束赋形并?非计算最密集的波束赋形类型(还有?一种称为最?大?比率发送的?方法也会执?行相同类型的权重判断,但只针对每个?子载波),但当它被?用于组件数较?高的8 × n MIMO 系统时,?无论是在实施中,还是在系统开发的验证阶段中,都将是?一个极具挑战性的命题。 ! 2 TD-LTE与8×n MIMO" ? ? 多数计划中的TD-LTE部署都是围绕8个天线组件的发射天线?而设计的(见图2)。在这些系统中,4个有?一定距离间隔的天线组件被物理指向某个?角度。另外,4个组件的布置?方式是,每个都分别与前4个天线组件同轴,?而且后4个天线组件中每?一个都指向其各?自的配对组件。

图2 ?一个8×2波束赋形系统创造出的垂直极化波束 ? ? 由4个?方向类似的组件组成的每?一组都形成了?一个可以瞄准某个特定?方向的波束。这4个?无线电链路之间的关联程度很?高,?而两个垂直极化波束则显?示出较低程度的相互关联,形成类似2×n MIMO 的系统,因此也就可以发射多层或多个数据流。因此,这样的系统在实现MIMO系统数据速率最?大化优势的同时,还可充分发挥波束赋形优化特定?方向信号强度。这种系统通常被称为双层波束赋形系统,其中的每?一层都可以代表?一个独?立的数据流。 ? ? 双层MIMO波束赋形系统既可?用作单?用户MIMO系统(SU-MIMO),即两个数据流都被分配给单个?用户终端,也可以?用作多?用户(MU-MIMO)系统,即个数据流均被分配给不同的?用户终端。这样为?网络运营商提供巨?大的灵活性,使之能够选择性地部署覆盖能?力最?大的系统,或者是单个?用户数据吞吐量最?大的系统。 ! 3 波束赋形?工作原理" ? ? 在任何?一种波束赋形系统中,系统都必须能够估计?目标?用户终端的?方向。在FDD系统中,这是?用户终端 以预编码矩阵指标(PMI)的形式进?行反馈的功能,?而TD-LTE的信道互易性取消了这?一要求。在TD-LTE系统中,?用户终端会向基站发送?一个信道报告信号,基站通过检查相同极化天线之间的相对相位差,能估计出?用户终端的到达?方向(DoA)。需要注意的是,尽管这种估计是在上?行链路中执?行的,基站仍可利?用信道互易性,根据对上?行链路的估计在下?行链路中执?行发送任务。 ? ?接下来,根据估计出的DoA,基站会动态调整天线阵列中每个组件的“天线权重”(相对幅度和相位),将波束引向所期望的?用户,并且/或者将零信号引导?至不需要?干涉所在的?方向。图 1显?示的便是这?一基本概念。 ? ? 上?面的场景事实上只是简单的波束导向。Eigen波束赋形会加?入?一些智能处理,但其期望的基本效果是相同的:系统会利?用互易性对下?行信道的参数做出估计并据此调整天线权重(见图3)。 图3 ?自适应式波束赋形系统 ! 4 测试波束赋形"

波束赋形

TD-LTE双流波束赋形天线技术 双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术,是TD-LTE建网的主流技术,结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术,是中国移动和大唐移动共同创新的成果,也是中国通信产业技术能力的体现。 一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析 多天线技术是天线技术发展趋势,现有TD-SCDMA已经引入了8天线,TD- LTE也引入了8发2收的天线配置,到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。 考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX,TD-LTE系统中引入了8天线方案。另外,引入8天线还可以使TD-SCDMA平滑演进到TD-LTE,同时继续沿用并充分发挥TDD 系统在赋形方面的优势。 1.系统平滑演进需求 目前,TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时,TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。 出于系统平滑演进的考虑,大唐移动提出了产品设备共平台设计的解决方案,有效的保护网络建设现有投资,保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时,从节约建网成本、降低建站难度等角度出发,需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变,且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进,TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线,需要在TD- LTE网络中继续使用。 2.技术演进需求 波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术,能够根据用户的信道特性进行波束赋形,具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术,波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。 在LTE技术规范Release 8版本中,引入了单流波束赋形技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是,面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求,有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例,由多天线理论可知,8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流,这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知,信道容量为信噪比的对数函数,随着信噪比提升,容量增加趋势越来越缓;在高信噪比情况下,将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低,此种情况利用另一半功率来发送一个新的数据流将会极大地提升传输容量。 为满足TD-LTE系统中使用8天线以及扩展波束赋形技术以提升容量的需求,中国移动和大唐移动共同推出了采用8天线配置的双流波束赋形技术。 二、双流波束赋形技术介绍 双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下,是智能天线波束赋形技术(即单流波束赋形技术)和MIMO空间复用技术的有效结合,在TD-LTE系统中,利用TDD信道的对称性,同时传输两个赋形数据流来实现空间复用,并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性,既可以提高边缘用户的可靠性,同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。 根据多天线理论可知,接收天线数不能小于空间复用的数据流数。8天线双流波束赋形技术的使用,接收端至少需要有2根天线。 根据调度用户的情况不同,双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋形技术和多用户双

LTE-TDD波束赋形

波束赋形 波束赋形原理 波束赋形的目标是根据系统性能指标,形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。具体地说,其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真,同时降低同信道用户间的干扰。因此,首先需要建立系统模型,描述系统中各处的信号,而后才可能根据系统性能要求,将信号的组合或分配表述为一个数学问题,寻求其最优解。 1.系统模型 根据应用场合的不同,一般可以将波束赋形算法分为上行链路应用以及下行链路应用。无论是哪种情况,总可以用一个时变矢量(MIMO)信道来描述用户端与基站端的信号关系,如图2所示。对于上行链路,多个发射信号实质上是K个用户设备同时发送的信号,基站则使用多个天线单元接收信号,对其进行处理和检测,这时发送端的信号分配仅在各个支路分别进行;对于下行链路,基站仍可能使用多个天线单元向特定用户发射信号,但用户设备使用单天线检测与其有关的信号,这时接收部分降为一维,信号组合也仅对于单路信号进行。 根据图2的系统模型,就可以描述发送端的原始信号与接收端实际接收信号之间的关系,通常根据研究重点的不同,对于原始信号以及实际接收信号的位置会有不同的定义。对于波束赋形技术,一般其研究的范围从发送端扩谱与调制单元的输出端,到接收端解扩与解调单元的输入端,而研究过程中又常将信号分配单元输出端到信号组合单元输入端之间的部分合并,统称为无线移动信道,由于无线移动通信环境的极度复杂,无法得到其输入输出关系的确切描述,一般采用大量测量和理论研究相结合的方法,使用有限的参数描述该信道。采用这种方法后,就可以得到受干扰有噪信号与原始信号的关系,并据此在一定程度上恢复信号。因此,波束赋形的一般过程为: ⑴根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数),一般这是权重矢量与一些参数的函数; ⑵采用一定的方法获得需要的参数; ⑶选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量的值。 可以发现,由于通信环境复杂,上述过程的每一阶段都可有不同的实现方案,因此产生了大量的波束赋形算法,如何衡量和比较其性能也成为波束赋形技术研究的一个重要方面。 2.波束赋形算法的性能

4G通信中的MIMO智能天线技术

4G通信中的MIMO智能天线技术 智能天线通常也称作自适应天线阵列,可以形成特定的天线波束,实现定向发送和接收,主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看,它利用了天线阵列中各单元之间的位置关系,即利用了信号的相位关系克服多址干扰及多径干扰,这是它与传统分集技术的本质区别。 MIMO系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统,其有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。其核心技术是空时信号处理,即利用在空间中分布的多个时间域和空间域结合进行信号处理。因此,可以被看作是智能天线的扩展。 智能天线系统在移动通信链路的发射端/或接收端带有多根天线,根据信号处理位于通信链路的发射端还是接收端,智能天线技术被定义为多入单出(MISO,MultipleInputSingleOutput)、单入多出(SIMO,Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)等几种方式。 二、多入多出智能天线收发机结构及研究进展 从图1可以看出,比特流在经过编码、调制和空时处理(波束成行或空时编码)后,映射成不同的信息符号,从多个天线同时发射出去;在接收端用多个天线接收,进行相应解调、解码及空时处理。 图1 多输入多输出智能天线收发机结构 MIMO系统中的空时处理技术主要包括波束成形(beamforming)、空时编码(space-timecoding)、空间复用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天线中的关键技术,通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干扰,其关键是波束成行权值的确定。 1.MIMO系统的发射方案 MIMO系统的发射方案主要分为两种类型:最大化数据率的发射方案(空间复用SDM)和最大化分集增益的发射方案(空时编码STC)。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率,它通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,从而使信号在接收端获得分集增益,但空时编码方案不能提高数据率。 (1)空时编码一些文献中给出了大量的发射机制,这些机制分别可以使频谱效率最大、速率最高、信噪比(SNR,SignaltoNoise Ratio)最大,它们都依赖

自适应波束成形算法LMS、RLS、VSSLMS

传统的通信系统中,基站天线通常是全向天线,此时,基站在向某一个用户发射或接收信号时,不仅会造成发射功率的浪费,还会对处于其他方位的用户产生干扰。 然而,虽然阵列天线的方向图是全向的,但是通过一定技术对阵列的输出进行适当的加权后,可以使阵列天线对特定的一个或多个空间目标产生方向性波束,即“波束成形”,且波束的方向性可控。波束成形技术可以使发射和接收信号的波束指向所需要用户,提高频谱利用率,降低干扰。 传统的波束成形算法通常是根据用户信号波达方向(DOA)的估计值构造阵列天线的加权向量,且用户信号DOA在一定时间内不发生改变。然而,在移动通信系统中,用户的空间位置是时变的,此时,波束成形权向量需要根据用户当前位置进行实时更新。自适应波束成形算法可以满足上述要求。 本毕业设计将对阵列信号处理中的波束成形技术进行研究,重点研究自适应波束成形技术。要求理解掌握波束成形的基本原理,掌握几种典型的自适应波束成形算法,熟练使用MATLAB仿真软件,并使用MA TLAB仿真软件对所研究的算法进行仿真和分析,评估算法性能。 (一)波束成形: 波束成形,源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理,可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成,形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看,这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如,将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整,可形成所需形状的方向图。 波束成形技术属于阵列信号处理的主要问题:使阵列方向图的主瓣指向所需的方向。 在阵列信号处理的范畴内,波束形成就是从传感器阵列重构源信号。虽然阵列天线的方向图是全方向的,但阵列的输出经过加权求和后,却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上,相当于形成了一个“波束”。 波束形成技术的基本思想是:通过将各阵元输出进行加权求和,在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上,对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出波达方向估计。 “导向”作用是通过调整加权系数完成的。对于不同的权向量,上式对来自不同方向的电波便有不同的响应,从而形成不同方向的空间波束。

阵列天线波束赋形技术研究与应用

阵列天线波束赋形技术研究与应用 ⑧ 论文作者签名: 指导教师签名:皇直江本 论文评阅人1: 评阅人2: 评阅人3: 评阅人4: 评阅人5: 答辩委员会主席: 委员l: 委员2: 委员3: 委员4: 委员5: 答辩日期:2014年3月9日 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的

同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位敝作者签名:惕扶%签字日期:沙、f年_;月∽学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:伤双巧}导师签名:重甫姐;寿 签字日期:签字日期:训lf年弓月I3日)移f今年弓月l驴日 致谢 时光飞逝,又到了毕业季。在浙江大学本科四年以及研究生两年半的求学生涯中,我不仅学到了专业知识,还领悟到了很多做人的道理。浙大“求是,创新”的校训一直陪伴我的成长,在我毕业之后,“求是,创新”也将一直作为我为人处事的准则。两年半的硕士研究生生活即将结束,回首过往,自己在学习、生活上都得到了很大的提升,这离不开来自家人、老师、同学及朋友的帮助。在此,衷心感谢那些帮助过我的人。 首先感谢我的导师皇甫江涛老师和冉立新老师对我学业上的帮助,感谢他们为我指点未来的科研之路,帮助我选择毕业之后出国深

TD-LTE双流波束赋形天线技术创新

TD-LTE双流波束赋形天线技术创新 双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术,是TD-LTE建网的主流技术,结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术,是中国移动和大唐移动共同创新的成果,也是中国通信产业技术能力的体现。 一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析 多天线技术是天线技术发展趋势,现有TD-SCDMA已经引入了8天线,TD- LTE也引入了8发2收的天线配置,到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。 考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX,TD-LTE 系统中引入了8天线方案。另外,引入8天线还可以使TD-SCDMA 平滑演进到TD-LTE,同时继续沿用并充分发挥TDD系统在赋形方面的优势。 1.系统平滑演进需求 目前,TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时, TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向 TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。 出于系统平滑演进的考虑,大唐移动提出了产品设备共平台设计

的解决方案,有效的保护网络建设现有投资,保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时,从节约建网成本、降低建站难度等角度出发,需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变,且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进,TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线,需要在TD- LTE 网络中继续使用。 2.技术演进需求 波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术,能够根据用户的信道特性进行波束赋形,具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术,波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。 在LTE技术规范Release 8版本中,引入了单流波束赋形技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是,面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求,有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例,由多天线理论可知,8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流,这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知,信道容量为信噪比的对数函数,随着信噪比提升,容量增加趋势越来越缓;在高信噪比情况下,将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低,此种情况利用另一半功率来发送一个新

一种基于波束切换方法的智能天线系统研究

53 一种基于波束切换方法的智能天线系统研究 李 森 杨家玮 (西安电子科技大学信息科学研究所,陕西西安 710071)    摘 要 智能天线技术(smart antenna)是近年来较为热门的技术之一,这一技术的出现为缓解日渐紧张的频率资源,提供更高质量的通信带来了希望。智能天线上行收主要有两种方式:全自适应方式和基于多波束的波束切换方式,文中从工程实现研究的角度出发,对基于波束切换方法的智能天线系统进行研究,重点在于介绍仿真的方法和仿真的指标,最后给出了结论。  关键词 智能天线,波束切换,仿真。 中图分类号 TN821+.91    1 引 言 近年来随着移动通信业务的飞速发展,用户数量呈指数上升,过多的用户给无线通信的资源带来巨大压力。尤其突出的是: 信道容量的限制、频谱资源紧张、多径衰落、远近效应、同频道干扰、越区切换、移动台由于电池容量的功率受限等等。智能天线技术就是在这样的背景下提出的。  一般地,智能天线定义为:具有测向和波束成形能力的天线阵列。智能天线的上行收技术相对成熟些,自适应天线阵最早引入移动通信的目的也是为了改善上行信道的质量和容量。智能天线上行收主要有两种方式:全自适应方式和波束切换方式,前者目前是理论研究的热点,出现了许多算法;后者则在工程实现上有一定的优势。多波束的智能天线在工程上实现相对容易,在数字信号处理器的速度还不能完全满足各种自适应算法的计算量时,选择多波束的智能天线可以达到较高的性价比,因此在工程中得到的一定的应用。  2 研究目标 多波束智能算法仿真的目的就在于找到最优的切换策略,最佳定位方法。由于在波束切换时天线侧对移动台的感知只有上行信号的电平,因此必须使用“波束切换-上行信号电平检测-判决”的  搜索方法将波束对准移动台。对于在天线覆盖的区域内接入的移动台,要求接续时间短,即定位迅速;在该区域内运动的移动台,要求能跟综的上。故对定位的要求是准确和快速。接收端获取切换指示(记为SI)的策略对于整个切换的性能有着重要的影响,如果计算时间过长或者计算不够准确,都会使性能下降。  3 仿真方法描述  考虑到仿真的效率和运行时间,仿真程序用C语言编写。仿真程序的结构如图1所示:  图1 仿真程序结构框图  (1)位置模型:如图1分为接入模型和运动模型两个子模块。  接入模型:随机数产生函数产生两个随机数,表示移动台接入位置的极坐标值。该扇区为120 电子科技 2004年第4期(总第175期)

麦克风波束成形的基本原理

启拓专业手拉手会议,矩阵切换厂商-全球抗干扰专家 麦克风波束成形的基本原理 麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应,也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。多个麦克风可以配置成阵列,形成定向响应或波束场型。经过设计,波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置,包括宽边求和阵列和差分端射阵列,内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。 阵列和差分端射阵列,内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。 空气中声波的频率与波长的关系 方向性和极坐标图 方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。ADI 公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风,即它们对来自所有方向的声音都同样敏感,与麦克风所处的方位无关。图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。无论麦克风的收音孔位于

x-y平面、x-z平面还是y-z平面,此图看起来都相同。 全向麦克风响应图 本应用笔记中,阵列的“前方”称为轴上方向,指拾取目标音频的方向,在极坐标图上标为0°;“后方”为180°方向;“侧边”指前后方之间的空间,中心方向分别位于90°和270°。本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。 涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式:c = f ×λ,其中c为343 m/s,即声音在20℃的空气中的传播速度。图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。本应用笔记末尾的“设计参数计算公式”列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。 宽边阵列 宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直(见图3)。图中,d是阵列中两个麦克风元件的间距。来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。

智能天线广播波束赋形应用探讨

智能天线广播波束赋形应用探讨 摘要:TD-SCDMA的难点在于覆盖与自干扰。解决的办法有很多,本文提供了调整广播波束赋形宽度这种便捷有效的方法,可以根据不同的无线场景,设置最为合理的波束宽度,即达到预期的覆盖效果,又能减少公共信道的干扰,提升系统性能。 关键词:波束宽度场景 1.引言 智能天线是TD-SCDMA的关键技术之一。该技术的运用大大降低了TD-SCDMA系统内部的干扰,提高了系统容量。然而这只适用于用户在通话过程中,智能能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到抑制干扰信号的目的,提高系统性能是非常直接的。但在用户没有发射,仅处于接收状态下,基站是不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射,所以优化广播信道及下行导频信道波束,不仅可以减少公共信道的干扰,提升系统性能,而且还能根据场景之需,因地制宜,达到良好覆盖效果。 2.广播波束赋形的介绍 天线的垂直波瓣宽度和下倾角决定基站覆盖的距离,而天线的水平波瓣宽度和方位角度决定覆盖的范围。广播波束是在广播时隙形成,实现对整个小区的广播。TD系统中,在帧结构中为广播信道设置了专门的时隙。 图 1 TD帧结构图 波瓣宽度的大小反映了天线的能量辐射集中程度,波瓣宽度越窄天线主瓣(3dB角内)能量越集中,旁瓣对周边小区干扰也越小。对于广播信道全向赋形,全向天线的水平波瓣宽度均为360度;定向天线的常见水平波瓣宽度有30度、65度、90度、120度等多种。 对使用普通天线的无线基站,其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然,天线的辐射方向图形是可能根据需要而设计的。但在现场安装后除非更换天线,其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线的辐射图形则完全可以用软件控制,在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下,均可能非常简单地通过软件来优化,如图2。所以在TD系统中,广播波束赋形已经成为日常优化的一种参数方法。有了它,网优人员就可能轻松地根据实际环境之需,根据周边站点的间距、疏密程度来调整使用广播信道的波束赋形宽度,达到预期的效果。

通信综述文章

通信工程综述文章 3G移动通信中智能天线的原理及应用 智能天线的工作原理 【1】智能天线正是一种能够根据通信的情况,实时地调整阵列天线各元素的参数,形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的,例如将大增益的主瓣对准有用信号,而在智能天线原理图(单个用户)其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。 智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分,其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息,实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况;在使用闭环反馈的形式时,也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元,按一定的方式排列,构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列,通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列,其间距通常取工作波长的一半,并且取向相同。智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成,智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益, 在干扰源的方向降低增益.因此, 智能天线系统的应用可以带来如下好处:提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。【2】 智能天线在3G 中的应用 第三代移动通信主要实现方案有IMT-2000DS 的WCDMA 和IMT2000MS 的CDMA 2000,其他两个均将智能天线列入规划,并作为主要的后备技术.智能天线在3G 中为消除干扰、改善通信质量、提高容量、扩大通信服务区等方面发挥重要作用。【3】 1.减少用户越区切换时发生的强迫中断概率。 在移动通信网中常会遇到通信流量与呼损率的矛盾.在有限的物理信道下,用户容量越大,通信流量越大,但用户呼损率也越大.利用智能天线的类分集接收的能力,可以在有限物理信道个数的基础上,成倍增大通信的用户数,同时保证通信质量不下降.这样呼损率可大大降低。 2.功率控制和波束成形 在CDMA 网络系统中,为了克服慢衰落,特别是克服远近效应,必须采用功率控制.功控是通过迭代算法动态实现.其具体步骤如下: (1)首先从任意初始功率开始; (2 )调整智能天线,使其主波束(波束主瓣)对准p( k)方向; ( 3 )测量接收的干扰; (4 )调整信号功率使得载波干扰大于门限; (5 )经过多次迭代后,使功率的变化小于预先给定值ε时,即可停止. 上述的迭代算法收敛于一个最优波束所形成的加权矢量和功率值.使用智能天线形成最优波束和功率控制相结合的算法,可以大大改善通信质量和提高系统的容量。 3. 软件天线 软件天线是天线研究领域的一个重要设想.由于它主要基于智能天线的处理功

无线物理层安全通信中的波束成形技术研究

无线物理层安全通信中的波束成形技术研究物理层安全技术利用无线信道特征来实现安全通信,有效克服了传统安全技术依赖于窃听者有限能力的缺陷。随着多天线系统的快速发展和应用,基于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)波束成形的物理层安全传输技术能够充分利用空间自由度来开发合法信道和窃听信道的差异性,同时满足了无线通信的可靠性和安全性需求,因而成为当前无线通信领域的研究热点。 其中,保密容量之外的安全目标下的低复杂度波束成形算法、适用于不同误差模型下鲁棒性更强的波束成形算法以及有限反馈波束成形算法的保密性能分析等成为了物理层安全研究中的关键和难点问题。本文围绕这些问题在合法信道和窃听信道不同信道状态信息(Channel State Information,CSI)情况下进行了研究。 本文首先从理想CSI情况下的波束成形设计出发,针对多用户多天线高斯窃听信道(Multi-antenna Gaussian Multi-Receiver Wiretap Channel,MG-MRWC)模型中保密容量难以计算和用户间干扰(Inter-User Interference,IUI)导致信号交叉的问题,研究了保密和速率最大化和信干噪比 (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)平衡两个问题,提出了以迫零(Zero Forcing,ZF)和信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,SLNR)为基本准则的波束成形算法。为了验证SLNR准则度量保密性能的有效性,以多输入单输出多天线窃听(Multiple-Input Single-Output Multi-antenna Eavesdropper,MISOME)系统为例,本文从信号泄漏的角度定量分析了不同天线数目情况下SLNR波束成形算法的保密性能。 在此基础上,针对MG-MRWC模型的最大化保密和速率问题,本文提出了第I

智能天线工作原理及其在现代通信系统中的应用

天线与电波结课论文 题目:智能天线工作原理及其在 现代通信系统中的应用 院系:电气信息工程学院 专业班级:电信12-01 学号:541201030121 姓名:李松霖

智能天线工作原理及其在现代通信系统中的应用论文摘要:介绍了智能天线的基本原理、实现方法及其在现代通信中的应用。 最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。近年来,随着现代通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外,随着移动用户数迅速增长和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具有较高的话音质量。经研究发现,在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。 1 智能天线的基本原理 智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。 基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带

来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。 2 智能天线的实现 智能天线阵系统主要包括天线阵列、自适应处理器和波束形成网络。天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位,提供给各辐射单元,用来确定波束形成网络各部分方向图的增益。波束形成网络利用天线阵元产生的方向图,实现智能天线的各种应用。 自适应处理器产生的各支路幅度和相位调整系数,是波束形成网络工作的重要依据。自适应处理器包括信号处理器和自适应算法器。信号处理器根据所需进行的信号处理,自适应算法器根据均方误差、信噪比、输出噪声功率等性能量度,用适当的算法调整方向图,形成网络的加权系数,使智能天线阵系统性能达到最优化。 最初的智能天线采用复杂的模拟电路,如今采用数字波束形成(DBF)方式,用软件完成算法更新,也可采用数模相结合的处理方法,既保证处理精度,又保证处理速度及灵活性。此外,为了使智能天线具有良好性能,应根据具体的电波传播环境,选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力,提高系统性能。为了尽量减少对现有系统的改动,也可使用多波束智能天线。多波束天线利用多个指向固定的波束覆盖全方向,虽然不能实现信号最佳接收,但结构简单,便于实现,且无需判定所接收信号的方向。 3 智能天线在通信中的用途

多用户MIMO系统中波束成形的优化研究

多用户MIMO系统中波束成形的优化研究多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术能够充分挖掘空间资源来实现空间分集和空间复用,有效提高频谱利用率。波束成形是多用户MIMO系统实现空分多址的主要技术,能有效地抑制小区间的干扰和用户间的干扰,是当前无线通信物理层技术的研究热点之一。 本文以多用户MIMO系统中波束成形技术为主要研究点,重点对多小区多播系统、协作多播系统和干扰信道的波束成形技术展开了深入的研究。主要工作可概括为以下几个方面:1)针对发送端有理想信道状态信息(Channel State Information,CSI)和非理想CSI这两种情况下的多小区多播系统,研究了加权总速率最大化问题,分别提出了相应的波束成形算法。 当发送端有理想的CSI情况时,每个基站功率约束下加权总速率最大化问题是非确定性多项式难题(Non-deterministic Polynomial-hard,NP-hard),难以直接求解。我们提出了一种低复杂度的迭代算法求解这一问题。 在每次迭代中,原优化问题通过连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)表示成二阶锥规划(Second Order Cone Programming,SOCP)问题。当发送端仅有非理想CSI情况时,中断概率约束下加权总速率最大化波束成形问题也是非凸的。 此问题的困难就在如何处理中断约束。我们采用Bernstein类型不等式和半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)方法将原问题近似表示成一个交替优化问题,固定一组变量,关于另外一组变量是凸问题。 数值结果验证了上述两种情况下的算法有效性。2)针对协作多播系统,研究了多播速率最大化问题,提出了一种波束成形和中继选择联合优化算法。

智能天线在移动通信中的应用概要

智能天线在移动通信中的应用 摘要:介绍了移动通信中关键技术之一的智能天线技术,并就它的结构、算法以及在第三代移动通信中的应用进行了较全面的阐述。 关键词:移动通信;智能天线;天线阵列;自适应算法 Abstract:Smartantennaisoneofthekeytechnologiesofmobilecommunications.Itdescribesthetechnologyandfocusonitsarchitecture,algorithmandapplicationto 3Gmobilecommunication. Keywords:MobilecommunicationsSmartantennaArraySelf-adaptingalgorithm 0 前言 随着移动通信的发展,人们不仅从时域和频域的角度来探讨提高移动通信系统数量和质量的各种手段,而且进一步研究信号在空域的处理方法。智能天线技术就是典型的代表。 智能天线技术起源于20世纪40年代的自适应天线组合技术,在当时采用了锁相环技术进行天线的跟踪。1965年,Howells提出了自适应陷波的旁瓣对消器技术用于阵列信号处理,之后,又陆续出现了等一系列技术,后来,Gabriel将自适应波束形成技术上升到“智能阵列”概念。早在1978年,智能天线就在军事通信中得到了应用,进入20世纪90年代后,才在民用移动通信系统中开始研究应用。该项技术主要应用于以下方面:a)信号源定位,确定天线阵列到信号源的方位角; b)信号源分离,确定各个信号源发射信号的波形; c)信道估计,确定信号源与天线阵列间传输信道的参数。 1 智能天线的组成 智能天线技术是利用信号传输的空间特性,达到抑制干扰,提取信号的目的。它主要包括天线阵列部分、模数转换、波束形成网络以及自适应信号处理,其结构框图如图1所示。

第四代移动通信系统中的多输入多输出智能天线技术

3基金项目:重庆邮电大学4G 移动通信专项资金(A2004270)和重庆邮电大学青年教师基金(A2005230)资助课题。收稿日期:2006-06-27 第一作者 马骁 男 27岁 硕士研究生 第四代移动通信系统中的多输入多输出 智能天线技术3 马骁 周围 (重庆邮电大学,重庆400065) 摘 要:介绍了基于MIMO 的智能天线收发机结构及最新进展,探讨了下一代移动通信系统智能天线技术的发展趋势以及所面临的问题。 关键词:智能天线;MIMO ;分集;波束赋形中图分类号:TN821.91 文献标识码:A 0 引言 智能天线通常也称作自适应天线阵列,可以形成特定的天线波束,实现定向发送和接收。从本质上看,它利用了天线阵列中各单元之间的位置关系,克服多址干扰及多径干扰,这是它与传统分集技术的本质区别。 MIMO 系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线 的通信系统,它的核心技术是空时信号处理,因此,可以被看作是智能天线的扩展。 智能天线系统在移动通信链路的发射端/或接收端带有多根天线,根据信号处理位于通信链路的发射端还是接收端,智能天线技术被定义为多入单出(MIS0,Multiple Input Single Output )、单入多出(SIM0,Single Input Multiple Out 2 put )和多入多出(MIMO ,Multiple Input Multiple Output )。 1 多入多出智能天线收发机结构及研究进展 从图1可以看出,比特流在经过编码、调制和空时处理 (波束成行或空时编码)后,映射成不同的信息符号,从多个 天线同时发射出去;在接收端用多个天线接收,进行相应解调、解码及空时处理。 图1 多输入多输出智能天线收发机结构 MIMO 系统中的空时处理技术主要包括波束成形(beamforming )、空时编码(space 2time coding )、空间复用(space multiplexing )等。波束成形是智能天线中的关键技 术,通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比,它能有效地抑制共道干扰,其关键是波束成行权值的确定。 1.1 MIMO 系统的发射方案 MIMO 系统的发射方案主要分为两种类型:最大化数据 率的放射方案(空间复用SDM )和最大化分集增益的发射方案(空时编码STC )。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率,从而使信号在接收端获得分集增益,但空时编码方案不能提高数据率。 1.1.1 空时编码 一些文献中给出了大量的发射机制,这些机制分别可以使频谱效率最大、速率最高、信噪比(SNR ,Signal to Noise Ratio )最大,但它们都依赖信道状态信息(CSI ,Channel State Information )在发射端和接收端的已知程度。CSI 在接收端 通过信道估计可以获得,然后通过反馈可以通知发射端。 对于发射端不需要CSI 的发射机制,引入空时编码或者采用空间复用增益来利用空间维数。空时编码主要分为空时格码和空时块码,接收到的信号通过最大似然(ML ,Maxi 2 mum Likelihood )译码器进行检测。最早的空时编码是空时 格码STTC (Space 2Time Trellis Code )其分集等于发射天线的数目,编码增益取决于码字的复杂度而无需牺牲带宽效率,但接收端需多维维特比算法。空时分组编码(STBC ,Space 2 Time Block Code )可提供与STTC 相同的分集增益,且STBC 在译码时只需要线性处理,因此通常使用STBC 。空时编码技术一般假设CSI 在接收端是完全已知的,当CSI 在两端都 未知时,提出了酉空时编码和差分空时编码。 1.1.2 空间复用 空间复用是指在发射端发射相互独立的信号,在接收端用ZF ,MMSE ,ML ,V 2BLAST[3]等方法进行解码。它能最大化MIMO 系统的平均发射速率,可牺牲一些数据率获得更高的分集增益。 1.1.3 空间复用和空时编码结合 将空间复用和空时编码相结合,在保证每个数据流获得 山西电子技术 2006年第5期 通信技术

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