第3章關鍵技術3

1、第1章 移動通信概述6:11:536:11:53第第3章章 關鍵技術關鍵技術l 語音編解碼技術 l 調制與解調技術 l 擴頻通信l 分集接收技術l 鏈路自適應技術l OFDM技術l 軟件無線電技術l 智能天線l MIMO技術l 聯合檢測l 認知無線電技術（RC）第1章 移動通信概述6:11:536:11:53鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5 鏈路自適應技術概述及關鍵技術 鏈路自適應技術的應用與發(fā)展第1章 移動通信概述6:11:536:11:53鏈路自適應（LA：Link Adaptation）技術動態(tài)地跟蹤信道變化，根據信道情況確定當前信道的容量，進而改變傳輸信息的符號速率、發(fā)送功率、編碼速率

2、和編碼方式、調制的星座圖尺寸和調制方式等參數，因此可以最大限度地發(fā)送信息，實現更低的誤碼率，并減輕對其他用戶的干擾，滿足不同業(yè)務的需求，提高系統(tǒng)的整體吞吐量。鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5第1章 移動通信概述6:11:536:11:53 傳播環(huán)境和信道特性兩個主要特點：慢時變性與傳播環(huán)境的差異性。 1. 慢時變性 移動信道的慢時變特性可分為兩個層次，一個是慢陰影衰落，另一個是慢平坦衰落。 (1) 慢陰影衰落 關于慢衰落可以有不同的定義和理解，傳統(tǒng)的理解比如以一天為基準，或以一月/一年為基準，但是此處的慢是指電波在傳播過程中受到大型建筑物和相應障礙物阻擋造成的“陰影”效應而引起的衰落現象，稱為

3、慢陰影衰落。慢陰影衰落的統(tǒng)計特性服從對數正態(tài)分布模型。 自適應傳輸的必要性自適應傳輸的必要性鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5第1章 移動通信概述6:11:536:11:53 (2) 慢平坦衰落 這類信道形成機理與慢衰落信道不一樣，它主要是指，由于傳播中的多徑，亦即由于收、發(fā)天線的角度擴散，引入多徑傳輸形成的空間選擇性衰落，然而在時、頻域上是平坦的，特別是在時域上是慢變化的。 若多徑傳播模型中無直達路徑，則在接收端收到的信號衰落幅度的服從Rayleigh分布；若多徑傳播模型中，存在一個主要直達路徑，則信號衰落幅度遵從Rician分布。 鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5第1章 移動通信概述6:11

4、:546:11:54 2. 傳播環(huán)境的差異性 上行(反向)鏈路的“遠近”效應，在上行鏈路中，由于小區(qū)內用戶的隨機移動，使各用戶的移動臺與基站間的距離不相同，若小區(qū)內各用戶發(fā)射功率相同，則到達基站后信號強度不一樣，離基站近的用戶比離基站遠的用戶信號強，這樣在基站接收端將會產生以強壓弱的現象，同時由于通信系統(tǒng)中的非線性將進一步加強這一過程，這就是所謂的“遠近”效應。 下行(前向)鏈路的“角”效應，在下行鏈路中，當用戶移動臺位于小區(qū)邊緣交界處，它接收到所屬基站的信號比較弱，但同時還會受到鄰近小區(qū)基站信號的較強干擾，特別是在六角形拐角邊緣地區(qū)尤為嚴重，故稱它為“角”效應。 鏈路自適應技術鏈路自適應技術

5、 5第1章 移動通信概述6:11:546:11:54自適應傳輸的物理模型自適應編碼、調制自適應功率控制分配、調度算法反饋信道解調、解碼信道估計輸入發(fā)射機時變信道( )g t( )n t接收機輸出鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5第1章 移動通信概述6:11:546:11:541、鏈路自適應技術概述及關鍵技術 鏈路自適應技術雖然是對物理層的傳輸參數進行調整，但它不僅僅需要物理層，也需要其他各層之間緊密配合。圖3-30中可以看出：鏈路自適應技術需要物理層提供調制、編碼和發(fā)射功率等參數信息；需要鏈路層提供一條可靠的信令鏈路，以便在發(fā)射參數改變時通知接收機和發(fā)射機，以協調它們之間的工作。 L3 網絡層L

6、2 鏈路層L1 物理層其它激活用戶的信息信令環(huán)調制、編碼、發(fā)射功率等無無線線系系統(tǒng)統(tǒng)鏈鏈路路自自適適應應鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5圖3-30 鏈路自適應技術結構 鏈路自適應的關鍵技術包括自適應調制和編碼等一系列算法和協議組成，隨著對多天線（MIMO）和多載波（OFDM）等技術的大量采用，鏈路自適應設計將綜合時域、頻域和空域上的信道變化特性進行。鏈路自適應主要涉及以下關鍵技術： 自適應調制技術 自適應差錯控制技術第1章 移動通信概述6:11:546:11:54（1）自適應調制技術鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5調制方式的星座設計對無線通信系統(tǒng)的性能至關重要。不同的調制方式具有不同的傳輸速率

7、，在同樣誤碼率性能要求下所需要的發(fā)射功率也不相同。自適應調制根據信道的時間、頻率和空間選擇特性，將時、頻、空域劃分成多個子信道，根據各子信道的條件好壞，為它們分配不同數目的比特，進而映射為不同的調制方式，如圖3-31所示。第1章 移動通信概述6:11:546:11:54 Water-Filling算法 鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5此算法是最優(yōu)鏈路自適應算法，它能使系統(tǒng)的頻譜利用率逼近Shannon界。它的基本思想是給信道條件好的子信道多分配發(fā)射功率和數據比特，對信道條件差的子信道少分配或不分配發(fā)射功率和比特。但Water-Filling算法給每個子信道分配的比特數目可能為非整數，不存在相應

8、的調制方式，而且其實現復雜度相當高，所以很少應用于高速無線數據傳輸中。Hughes-Hartogs算法Chow算法該算法的優(yōu)化準則是在約束總發(fā)射功率和維持目標誤碼率前提下使頻譜效率最高。它是一種基于迭代的連續(xù)比特和功率分配算法。每一次迭代只分配一個比特，該比特分配給只需要增加最少發(fā)射功率就能維持目標誤碼率的子信道。迭代過程循環(huán)進行，直到所有功率被分配完畢。該算法迭代的數目等于所需分配的總比特數，每次迭代都要在所有子信道間進行比較操作，因此運算復雜度高，導致實時性較差。而且，該算法造成系統(tǒng)設計的靈活性較差。該算法是為了減少自適應比特和功率分配算法中的迭代次數和每次迭代中復雜的排序操作而被提出來的

9、。其優(yōu)化準則與Hughes-Hartogs算法相同算法首先經過迭代計算得到參數，然后直接通過閉式解為各子信道分配比特速率。由此分配的比特速率有可能是非整數，這時必須將其量化成整數，為了彌補比特量化帶來的性能損失，在分配發(fā)射功率時必須保證各子信道的性能達到目標誤碼率。由于不要求復雜的迭代計算和比較操作，Chow算法的實現復雜度顯著降低，而其性能比最優(yōu)的WateFilling算法相差很小。第1章 移動通信概述6:11:546:11:54流水原理流水原理第1章 移動通信概述6:11:546:11:54第1章 移動通信概述6:11:546:11:54第1章 移動通信概述6:11:546:11:54 （

10、2）自適應差錯控制技術鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5自適應信道編碼固定的信道編碼方式在信道條件惡化時無法保證數據的可靠傳輸，在信道條件改善時又會產生冗余，造成頻譜資源的浪費。自適應信道編碼將信道的變化情況離散為有限狀態(tài)（如有限狀態(tài)Markov信道模型），對每一種信道狀態(tài)采用不同的信道編碼方式，因此可以較好地兼顧傳輸可靠性和頻譜效率。延 時xk延 時輸 入 信 息 序 列交 織 器編 碼 器 1編 碼 器 2截斷器復接器輸 出 碼 元 序 列y1ky2k第1章 移動通信概述6:11:546:11:54 （2）自適應差錯控制技術鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5反饋信令設計決定傳輸模式轉換的反饋信

11、令一般是由接收機根據CSI測量結果產生，然后經由信令信道送回發(fā)射機告知其下一次傳輸時應采取的模式。因為反饋信令的傳輸也必須經過無線信道，所以發(fā)射機有可能檢測出錯誤的信令信息，這對于鏈路自適應系統(tǒng)是災難性的。因此，鏈路自適應系統(tǒng)中反饋信令的設計準則是保證信令在無線信道中無錯傳輸。單一調制符號多數判決離散Walsh碼非對稱保護設計非常簡單直接，只用經過PSK或QAM調制的單個符號來承載信令信息。將同樣的信令信息傳在收到這些信令信息后進行多數判錯的聯合概率肯定比單一檢測的出多，可以提高反饋信令的傳輸可靠性。將信令的狀態(tài)信息用Walsh序列編碼，對每個碼元采用最低階調制方式（如BPSK）。該設計根據信

12、道質應地選擇不同的調制方式來傳輸反在時分雙工（TDD）系統(tǒng)中，數據和信道上傳輸，但它們經歷的信道特性具性。第1章 移動通信概述6:11:546:11:542 鏈路自適應技術的應用與發(fā)展 鏈路自適應技術憑借其在提高頻譜利用率和數據傳輸速率方面的卓越性能日益贏得了人們的青睞，已成功應用于多種移動通信系統(tǒng)中，應用程度也逐漸從簡單到復雜，成為提高系統(tǒng)性能的關鍵技術之一。 鏈路自適應技術鏈路自適應技術 5GPRS標準定義了4種不同的編碼方案：CS-1CS-4，數據速率分別為9.05kb/s，13.4kb/s，15.6kb/s和21.4kb/s，對應的碼率分別為1/2，2/3，3/4和1。GPRS可根據數

13、據速率要求和無線鏈路的質量來動態(tài)選擇編碼類型，以達到最大的無線吞吐量。CS1擁有最高的糾錯能力和最低的速率，而CS4無糾錯能力但編碼速率最高。不同時隙可選擇不同的信道編碼，當網絡傳輸質量較好時，可采用較高速的編碼方式，反之采用較低速的編碼方式。Ericsson公司率先提出并且已經被ETSI（歐洲電信標準協會）采納的EDGE（Enhanced Data Rates For GSM Evolution）技術應運而生，成為GSM未來的演進方向之一。EDGE包括增強的電路交換數據（ECSD）和增強的GPRS（EGPRS）兩部分，二者分別以電路交換和分組交換為基礎。EDGE技術的核心就是鏈路自適應，與G

14、PRS不同的是，EDGE技術不僅編碼方案可以選擇，調制方式也不再是固定的一種GMSK方式，而是引入了另一種調制方式，即八進制移相鍵控（8-PSK）。這種調制方式能提供更高的比特率和頻譜效率，且實現復雜度屬于中等。GMSK和8-PSK的符號速率都是271kbit/s，但由于8-PSK將GMSK的信號空間從2擴展到8，因此每個符號可以包括的信息是GMSK的4倍。第1章 移動通信概述6:11:556:11:55OFDMOFDM技術技術6 OFDM的原理 OFDM的應用第1章 移動通信概述6:11:556:11:55OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple

15、xing，正交頻分復用）技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。OFDMOFDM技術技術6主要思想 將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。第1章 移動通信概述6:11:556:11:551 OFDM的原理 傳統(tǒng)

16、的頻分復用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復雜度和成本。同時，為了減小各個子載波間的相互串擾，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會降低系統(tǒng)的頻率利用率。而現代OFDM系統(tǒng)采用數字信號處理技術，各子載波的產生和接收都由數字信號處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結構。同時為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，就如圖3-33所示，但這些頻譜在整個符號周期內滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復原信號。OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 當傳輸信道中出現多徑傳播時，接收子載波間的正交性

17、就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個問題，在每個OFDM傳輸信號前面插入一個保護間隔，它是由OFDM信號進行周期擴展得到的。只要多徑時延不超過保護間隔，子載波間的正交性就不會被破壞。由上面的原理分析可知，若要實現OFDM，需要利用一組正交的信號作為子載波，再以碼元周期為T的不歸零方波作為基帶碼型，經調制器調制后送入信道傳輸。圖3-33 正交頻分復用信號的頻譜示意圖OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 OFDM調制器如圖3-34所示。要發(fā)送的串行二進制數據經過數據編碼器形成了M個復數序列，此復數序列經過串并變換

18、器變換后得到碼元周期為T的M路并行碼，碼型選用不歸零方波。用這M路并行碼調制M個子載波來實現頻分復用。 在接收端也是由這樣一組正交信號在一個碼元周期內分別與發(fā)送信號進行相關運算實現解調，恢復出原始信號。OFDM解調器如圖3-35所示。 OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55圖3-34 OFDM調制器OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55圖3-35 OFDM解調器OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 然而上述方法所需設備非常復雜，當M很大時，需要大量的正弦波發(fā)生器，濾波器，調制器和解調器

19、等設備，因此系統(tǒng)非常昂貴。為了降低OFDM系統(tǒng)的復雜度和成本，我們考慮用離散傅立葉變換（DFT）和反變換（IDFT）來實現上述功能。如果在發(fā)送端對D（m）做IDFT，把結果經信道發(fā)送到接收端，然后對接收到的信號再做DFT，取其實部，則可以不失真地恢復出原始信號D（m）。這樣就可以利用離散傅立葉變換來實現OFDM信號的調制和解調。實現框圖如圖3-36和圖3-37所示。用DFT和IDFT實現的OFDM系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)的復雜度，減小了系統(tǒng)成本，為OFDM的廣泛應用奠定了基礎。OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55圖3-36 用離散傅立葉變換實現OFDM的調制器

20、圖3-37 用離散傅立葉變換實現OFDM的解調器OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55理論推導：理論推導：調制原理：設OFDM系統(tǒng)中有N個子信道，第K個子信道采用的子載波為：OFDM信號 N路子信號之和一個碼元時間 內任意兩個子載波正交條件： sT子載頻條件：子載頻最小間隔：第1章 移動通信概述6:11:556:11:55OFDM信號復數形式離散傅里葉變換 離散傅里葉逆變換 第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 通過各個子載波的聯合編碼，OFDM具有很強的抗衰落能力，同時也有很強的抗窄帶干擾能力，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。OFDM

21、系統(tǒng)可以有效地抗信號波形間干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數據傳輸。OFDM信道利用率高，這在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 為了達到高速傳輸以及高QoS的保障，必須使頻譜利用率提高、信號抗衰落能力增強、抗碼間干擾能力顯著增強等，因此需要OFDM等先進技術。OFDM技術除頻譜利用率高和較強的帶寬擴展性外，由于其采用了子載波傳輸，使其在抗多徑衰落性能方面的優(yōu)勢非常明顯，另外，OFDM系統(tǒng)可靈活選擇各子載波進行傳輸，使其具有靈活分配頻譜資源的性能，所以它越來越得到人們的重視，各項產業(yè)化工作也在不斷開展中。 OFDM

22、OFDM技術技術6第1章 移動通信概述6:11:556:11:55 在未來的寬帶無線通信中，存在兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。因此，802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。這是因為，OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內轉換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響；而MIMO技術能夠在空間中產生獨立的并行信道同時傳輸多路數據流，這樣就有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。因此，OFDM和MIMO相結合，就能達到兩種效果：一種是實現很高的傳輸速率，另一種是通過分集實現很強的可靠性。OFDMOFDM技術技術6第1章 移動通信概述6

23、:11:556:11:55軟件無線電軟件無線電 7 軟件無線電的基本結構 軟件無線電的特點、應用和存在的問題第1章 移動通信概述6:11:566:11:56將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線，即盡可能早地將接收到的模擬信號數字化，最大程度地通過軟件來實現電臺的各種功能。通過運行不同的算法，軟件無線電可以實時地配置信號波形，使其能夠提供各種語音編碼、信道調制、載波頻率、加密算法等無線電通信業(yè)務。軟件無線電臺不僅可與現有的其它電臺通信，還能在兩種不同的電臺系統(tǒng)間充當“無線電網關”，使兩者能夠互通互連。這樣就解決了由于擁有電臺類型、性能不同帶來的無線電聯系的困難。軟件無線電軟件無線電 7 軟件無線

24、電的基本思想：第1章 移動通信概述6:11:566:11:561、軟件無線電的基本結構 軟件無線電是多頻段、多模式、開放式體系結構，其無線功能通過加載軟件來實現，從而提供多種無線電通信業(yè)務。軟件無線電的基本平臺包括：天線、多頻段射頻（RF）轉換器、寬帶A/D（D/A ）轉換器和DSP處理器等，如圖3-38所示。軟件無線電軟件無線電 7 圖3-38 軟件無線電基本平臺第1章 移動通信概述6:11:566:11:56 將A/D和D/A向RF端靠近，由基帶到中頻對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣； 用高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數字電路與低速DSP/CPU做A/D后的一系列處理。軟件無線電軟件無線電 7 其

25、關鍵思想和與傳統(tǒng)結構的主要區(qū)別：典型的軟件無線電臺的工作模塊： 實時信道處理：實時信道處理包括天線、射頻變換、A/D和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。 環(huán)境管理：在準實時環(huán)境管理模塊中持續(xù)地使用頻率、時間和空間特征來表征無線電環(huán)境，這些特征包括信道識別和估計其它參數。 在線和離線的軟件工具：在線和離線系統(tǒng)分析、信號處理和變宿主工具允許人們確定增量業(yè)務。第1章 移動通信概述6:11:566:11:56寬帶/多頻段天線與寬帶射頻模塊： 軟件無線電軟件無線電 7 軟件無線電技術的各個模塊的作用：軟件無線電臺覆蓋的頻段從2-2kMHz，要求寬帶射頻模塊和低損耗寬帶天線，就目前水平而

26、言要研制出一種全頻段天線是不可能的。研究最佳多頻段天線的主要障礙是當兩個頻率的頻譜十分靠近時，不能設計出同時在兩個頻率上工作的多頻段天線。對于大多數系統(tǒng)只需覆蓋不同頻程的幾個窗口，而不必覆蓋全部頻段，故可以采用組合式多頻段天線的方案。模數轉換部分： 目前在通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）、未來公共陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS）和蜂窩移動通信系統(tǒng)中，均用一個高速A/D轉換器使整個頻帶數字化。對A/D的要求主要是采樣速率和位數。現有的A/D轉換器還不能同時滿足速率與采樣位數的要求。解決方法：一方面考慮用多個高速的采樣保持電路和模數轉換ADC，然后通過并串轉換將量化速度降低，以提高采樣分辨率；另外也可

27、考慮研究適合于低分辨率、高采樣率的A/D編碼調制方案。第1章 移動通信概述6:11:566:11:56高速并行DSP技術：A/D變換后首先要完成的處理工作包括數字下變頻、濾波和二次采樣，這些是是系統(tǒng)數字處理運算量最大的部分。由于數字信號處理器的限制，只能對幾百kHz的濾波信號進行運算，即使采用較快的設備，數字信號處理軟件仍不能用于下變頻。這就必須采用高速并行DSP組成的多處理器模塊（MCM）或專用集成電路。數字下變頻后的高速信號處理部分主要完成中頻處理、基帶處理、比特流處理和信源編碼等其它功能工作。軟件無線電軟件無線電 7 第1章 移動通信概述6:11:566:11:562、軟件無線電的特點、

28、應用和存在的問題 軟件無線電最突出的特點是：（1）軟件無線電具有完全可編程特性，包括可編程的無線波段、信道接入方式、信道調制、數據速率等，通過軟件提供信令與控制、操作和管理以及維護功能。（2）A/D和D/A盡可能地向RF靠近，以便充分利用DSP器件的速度和軟件資源，盡量通過軟件編程完成從信源基帶直至射頻的波形變換和相關處理。軟件無線電軟件無線電 7 第1章 移動通信概述6:11:566:11:56軟件無線電主要的特征： 業(yè)務多樣化，新業(yè)務、新技術的引入更加方便和經濟；優(yōu)越的低截獲概率、低探測概率、抗干擾性能； 自動選擇通信模式，無感覺地自動選擇接入不同的通信網絡，選擇最佳的通信模式，發(fā)送探尋信

29、號去建立通信鏈路，采用合適的通信協議和信號格式與遠端進行通信，通信模式可以根據業(yè)務可用性或信號質量來選擇； 可作為網關站加入全球柵格通信網。例如在移動通信或PCS中，它可解決傳統(tǒng)基站和移動終端的單一模式而造成的不兼容問題，使基站和移動終端能夠滿足多種標準，能應付當前和將來復雜的通信模式和信令結構。軟件無線電軟件無線電 7 第1章 移動通信概述6:11:566:11:56軟件無線電一些缺點： 很難設計寬頻帶、低損耗天線和射頻變頻器； 很難估計在實用中對處理能力的需求和可再編程DSP/CPU處理能力的配置； 較難保證內部處理器接口的數據速率。目前軟件無線電結構關鍵部件還沒有開放結構標準。DSP功能

30、庫還不能象混合和匹配VME板那樣，對來自不同軟件供應商的實時軟件進行混合和匹配。軟件無線電軟件無線電 7 第1章 移動通信概述6:11:566:11:56智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:566:11:56 在移動通信發(fā)展的早期，運營商為節(jié)約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，為使接收到的有用信號不至于低于門限，真正可行的是增加天線增益，相對而言用智能天線實現較大增益比用單天線容易。利用智能天線，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合并權值，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對準有用信號，低增益副瓣對準主要的干擾信號，從而可更有效的抑制干擾，更大比例的降低頻

31、率復用因子，和同時支持更多用戶。從某種角度可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。 另外，智能天線可以通過形成多波束來獲得額外信道，而不需要分配額外頻譜，從根本上增加了頻譜效率。智能天線的又一個好處是可減小多徑效應。在移動通信系統(tǒng)中，接收天線接收的多徑信號隨著環(huán)境而變化，信號瞬時值和延遲失真的變化非常迅速。如果采用智能天線控制接收方向，自適應的形成指向性方向圖，就能減小信號衰落的影響。智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:566:11:56 智能天線之所以稱其為智能天線，“智能”不是在于天線，而在于信號處理。在最簡單的情況下，天線信號的合并是采用權值矢量 進行線性合并，如圖3-40所

32、示。圖3-40智能天線結構1 、 智能天線的原理智能天線的原理智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:566:11:56作為不同天線輸出信號的合并器。智能天線定義強調的是利用從不同空間位置得到的信號，或者也可以說智能天線利用了信道的方向性。具有多天線的接收機能區(qū)分不同到達方向的多徑分量。因此我們可以將智能天線看做一個空間Rake接收機，它能區(qū)分不同到達方向的多徑分量，并分別進行處理。這使得接收機能對不同的多徑分量進行相干合并，因此可以減小衰落，同時還可以抑制來自其它干擾的多徑分量。智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:566:11:56 對一個等間距的 M元直線陣，如果陣元間距為 d，信

33、號波長為 ，信號X從相對陣軸法線夾角為 的方向入射，如圖3-41所示，則 t時刻 M個陣元信號的向量和是 （式3-26） 式中， (式3-27） 天線陣的方向圖僅由下式確定 （式3-28） 歸一化方向圖以分貝表示為 （式3-29）MiijetXtY1)1()()(sin)(2dMiijeA1)1()(| )(lg|10)(2AP智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:576:11:57 若保持間距不變，增加無方向性的陣元數，由上式可推得當陣元數增加時，方向圖主瓣的寬度將減小，并且零點和旁瓣增加。 如果天線陣陣元數少，那么對干擾信號進行抑制的零點形成明顯減少，這樣就減小了在所希望的方向上作用區(qū)

34、的靈敏度?？朔@種情況的方法之一是使用大型天線陣，提高自適應零點控制的能力。當然隨陣元數的增加，費用和復雜性也隨之增加。因此在陣的分辨能力、旁瓣電平以及對具體方向上的作用區(qū)內所要求的陣元數之間，應該進行綜合考慮。智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:576:11:57 在波束形成中，權向量通過代價函數的最優(yōu)化來確定，代價函數的不同，分別對應著不同的方法，這些方法都是通過求合適的權向量來最優(yōu)化代價函數。自適應波束形成技術經過了幾十年的發(fā)展，已有許多文獻專著專門來介紹波束形成的基本原理和準則。常用的基本準則包括： 最小均方誤差準則 最大信噪比準則 最小方差準則智能天線 82 、智能天線的接收準

35、則第1章 移動通信概述6:11:576:11:57 最小均方誤差準則旨在使估計誤差的均方值最小化，是應用最廣泛的一種最佳準則。定義參考信號為 d（t），則陣列輸出與參考信號的均方誤差為 為使它的均方值最小，代價函數取為 展開得)()()()()(tXWtdtYtdteH| )(|2teEJ | )()(|2tXWtdEJHWRWrWtdExxHxdHRe2| )(|2最小均方誤差準則其中， ，為輸入信號 的自相關矩陣， 為輸入信號 和參考信號 的互相關矩陣。 取最小值的最佳權 ，可由令其對 的梯度為零求得 得到最小均方誤差準則下的最優(yōu)全向量)()(tXtXERHxx)(tX)()(tdtXEr

36、xd)(tX)(tdJoptWW022xdxxrWRJWxdxxoptrRW1智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:576:11:57最大信噪比準則旨在使有用信號功率和干擾噪聲功率之比最大，常用于通信系統(tǒng)中，以實現系統(tǒng)誤碼率的要求。它的代價函數為據此代價函數求出最優(yōu)權向量。WRWWRWtUWEtSWEJSINRuuHxxHHH| )(| )(|22最大信噪比準則 最小二乘準則旨在使如下的加權平方誤差累計代價函數最小，由此得出代價函數為： 同理求出最優(yōu)權向量。最小二乘準則tkktketJ12| )(|)(智能天線 8第1章 移動通信概述6:11:576:11:57 通過算法可以自動地調整天線增益的權值以便實現所需要的空間濾波和頻率濾波。通常對算法的基本要求是收斂快、穩(wěn)定性好、計算量不能太大、硬件實現容易。目前己經提出的算法有很多，根據計算權矢量所必需的參考信號信息形式大體可分為三種：時間參考方式、盲處理方式和空間參考方式。 智能天線 83 、智能天線中常用的自適應算法第1章 移動通信概述6:11:576:11:57 基于時間參考方式的算法根據最小均方誤差準則，利用導引信號來恢復信號。這類算法收斂速度較快，可以