通信新技术03-07.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信新技术,智能天线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,3,4,3,、三种智能天线,切换波束式天线,5,笔形波束天线,6,自适应天线,7,4,、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,N,1,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。,16,2,、波束形成和,DBF,技术,在天线口上按权函数加权，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。,17,30,，,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,20,3,、切换波束天线,：,Butler Matrix Circuits,21,Butler Matrix Circuits,令,22,四波束天线阵,23,24,25,26,27,4,、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：幅度相等；忽略互耦；窄带信号；,设各天线单元的信号为：,u,n,(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。,30,2,、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）。,33,3,、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,）,36,LS,法，,如对,P,个采样取平均，便成为,LS,法，,Least Square,。,设泛函：,展开上式，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）,38,2,、阵列信号处理测向（,DOA,，,AOA,），,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。,40,41,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：,42,ARA,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,N,M,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,N,M,，,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，,当天线阵方向矢量 对着信号方向,时，我们有：,则可得信号谱：,或,44,45,六、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,48,50,个用户的自适应方向图,等旁瓣针状波束方向图,49,七、,MIMO,50,51,52,53,54,55,56,57,58,空时编码,STC,的通信过程,星座图,H,59,60,61,62,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,