移动通信---第七课 选择性衰落（时延扩展） 对策 内容 ?均衡技术 ?扩频通信技术 ?扩频技术基础 ?直接扩频技术 ?扩频码序列 ?扩频调制 ?同步与跟踪 ? RAKE接收 ?调频和跳时技术 ?多载波传输技术 ?天线解决方案 ?智能天线技术 ? DOA ?天线分集技术 ? MIMO 均衡技术 ?概念：对移动信道特性进行均衡，矫正信道传 输函数，使其满足无失真传输条件 ?目标：抵消信道的时变多径传播特性引起的码 间串扰，消除信道的频率选择性和时间选择性 ?分类： ?频域均衡：校正幅频特性和群延时，模拟通信 ?时域均衡：使冲击响应无码间串扰，数字通信 ?应用：信号不可分离多径，时延扩展足够大 ?抗时变性：自适应参数调整，自适应均衡 时域均衡原理 ? Nyquist第一准则， 理想传输，信道失真 ?均衡：利用信道均衡器使总的脉冲响应函数接 近理想状态，消除非理想信道引起的码间串扰 ?实现方法：横向滤波器，调节加权系数，使其 它时刻的信号在 分析时刻为零 均衡准则与分类 ?均衡准则---“估计”问题，系数收敛 ?最小峰值失真准则，使干扰的峰值最小 ?最小均方误差准则，估值的误差均方值最小 ?自适应均衡器分类： ?线性均衡器 ?非线性 ?判决反馈均衡器（DFE） ?最大似然序列估值器（MLSE） ?最大似然符号检测器（MLSD） ? DFE自适应均衡器 ?自适应估值均衡器 自适应均衡器 ?自适应均衡算法 ?最小均方误差算法(LMS) ?递归最小二乘算法(RLS) ?快速递归最小二乘算法 (F-RLS) ?平方根递归最小二乘算 法(SR-RLS) ?梯度递归最小二乘算法 (G-RLS) ?最大似然比算法(MLR) ?快速卡尔曼算法(FKA) ? DFE自适应均衡器 ?自适应估值均衡器 均衡在蜂窝系统的应用 ? GSM ?标准中未建议结构，要求均衡的时延为16us ?常用1：判决反馈自适应均衡器，均衡算法为 快速卡尔曼算法(FKA) ?常用2：最大似然序列估计(MLSE)的自适应 均衡器，均衡算法为修正的Viterbi算法(不 要求输入的噪声统计独立) ? IS-54 ?判决反馈均衡器，均衡算法为递归最小二乘 法(RLC)，使指数加权的平方误差最小。 内容 ?均衡技术 ?扩频通信技术 ?扩频技术基础 ?直接扩频技术 ?扩频码序列 ?扩频调制 ?同步与跟踪 ? RAKE接收 ?调频和跳时技术 ?多载波传输技术 ?天线解决方案 ?智能天线技术 ? DOA ?天线分集技术 ? MIMO 扩频通信 ?扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机 编码(扩频序列：Spread Sequence)调 制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采 用相同的编码进行解调及相关处理，恢复 原始信息数据。 ?与常规的窄带通信方式的区别： ?一是信息的频谱扩展后形成宽带传输； ?二是相关处理后恢复成窄带信息数据。 扩频通信的优点 ?抗干扰 ?抗噪音 ?抗多径衰落 ?具有保密性 ?功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 ?可多址复用和任意选址 ?高精度测量等 扩频通信的历史及应用 ?自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军 事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对 抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初 才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长 的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资 源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫 星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技 术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电 话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、 报警等系统中。 扩展频谱技术的理论基础 ?信息论中的香农定理 ?其中C-----信道容量（比特/秒） ? N-----噪声功率 ? W----带宽（赫兹） ? S-----信号功率 ?当S/N很小时（≤0.1）得到： ?在无差错传输的信息速率C不变时，使用大的带宽W， 只需小的S/N就可以了。可以用带宽换取信噪比的好 处。 )1(log 2 N S WC += S NC W 44.1 = 扩频通信可行性的另一理论基础 ?柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公 式： Powj ≈ f(E/N。) 式中： Powj ---差错概率 E ---信号能量 N 0 ---噪声功率谱密度 ?因为，信号功率：P＝E／T (T为信息持 续时间) 噪声功率：N＝WN 0 (W为信号频 扩频通信的主要性能指标 ?处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain) ：定义为 频谱扩展前的信息带宽?F与频带扩展后的信号带宽W之 比： G＝W／?F ?在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码 相关处理后的带宽为?F 的信息，而排除掉宽频带W中的外部干 扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩 频通信系统信噪比改善的程度。 ?抗干扰容限：是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正 常工作的能力，定义为： Mj = G －[(S/N) out + Ls] 其中： ? Mj ---抗干扰容限 ? G ---处理增益 ? (S／N) out ---信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 ? Ls ---接收系统的工作损耗 扩频通信的一般工作原理 ?与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频 调制和解扩部分。 扩展频谱的方式---直接序列扩频 ?直接序列扩 频就是用比 信息速率高 很多倍的伪 随噪声码 (PN)与信 号相乘来达 到扩展信号 的带宽。 直接扩频系统的特点 ?频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得 到的。 ?扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序 列。 ?扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。扩频和 解扩的调制解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑 制载被。 ?模拟信息调制多采用频率调制(FM)，而数字信息调制 多采用脉冲编码调制(PCM)或增量调制(?M)。 ?接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相 关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号。 ?扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕 和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关 特性在延迟锁定环中实现。 ?一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰 能力的提高。 直扩系统的组成与原理 扩频码序列 ?扩频码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。现在实 际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。 ?在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性 的。随机信号的自相关函数的定义为下列积分：。 式中f(t)为信号的时间函数，τ为时间延迟 ?上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的τ的f( t - τ)来比较: ?如二者不完全重叠，即τ≠0，则乘积的积分ψ a (τ)为0； ?如二者完全重叠，即τ＝0；则相乘积分后ψ a (0)为一常数。 ?因此，ψ a (τ)的大小可用来表征f(t)与自身延迟后的f( t －τ)的相 关性，故称为自相关函数。 伪随机码的自相关特性 m序列 ? m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由 于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的 性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。 ?顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他 延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。 在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则 所能产生的最大长度的码序列为2 n －1位。 ? m序列码的结构决定于反馈抽头的位置和数 量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同 结构的码序列。有的抽头组合并不能产生最长 周期的序列。 m序列的一些基本性质 ?在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1 位。例如上述 7位码中有4个“1”和3个“0”。在15位码中有8个“1”和7个“0”。 ? m序列的自相关函数由下式计算： 令p =A + D = 2 n －1，则： ? m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m序 列，只是相移不同而已。 ? m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态 只在m序列中出现一次。 ? m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。理论分 析指出，产生的m序列数由式Φ(2 n －1) / n决定，其中Φ(X)为 欧拉数(即包括1在内的小于X并与它互质的正整数的个数)。 Gold码序列 ? m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多， 且序列之间的互相关值并不都好。R·Gold提出了一种 基于m序列的码序列，称为Gold码序列。这种序列有 较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列 数多，因而获得了广泛的应用。 ?如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且 满足以下条件： 我们称这一对m序列为优选对。 ?把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产 生一个新的码序列，即Gold 序列。 Gold序列的主要性质 ? Gold序列具有三值自相关特性，其旁瓣的极大 值满足上式表示的优选对的条件。 ?两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列 都是Gold序列。因为总共有2 n －1个不同的相 对位移，加上原来的两个m序列本身，所以， 两个m级移位寄存器可以产生2 n ＋1个Gold序 列。因此，Gold序列的序列数比m序列数多得 多。 ?同类Gold序列互相关特性满足优选对条件，其 旁瓣的最大值不超过上式的计算值。Gold序列 的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比m序列小 得多。 移相键控扩频调制 ?扩频调制系统进行两次调制 ?第一次用扩频码调制 ?第二次为常用的载波调制 ?移动通信中的应用 ? IS-95的下行、WCDMA上行和CDMA2000 上行均采用平衡四相(BQM)扩频调制。 ? IS-95的上行采用平衡四相改进型OQPSK技 术 ? WCDMA下行、CDMA2000下行采用复四相 扩频调调制（CQM）技术。 BPSK扩频调制 平衡四相扩频调制(BQM) 双四相扩频调制(DQM) 复四相扩频调制(CQM) 相关解扩过程 ?所谓相关检测，就是 用本地产生的相同的 信号与接收到的信号 进行相关运算，其中 相关函数最大的就最 可能是所要的有用信 号。 引起频率和相位不确定性的因素 ?引起频率和相位不确定性的因素有以下一 些： ?收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位 差； ?收发信机相对不稳定性引起的频差； ?收发信机相对运动引起的多普勒频移； ?以及多径传播也会影响中心频率的改变。 ?因此，只靠提高频率源的稳定度是不够 的，需要采取进一步提高同步速率和精度 的方法。 直扩系统的同步 ?同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的 PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含 两个阶段： ?接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜 捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶 段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号 在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。 ?一旦完成捕获后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响 而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏 移，同步系统都能加以调整，使收发信号仍然保持同步。 起始同步：搜捕 ?搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的 范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号 与其同步。由于解扩过程通常都在载波同步之 前进行，载波相位在这里是未知的。 ?大多数搜捕方法都利用非相干检测。所有的搜 捕方法的共同特点是用本地信号与收到的信号 相乘(即相关运算)，获得二者相似性的量度， 并与一门限值相比较，以判断其是否捕获到有 用信号。如果确认为捕获到有用信号，则开始 跟踪过程，使系统保持同步。否则又开始继续 搜捕。 ?三种常用的搜捕方法：滑动相关搜捕法、序贯 估值搜捕法、匹配滤波器搜捕法 滑动相关搜捕法 ?当收到的PN码序列 与本地PN码序列的 钟频不同时，在示波 器上可以看到两个序 列在相位上相互滑 动。这种滑动动过程 就是两个码序列逐位 进行相关检测的过 程。总有一个时候， 两个序列的相位会滑 动到一致的时候。如 果这时能使滑动停 止，则完成了搜捕过 程，可以转入跟踪过 程，达到系统同步。 序贯估值搜捕法 ?把收到PN码序 列直接注入到本 地码发生器的移 位寄存器中，强 迫改变各级寄存 器的起始状态， 使其产生的PN 码刚好与外来码 相位一致，则系 统可以立即进入 同步跟踪状态。 匹配滤波器搜捕法 ?因为匹配滤波 器有识别码序 列的功能，可 以利用它进行 快速捕获。 保持同步：跟踪 ?当捕获到有用信号后，即收发PN码相位 差在半个时片以内时，同步系统转入保持 同步阶段，有时也称为细同步或跟踪状 态。也就是无论什么外界因素引起收发两 端PN码的频率或相位偏移，同步系统总 能使接收端PN码跟踪发端PN码的变化。 显然，跟踪的作用和过程都是闭环运行 的。当两端相位发生差别后，环路能根据 误差大小进行自动调整以减小误差。因而 同步系统多采用锁相技术。 延迟锁定环和τ一抖动环 说明 ?应该指出的是，延迟锁定环和τ一抖动环不仅能 起跟踪作用，如果应用滑动相关的概念，使本 地VCO一开始与接收信号有一定的频差，也能 起到搜捕的作用。此外，另加一相关器，还可 以起到解码的作用。 ?同步系统与扩频方式、扩频码、信息调制与解 调、扩频调制与相关解扩都有直接关系。它的 性能好坏影响整个系统的可靠性和适用性，以 及功能和性能指标。因此，可以说同步系统在 直扩系统中起着核心的作用。 Rake接收机原理 ?通过RAKE接收机实现时间分集 Rake接收机结构 ?基本概念：finger，路径搜索，信道估计，合并 QualComm的Rake接收机 ?并行相关器结构 ?移动台：3个并行相关器+多径搜索器 ?相关接收最大比合并 ?基站：4个并行相关器+多径搜索器 ?非相关接收最大比合并 Rake接收与均衡的区别 ?区别 ?均衡用于不可分离多径的情况；RAKE是多 径分集 ?均衡希望多径数少、延迟小；RAKE希望可 分辩的多径数多 ?均衡通过消除符号间干扰来提高SINR； RAKE通过相关接收分离多径并合并，对抗 衰落和多径效应 ?均衡对衰落无效，没有利用多径的能量和信 息 扩展频谱的方式---跳频 ?跳频就是 使原信号 随机的用 不同载波 传输发 送。 扩展频谱的方式---跳时 ?跳时是使 用伪随机 码序列来 开通或关 断发射 机，即信 号的发射 时刻和持 续时间是 随机的。 扩展频谱的方式--- Chirp方式 ?宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式， 简称Chirp方式，其频率在较宽的领带内变 化，信号的频带也被展宽了。 ?主要用在雷达中，但在通信中也有应用。 各种混合方式 ?上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合 起来，构成各种混合方式。例如DS／FH、DS ／TH、DS／FH／TH等等。 内容 ?均衡技术 ?扩频通信技术 ?扩频通信基础 ?直接扩频技术 ?扩频码序列 ?扩频调制 ?同步与跟踪 ? RAKE接收 ?调频和跳时技术 ?多载波传输技术 ?天线解决方案 ?智能天线技术 ? DOA ?天线分集技术 ? MIMO 正交频分调制(OFM) ?几种等效的说法 ?多载波传输技术 ?正交频分复用技术(OFDM) ?离散多音频调制(DMT) ?多载波调制(MCM) ?正交频分调制(OFM) ?为什么引入多载波正交调制技术 ?多载波传输的概念出现于1960‘s ?概念：高速串行数据流经串并转换后，分割成若干低速数据 流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送 ?对抗多径信道的方法：并行传输，降低数据率，增大信息码元 周期，减小多径时延扩展的影响，消弱多径干扰对系统传输性 能的影响 ? CDMA采用RAKE技术分离多径，并进行合并 多载波传输系统原理框图 子载波的设置方案 ?传统频分复用，频带划分为N个互不重叠的子 信道 ?偏置QAM(SQAM)技术，在3dB处载波重叠 ?正交频分复用，各子载波有1/2重叠但正交 OFDM的技术 OFDM传输原理及频谱 模拟实现方法 数字实现方法 OFDM的优缺点 ?优点 ?抗多径传播和频率选择性衰落能力强 ?动态比特分配技术使系统达到最大传输速率 ?对脉冲干扰的抵抗能力比单载波系统强 ?频谱效率比串行系统提高一倍 ?缺点 ?对符号定时和载波频率偏差比单载波系统敏感 ?多载波信号是多个单载波信号的叠加，因此其峰值 功率比平均功率的比值大于单载波系统，对前置放 大器的线性要求较高。 OFDM优点---抗多径时延能力 ?解调后采用简单的频域均衡，而非复杂的时域均 衡 OFDM优点---自适应比特与功率分配 OFDM优点---抗突发噪声 ? FFT运算具有分散噪声功率的作用 OFDM的缺点---非线性失真 OFDM的应用 ?数字用户环线：在现有数字用户环线上提供高速率数字 接入服务 ?高比特数字用户环线HDSL，1.6Mbps ?非对称数字用户环线ADSL，1.536Mbps ?超高速数字用户环线VHDSL，100Mbps ?无线局域网：低移动、低时延扩展、高速无线接入，多 用于室内环境 ? 802.11a标准(2.4G与5GHz频段50Mbps接入) ? HiperLAN ?数字广播：无线信道下高品质的音视频广播服务 ?欧洲地面数字音频广播DAB-T ?欧洲地面数字视频广播DVB-T4.89~31.67Mbps HDTV ?日本地面数字视频广播ISDB-T3.65~23.23Mbps HDTV ?中国的HDTV方案DMT 内容 ?均衡技术 ?扩频通信技术 ?扩频通信基础 ?直接扩频技术 ?扩频码序列 ?扩频调制 ?同步与跟踪 ? RAKE接收 ?调频和跳时技术 ?多载波传输技术 ?天线解决方案 ?智能天线技术 ? DOA ?天线分集技术 ? MIMO 天线阵列与空时联合处理技术 ?特点：多天线技术 ?本质：空间过采样，分集技术 ?基本分类：根据天线间的位置 ?天线信号相关---智能天线技术(角分集技术) ?天线信号不相关---分集技术 ?目的： ?对抗多径 ?对抗衰落 ?对抗干扰 空时信号处理技术分类 智能天线技术 智能天线的基本概念 ?基本概念：基于天线阵列原理，利用天线阵的 波束成形，产生多个独立的波束，并自适应的 调整波束方向来跟踪每一个用户，达到提高信 号干扰噪声比(SINR)、增加系统容量的目的 ?理解 ?利用信号传输的空间特性来抑制干扰 ?利用信号与干扰的来波方向不同区分信号和干扰 ?智能天线形成的波束可实现空间滤波 ?波束随用户移动变化很快 智能天线的特点 ?对一个符号内的多径衰落有效 ?克服瑞利衰落有效 ?射频成本提高 ?算法复杂性和收敛速度影响在 移动通信中的应用 智能天线的发展 ?智能天线的概念来源于军事通信系统中的雷达 和声纳技术以及地震勘探、射电天文等领域的 技术。它的发展可粗略地分成以下几个阶段： ? 40~50年代，主要集中在自适应波束控制、操纵的 研究 ? 60年代，Howells 提出自适应零陷控制技术，如自 适应滤波、自适应旁瓣抵消等。 ? 70年代，以Schmidt、Roy 为代表，集中在空间谱 估计技术的研究上。包括：最大似然谱估计、最大 熵谱估计、特征空间正交谱估计等。 ? Gabriel 则首先将自适应波束成形技术称为“智能天 线” ? 1978年智能天线首先在军事通信中得到应用 ? 1990年后，智能天线开始在民用通信中得到应用 智能天线的发展（续） ?由于智能天线诸多的优势，在国内、国际上受到了普遍 的关注，除TD-SCDMA技术已将其列入必备技术外， 其它的制式也将其列入了选择技术，并在后三代中投入 使用。 ?尽管智能天线在军事通信中已得到成功应用，但由于使 用场合不同、且移动通信传播环境更加恶劣（如多径、 时变等），到目前为止，仅波束成形天线已在GSM、 CDMA中得到应用，自适应天线尚处在理论研究过程 中。 ?随着相关技术的进一步提高，如多用户检测、干扰抵消 等技术的成熟，阵列与相关技术的融合成为趋势，不仅 有利于提高自适应天线的精度，也有利于降低算法的复 杂程度，便于实用化。 智能天线在移动通信中的作用 ?提高接收信号载干比，改善通信质量。 ?利用波束成形技术，对期望信号产生高增益，对干扰信号形成 “陷点”（null）或产生较大抑制。 ?提高频谱利用率、消除多址干扰，扩大系统容量。 ?在TDMA系统中，由于压缩了波束的范围，可使频率重复利用 率提高，从而提高系统容量；而在CDMA系统中因抑制了多址 干扰，在同个站内可容纳的用户增加。 ?抗多径、抗衰落 ?扩大通信覆盖范围 ?即使在较小角度扩散情况下，N个单元的天线阵列可提供约N倍 的能量增益，也即可扩大约N 1/r ，r 传播损耗指数，通常取 ４。 ?降低基站和移动台的发射功率 ?提高移动台电池寿命 ?自动跟踪用户信号，位置定位 智能天线的组成 ?包括多个接收机、AD变换器和天线阵列处理器 智能天线的波束成形技术 ?形成方向图，在不同 的到达方向上给予不 同的天线增益。 ?可以提高接收信号的 信噪比，从而提高系 统的容量。 ?可以将频率相近但空 间可分离的信号分离 开。 阵列形状 ?为控制波束成形，必须选择合适的天线阵列， 即在空间分开的一系列阵元。 ?阵元的形成类似于有限冲激响应（FIR）滤波 器。FIR滤波器为时域信号处理，在时域上对信 号作离散采样；而阵列天线相当于在空域信号 处理，在空域上对信号作离散采样。改变阵列 的加权，可使波束发生变化。与FIR滤波器一 样，阵列处理即空间处理也有类似的诸如滤 波、分离和参数估计等信号处理过程。 ?阵列形状的不同，将直接影响天线阵列的形状 和处理方式。 等距线性阵列 （Uniform Linear Array） 导向矢量（Steering Vector）为： . ..... * 123456 d ? 信源 ))(( , ta kl θ r ]e,,e,e,1[ k,lk,lk,l sin d)1N(2 jsin d22 jsin d2 j θ λ ?π ?θ λ π ?θ λ π ? L = 均匀圆周阵列 （Uniform Circular Array） ?其中： . .. . . . . . x y z θ ψ * 信源 0 ][))(( )cos()cos()cos( , 110 ? ??? = N rjrjrj kl eeeta ψξψξψξ θ L v Ni i /2πγ = 设圆阵半径为R kl R , sin 2 θ λ π ξ = kl, θ kl, ψ ：信源仰角 ：方位角 智能天线分类 ?波束切换（Switched Beamforming） ?动态相位阵列（Dynamically phased arrays ） ?自适应天线阵列（Adaptive antenna arrays） 波束切换 （Switched Beamforming） ?波束成形天线在本质 上更象是对基站进行 扇型化。基站发出信 号根据移动台的位置 被预先分配到指定的 波束，有效地减少了 对其它用户的通信干 扰，扩大了覆盖范 围，提高了系统容 量。 波束切换工作原理 ?每个波束必须对应一个接收机，随着用户的移动，由切 换控制器控制波束与接收机的对应关系。 用于接收第K-1用户 M*M 波束成形 交换网络 用于接收第一个用户 切换控制 切换控制 动态相位阵列 ?这种动态相位阵列克服了波束切换在移动 台运动时，偏离波束的主瓣，在波束切换 前信号出现较严重衰减的弊端。它在原理 类似波束切换，但在控制方面，利用到达 角估计技术，可控制波束在波束宽度范围 内跟踪移动台的运动，始终保持移动台的 接收功率。 ?这种技术也可认为是波束主瓣切换技术 （switched lobe concept）。 自适应天线阵列 ?自适应天线阵列利用一组可产生变化辐射 图（方向图）的天线单元，动态地跟踪信 道衰落、噪声及干扰的变化，始终断保持 接收机载干比为最大，提高接收机性能。 ?天线方向图的控制采用信号处理技术，控 制天线单元加权系数，从而调整天线单元 接收、发射方向图。 ?为能自适应跟踪期望用户的信号，自适应 天线阵列的跟踪速率要大于用户移动及信 道快衰落的变化速率。 自适应天线阵列工作原理 自适应天线 波束跟踪期 望用户 窄带自适应阵列结构 0 ω 1 ω 1?N ω ∑ 下变频A/D 下变频A/D 下变频A/D M 0 r 1 r 1?N r 自适应算法 解调 误差信号 i d ? i d 输出 信号 自适应天线 阵列处理器 rwd H ki vv = ? k H k drwe ?= vv ]|[|)( 2 k H kMMSEk drwEwJ ?= vv 2 0 ||)( ∑ = ?= snap m k H kLSk drwwJ vv 空间滤波器 宽带自适应阵列结构 . . + L 1? z 1,1 w 1? z 1? z L w ,1 2,1 w + L 1 r + + L . . 1? z 1? z L 1,2 w 2,2 w L w ,2 1? z 2 r + + L . . 1? z 1? z L 1? z 1,N w 2,N w LN w , N r 接收机 宽带阵列天线合成网络 M ∑ 空间滤波器+时域均衡器 )()( ? rvecwvecd H ki vv = k H k drvecwvece ?= )()( vv ]|[|)( 2 k H kMMSEk drwEwJ ?= vv 智能天线的小区配置 全向小区三扇区小区智能天线小区 最佳权重确定准则 ?最小均方误差准则(MMSE)：是以天线输出波形失真最 小为标准，即实际阵列输出信号与期望信号的均方误差 最小。由MMSE准则求得的最优权矢量就是Wiener- Hopf解。 ?最大信干噪比准则（MSINR）：信号与干扰和噪声的 分布确定后，误码性能直接取决于信号与干扰和噪声的 功率比（SINR），所以如果以最大输出SINR为准则选 择合并系数可望得到更好的误码性能。 ? Capon最小噪声方差准则：保证接收到恒定的用户信号 功率的同时，使阵列的输出功率最小。这种波束成形被 称为最小方差失真波束成形(MVDR Beamformer)。 ?最大似然比准则：使对数似然函数达到最大信号估计 值。 自适应控制算法 ?在CDMA系统上行链路自适应阵列天线接收机的研究主要是基于盲 估计算法和导频辅助自适应算法两种方式。阵列中采用盲算法尽管 在系统中不需要导频信号，从而提高系统效率，但在算法中采用高 阶矩，使得算法复杂，且运算量大，在目前受到器件的限制，难以 实用化；若采用判决反馈方式在信道处于严重恶化或信噪比过低 时，会产生误差传播，可能会导致系统性能进一步恶化。而采用导 频做参考信号进行信道估计，尽管牺牲了有限的系统容量，但可极 大简化系统实现，提高算法运算速度和算法精度。 ?非盲算法：指需借助于参考信号，例如专门导频信道信号、导频 ?符号序列信号、训练序列等。利用这些辅助的参考信号，求取误差 信号，从而实现自适应算法。 ?盲算法：所谓盲算法，无须发送已知的导频信号、训练序列，收端 可自行估计发送的信号，并以此为参考信号进行阵列信号的处理， 前提是判决信号与实际的传送信号间误差应较小。一般情况下，盲 算法利用调制信号本身固有的特征，调整阵列权重。 ?半盲算法：即盲算法与非盲算法的结合。 上行链路智能天线接收信号 Σ 移动台多径时变信道基站天线阵列 )( 1 ir )( 2 ir )(ir N )( * 1 iw )( * 2 iw )( * iw N )(iz )( 1 ix ）ix ( 2 )(ix k ?主要用于基站的上行接收技术和下行发射技术 ? FDD，空间特征信息与频率相关 天线阵列在CDMA系统 上行链路中的应用 ?阵列天线各单 元的接收信号 经多径分离， 再经空间加权 （滤波）后， 在码片级上进 行时间合并， 去除多址及多 径干扰，合并 后的信号经过 沃尔氏 （Walsh）解 扩，送维特比 软判决译码器 还原出发送原 始信号。 ∑ 多 径 分 离 1,1 w L w ,1 M 最 优 合 并 多 径 分 离 ∑ 1,N w LN w , M 复Gold序列 . 信道估计及自 适应权重调整 . . . * ;, kji G 1;, ji r Nji r ;, 软 判 决 译 码 沃 尔 氏 解 扩 1,1;1,, ji x 1,1;,, Lji x 1,;1,, Nji x 1,;,, NLji x 1;, ~ ji y 1; ? i y 1;i y 天线阵列权重码片级自适应调整 ∑ 多 径 分 离 滑动窗积分器 滑动窗积分器 1,1 w L w ,1 M 最 优 合 并 导 频 误 差 期 望 导 频 多 径 分 离 滑动窗积分器 滑动窗积分器 M ∑ 1,N w LN w , -j M )(ne d j p + - ∑ 复Gold 序列 . M . . . . 信道估计及自 适应权重调整 1;, ji r Nji r ;, * ;, kji G 1,1;1,, ? ji z 1,1;,, ? Lji z 1,;,, ? NLji z 1,;1,, ? Nji z j p ? 智能天线误码率性能 到达角估计（DOA） ? DOA的估计又称为空间谱估计， 因为可以将角度看作空间频率。 在智能天线信号处理过程中，到 达角估计是一项非常重要的内 容。根据到达角，可以计算出智 能天线的权重，也可以计算出下 行链路信号的发送方向。 DOA估计方法 ? Capon最小方差法：采用Capon最小噪声方差准则，在目标用户的输出功 率恒定的情况下，使阵列输出功率最下，这就使得噪声的功率最小。此方 法下的最优权重可利用Lagrange乘子法求得。 ?旋转不变技术估计信号参数ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法：从数学上说 明阵列平移不变的影响，考虑由m个镜相单元对组成的任意几何平面阵 列，在概念上很容易用两个子阵列组成的阵列来描述，这两个阵列的单元 需组成完全相同的置换向量的匹配对，也就是说，相对于第一个单元的第 二个配对应该具有同样的距离和同样的方向的置换或移置。 ?多重信号分类MUSIC(Multiple Signal Classification) 法：完全利用了 谱估计中的MUSIC算法的原理。它的主要思想是将自相关矩阵进行特征 分解，按特征值的大小将自相关矩阵分为信号子空间和噪声子空间。利用 阵列响应矢量与噪声子空间的正交性来确定信号角度。 ?最大似然算法：是通过最大化一个K阶的似然函数来确定K个入射角。由 于似然函数通常都是高度的非线性，而且具有局部最小值，直接地搜索似 然函数的最大值会使搜索维数很高而导致复杂度太高；而简单的复杂度较 低的搜索算法不能保证找到全局最大值。因此，尽管最大似然技术的性能 较好，但还没有获得实用。通常，最大似然到达角估计方法又可分为：确 定性最大似然算法（Deterministic ML）和随机性最大似然算法 （Stochastic ML）或称统计最大似然算法（Statistical ML ）。 空时发送分集技术 ?正交发送分集(OTD) ?时间切换发送分集(TSTD) ?选择发送分集(STD) ?空时编码(STC) ?分层的空时处理BLAST (Bell Layered Space-Time architecture) 空时编码(STC) ?两种STC：空时分组码(STBC) 和空时网格码 (STTC). ? STBC 的原理是将已编码的调制符号映射到不同 的天线，在接收端采用简单的线性处理得到发 射分集的最大比合并，从而提高性能。但不能 提高频谱效率。 ? STTC 是将编码与调制结合起来，输出符号再映 射到不同得发射天线，同时获得分集和编码增 益。它可以通过在带宽效率与功率效率之间的 折中选择，达到比STBC 更好得性能。 STC发送分集特点 ?充分利用空间信息 ?将信号通过编码分别在多个发 射天线上传输 ?接收端用多个接收机分别接收 对应的天线信号，并进行合并 STTC 原理 ` 0 3 1 2 星座状态 1 2 3 4 每次转移 输出 00 01 02 03 10 11 12 13 20 21 22 23 30 31 32 33 在接收机采用最大似然序列估计来重构发送出的数据流。 STTC 编码器是基于有限状态机，其状态转移取 决于输入数据比特，如下图例所示： BLAST 系统构成 解 复 用 Tx数据 信 号 分 离 Rx 数据 调制和上变频下变频 空间波束成形/迫零或 MMSE 信号处理 BLAST中数据流的分配 (a) V-BLAST (b) D-BLAST aaa a a a a b b b b b b b cc c c c c c ddd d d d d cda d c b a b a d c b a d bc a d c b a abd c d c b 天线数 1 2 3 4 t t+1 t+2 t+3 t+4 t+5 t+6 t t+1 t+2 t+3 t+4 t+5 t+6 智能天线研究趋势 ?研究趋势 ?软件天线 ?空时二维接收 ?空时二维接收与多用户检测结 合 ?空间也成为一种资源与功率控 制结合 空时组合的2D RAKE接收机 空时结合的2D RAKE接收机 阵列天线与干扰抵消 联合处理技术 Delay User 0 Matched Filter User 1Matched Filter Regenerate User 1 1 ν ∑ ∑ 2 ω 1 ω 1?N ω 0 ω User 2Matched Filter Regenerate User 2 2 ν User K-1Matched Filter Regenerate User K-1 1?K ν Weight Update … … … … + - - - ? ? ? ? 空时二维接收与 多用户检测级联技术 二维信 号处理 下 变 频 与 A/D 变 换 多用户 检测 二维信 号处理 用户1 用户2 二维信 号处理 用户M 用户1 用户2 用户M 阵元 1 阵元 2 阵元 n … … … … 空时二维接收与 多用户联合检测技术 下 变 频 与 A/D 变 换 自适应波束成形与 自适应多用户检测1 用户1 阵元 1 阵元 2 阵元 M … … … 合并 器1 自适应波束成形与 自适应多用户检测1 用户M 用户M 合并 器2 空时二维接收与 多波束检测技术 下 变 频 与 A/D 变 换 波束成形1 用户1 用户1 阵元 1 阵元 2 阵元 M … … 多用户检测1 （MMSE） 波束成形M 用户M 用户M 多用户检测M （MMSE） 多入多出（MIMO）概念 ?智能天线概念的扩展：在通信链路的两端 均采用多天线单元，构成多入多出 (MIMO) 并行信道结构，提高链路容量。 ?空时编码（STC）技术提供了从MIMO 信道汲取好处（增益）的另一种方法，在 MIMO 系统中应用STC 技术可以极大地 提高分集和编码两者的增益，而不仅仅是 采用并行信道所提高频谱效率。 MIMO信道模型 ?每对收发天线之间的增 益相互独立。 ?所有参数随时间变化， 而在决定信道变化速度 的相干时间Tc内不变。 ?所有发射天线可相互协 作，因而可进行STC。接 收机则对来自所有接收 天线的信号进行解码。 ?典型信道为瑞利衰落信 道。 N 发送天线 N 接收天线 MIMO 理论基础 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? += * 2 detlog HHI T n n C R ρ ∑ ? ? ? ? ? ? ? ? ?+= i i T n C λ1log 2 ρ 式中：ρ是每个接收天线单元的平均接收SNR ，H 归 一化信道矩阵，λ i 信道协方差矩阵HH * 的特征向量。 说明 ?假设在MIMO 信道的每一端都有n个天线单 元，则在收发信机之间等效产生出n条并行信 道，因而增加频谱效率n倍。 ?发射机采用的天线单元数必须不少于接收天线 单元数。 ?在上述基础上进一步增加天线单元可提高检测 性能。 ?需精确得知MIMO 信道响应矩阵，因此任何 实现方案中都必须包括信道估计。 单天线信道容量 ?在窄带应用时可假设高 SNR. ?对于具有高SNR 的单发 射天线和单接收天线情 况，可通过在Tc维发送 所有方向均匀分布的信 号矢量来得到链路容 量。 ?信息论建议把信息进行 空间方向编码，而空间 方向是不受衰落影响 的。 ?码字的范数（Norm）不 传播信息，因此无需估 计信道增益，而仅仅进 行最佳非相干检测。 ?所有的星座点均在Tc维 的球面上。 星座图 ?对于具有N 根发射天线和N 根接收天线的系 统，总自由度数为N Tc，而且非衰落情况下 的自由度数为(Tc-N)N，因此容量随SNR 的 递增函数为(Tc-N)Nlog(SNR)。 ?若Tc趋近于N，则容量不再随N 线性增加。 在高SNR情况下，对于任何给定的Tc，总可 以计算出使容量最大的最佳天线数目，通常近 似为Tc/2。 ?在实际系统中SNR 有限，由范数（Norm） 传播的信息不可再被忽略，因此要计算最佳输 入范数分布。 多天线容量 MIMO检测方法 ?为获取容量，可相互独立地调制两部分信 息（子空间和范数）。 ?子空间检测由下式得到： 子空间 范数 源1 源2 信道子空间检测 范数检测 )]([min(minarg ? YXSVDX T X = MIMO结论与存在问题 ?结论 ?对于具有高SNR 地多天线衰落系统，在不假设已知 任何信道参数或任何训练结构的情况下，已经找到 计算信道容量的方法。 ?已知相干时间Tc时，天线数增加的极限约为 Tc/2。 ?存在问题 ?最佳的输入范数分布，或达到与相干容量相差无几 的次优分布。 ?现有信道估计和跟踪算法与达到香农容量极限的最 佳输入分布之间的关系。 ?需仿真研究高SNR 近似实际系统情况下的性能，并 与训练方案的性能进行对比。