智能天線及hsdpa中的mimo的研究.rar
智能天線及hsdpa中的mimo的研究,智能天線及hsdpa中的mimo的研究8.8萬字102頁摘要天線陣列技術(shù)作為一種新的空間資源利用技術(shù)，使通信資源的利用不再局限于時域、頻域和碼域，而是拓展到了空間域。移動通信系統(tǒng)采用天線陣列技術(shù)，可以增加系統(tǒng)的容量，改善系統(tǒng)的通信質(zhì)量，增大系統(tǒng)的覆蓋范圍以及提供高數(shù)據(jù)率傳輸服務(wù)等。天線陣列技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用已越來越...
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智能天線及HSDPA中的MIMO的研究
8.8萬字 102頁
摘 要
天線陣列技術(shù)作為一種新的空間資源利用技術(shù)，使通信資源的利用不再局限于時域、頻域和碼域，而是拓展到了空間域。移動通信系統(tǒng)采用天線陣列技術(shù)，可以增加系統(tǒng)的容量，改善系統(tǒng)的通信質(zhì)量，增大系統(tǒng)的覆蓋范圍以及提供高數(shù)據(jù)率傳輸服務(wù)等。天線陣列技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用已越來越受到重視。
本文首先分析了GSM移動通信系統(tǒng)和CDMA移動通信系統(tǒng)采用智能天線來增加容量的機(jī)理，討論了這兩種體制下的系統(tǒng)采用智能天線來增加容量的不同效果，給出了這兩種系統(tǒng)采用智能天線來增加系統(tǒng)容量的計算實例。
對于頻分雙工（FDD）通信系統(tǒng)，由于上、下行信道的非對稱性，上行自適應(yīng)波束形成的加權(quán)矢量不能直接用于下行波束形成。本文研究了基于DOA下的下行波束形成。借鑒最大信號接收準(zhǔn)則下的上行波束形成，提出了最大信號發(fā)射準(zhǔn)則下的下行波束形成。針對下行選擇性多波束形成旁瓣電平大的缺點，給出了一種波束優(yōu)化方法。此外，我們對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的天線陣列在下行波束形成中的適用性和性能也進(jìn)行了研究。
本文對智能天線的上行自適應(yīng)波束形成進(jìn)行了研究。首先研究了CMA盲自適應(yīng)陣列的上行波束形成。針對CMA陣列的抗多徑能力與干擾信號的空間隔離度有關(guān)的缺點，提出了一種新的初始化方法來對恒模算法的捕獲行為進(jìn)行控制。其次分析了CDMA移動通信系統(tǒng)的特點，提出先對接收到的信號進(jìn)行解擴(kuò)，然后再用一窄帶濾波器來抑制多址干擾和多徑干擾，這樣就可以把恒模算法用于CDMA系統(tǒng)中，解決了CDMA系統(tǒng)由于實施功率控制不能直接使用CMA的問題。最后研究了基于參考信號的CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)上行波束形成。針對傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)波束形成，提出對信號解擴(kuò)后再進(jìn)行波束形成。這樣做的好處是放寬了計算加權(quán)矢量的時間要求，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時，它還解決了用導(dǎo)頻符號作參考信號時，得到的維納解不是業(yè)務(wù)信號最優(yōu)解的問題；解決了加權(quán)矢量對導(dǎo)頻信號功率敏感的問題。在該波束形成方法下，由于導(dǎo)頻信號占用系統(tǒng)資源而引起的系統(tǒng)容量下降以及兩種參考信號下的系統(tǒng)性能，本文也進(jìn)行了計算機(jī)仿真研究。
本文最后研究了MIMO技術(shù)在HSDPA中的應(yīng)用。針對HSDPA中的兩種MIMO技術(shù)，即多碼復(fù)用和空時發(fā)送分集技術(shù)，提出了相應(yīng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。對于多碼復(fù)用下的MIMO系統(tǒng)，給出了V－BLAST檢測器的兩種算法流程，并比較研究了這兩種算法下的系統(tǒng)性能。對于STTD下的MIMO系統(tǒng)，推導(dǎo)出了最佳解碼算法；詳細(xì)討論了系統(tǒng)的SNR性能；推導(dǎo)出了系統(tǒng)平均誤碼率表達(dá)式，并給出了數(shù)值計算結(jié)果。文章最后給出了MIMO技術(shù)在HSDPA中的一個應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：天線陣列，波束形成，GSM，CDMA，MIMO
ABSTRACT
Being the new techniques to mobile communications, antenna arrays can make the use of communication resources extended into space domain. Antenna arrays can provide mobile communication systems with larger capacity, improved service quality, increased coverage, and higher data rate transmission. This thesis explores techniques for application of antenna arrays to mobile communication systems.
The capacity of cellular mobile communication systems can be increased significantly with smart antennas. We investigate the principles of capacity increase with smart antennas for GSM systems and CDMA systems. We also study the effects of smart antennas on capacity increase of the two different systems. Some suggestions are given when smart antennas are used to increase capacity of the two systems.
For mobile communication systems with time division duplex (TDD), the uplink weights can be used for downlink when mobile units move slowly. In case of systems with frequency division duplex (FDD), uplink beamforming and downlink beamforming are not identical. We study downlink beamforming based on DoA (Direction of Arrival) information. The results of study show that switch-beam downlink beamforming has the advantages of low complexity at the cost of system performance, while selective downlink beamforming has better system performance but higher complexity. Circular arrays are suitable for switch-beam downlink beamforming, while linear arrays for selective downlink beamforming. If we adopt Chebyshev linear array in selective downlink beamforming model, the beamforming will be optimized. In addition, the complexity of system will be reduced greatly.
Uplink beamforming of smart antennas is also studied in this thesis. Firstly, we study the CMA beamforming in GSM systems. It is shown that CMA adaptive arrays can overcome the CCI (Co-Channel Interference) and the MI (Multipath Interference). A new initial method is suggested to control CMA to converge on desired signal. The results of simulation show that the new initial method can not only control......
摘要...................................................................……....…............... I
ABSTRACT....................................................………..................... II
第一章 緒論…………………………………........…........................ 1
1.1 移動通信發(fā)展概述……………….………...………………...…………………1
1.2 天線陣列在移動通信中的引入…………………………….…………………..2
1.3 天線陣列在移動通信中的研究進(jìn)展.…….……………………………………3
1.4 論文的主要工作.………………….……………………………………………5
本章參考文獻(xiàn)..………………………………………………………………………7
第二章 智能天線對GSM和CDMA移動通信系統(tǒng)容量的影響....……...9
2.1 引言………………………….............................................………………............9
2.2 智能天線對GSM系統(tǒng)容量的影響……………………….......………….....…..9
2.2.1 理論分析………………………………………………………………………9
2.2.2 計算結(jié)果和討論……………………………………………………………. 11
2.3 智能天線對CDMA系統(tǒng)容量的影響.........………………......................................11
2.3.1 理論分析…………………………………………….……………11
2.3.2 數(shù)值計算結(jié)果…………………………………………………………………15
2.4 小結(jié)……………………………………………………………………………16
本章參考文獻(xiàn)…………………………………..…………………………………17
第三章 基于天線陣列的移動通信系統(tǒng)下行波束設(shè)計...…………..... 18
3.1 引言……………………………………………………...….……...………......18
3.2 開關(guān)多波束下行波束形成………............................……………................…...18
3.2.1 理論模型……………………………………………………………………..18
3.2.2 仿真結(jié)果和討論…………………………………………………………..19
3.3 下行選擇性多波束形成…………………………....…………….......................22
3.3.1 理論模型……………………………………………………….……………22
3.3.2 仿真結(jié)果和討論……………………………………………………………..24
3.4 小結(jié)………………………………………...........……………………..............27
本章參考文獻(xiàn)…………………………………………………….……………….27
第四章 基于天線陣列的移動通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成…... 28
4.1 引言……………………………………………………………...……………..28
4.2 基于CMA天線陣列的移動通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成......………….....28
4.2.1 CMA陣列上行自適應(yīng)波束形成模型……………………………………….29
4.2.2 CMA自適應(yīng)陣列的抗多徑干擾能力………………….……………….……31
4.2.2.1 CMA自適應(yīng)陣列的靜態(tài)性能分析…………………………….………….32
4.2.2.2 CMA自適應(yīng)陣列抗多徑干擾能力的計算機(jī)仿真….……………….…….33
4.2.3 CMA自適應(yīng)陣列的抗共信道干擾能力…………………………….………36
4.2.3.1 理論分析CMA自適應(yīng)陣列的抗共信道干擾能力……….………….……36
4.2.3.2 CMA自適應(yīng)陣列抗共信道干擾能力的計算機(jī)仿真……………………..37
4.2.4 CMA陣列的初始化方法研究……………………………………………….38
4.2.4.1 新的CMA陣列初始化方法的提出……………………………….………..39
4.2.4.2 仿真研究………………………………………………..………………….39
4.2.5 小結(jié)………………………………………………………..…………………41
4.3 CMA自適應(yīng)陣列在CDMA通信系統(tǒng)的應(yīng)用.…………………..........................42
4.3.1 BPSK擴(kuò)頻通信原理簡介…………………..…………….……………………43
4.3.2 自適應(yīng)上行波束形成模型………………………………………………….44
4.3.3 窄帶濾波器的設(shè)計…………………………………………………………..46
4.3.4 系統(tǒng)性能分析………………………………………………………………..49
4.3.5 仿真結(jié)果……………………………………………………………………..50
4.3.6 小結(jié)……………………………………………………………………………52
4.4 基于參考信號的CDMA通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成……………………52
4.4.1 系統(tǒng)模型……………………………………………………………………..54
4.4.2 自適應(yīng)算法描述……………………………………………..………………57
4.4.3 系統(tǒng)性能分析………………………………………..………………………59
4.4.4 仿真結(jié)果……………………………………………………………………..60
4.4.5 小結(jié)…………………………………………………………………..64
本章參考文獻(xiàn)………………………………………………..……………………..65第五章 HSDPA中的MIMO天線陣列技術(shù).……..………..…………67
5.1 MIMO 技術(shù)概述………………........………………….......................................67
5.2 MIMO技術(shù)在HSDPA中的應(yīng)用……………………………………………….69
5.2.1 基于多碼復(fù)用（Code－Reuse）的MIMO技術(shù)………….…………………69
5.2.2 基于多碼復(fù)用的MIMO系統(tǒng)性能分析………………..……………………75
5.2.3 基于空時發(fā)射分集（Space-Time Transmit Diversity）的MIMO技術(shù)………80
5.2.4 基于STTD的MIMO系統(tǒng)性能分析………………………………………85
5.3 MIMO技術(shù)在TD—SCDMA HSDPA中的具體應(yīng)用…………………………91
本章參考文獻(xiàn)………………………………………………………..………………94
結(jié)束語..................................………........................……………...................... 96
致謝...........................……………….............................................................. 98
本章參考文獻(xiàn)
[1] Foschini G J and Gans M J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications, 1998,.6(3):311.
[2] Foschini G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas. Bell Labs. Tech. Journal, 1999, 1(2):41-59
8.8萬字 102頁
摘 要
天線陣列技術(shù)作為一種新的空間資源利用技術(shù)，使通信資源的利用不再局限于時域、頻域和碼域，而是拓展到了空間域。移動通信系統(tǒng)采用天線陣列技術(shù)，可以增加系統(tǒng)的容量，改善系統(tǒng)的通信質(zhì)量，增大系統(tǒng)的覆蓋范圍以及提供高數(shù)據(jù)率傳輸服務(wù)等。天線陣列技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用已越來越受到重視。
本文首先分析了GSM移動通信系統(tǒng)和CDMA移動通信系統(tǒng)采用智能天線來增加容量的機(jī)理，討論了這兩種體制下的系統(tǒng)采用智能天線來增加容量的不同效果，給出了這兩種系統(tǒng)采用智能天線來增加系統(tǒng)容量的計算實例。
對于頻分雙工（FDD）通信系統(tǒng)，由于上、下行信道的非對稱性，上行自適應(yīng)波束形成的加權(quán)矢量不能直接用于下行波束形成。本文研究了基于DOA下的下行波束形成。借鑒最大信號接收準(zhǔn)則下的上行波束形成，提出了最大信號發(fā)射準(zhǔn)則下的下行波束形成。針對下行選擇性多波束形成旁瓣電平大的缺點，給出了一種波束優(yōu)化方法。此外，我們對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的天線陣列在下行波束形成中的適用性和性能也進(jìn)行了研究。
本文對智能天線的上行自適應(yīng)波束形成進(jìn)行了研究。首先研究了CMA盲自適應(yīng)陣列的上行波束形成。針對CMA陣列的抗多徑能力與干擾信號的空間隔離度有關(guān)的缺點，提出了一種新的初始化方法來對恒模算法的捕獲行為進(jìn)行控制。其次分析了CDMA移動通信系統(tǒng)的特點，提出先對接收到的信號進(jìn)行解擴(kuò)，然后再用一窄帶濾波器來抑制多址干擾和多徑干擾，這樣就可以把恒模算法用于CDMA系統(tǒng)中，解決了CDMA系統(tǒng)由于實施功率控制不能直接使用CMA的問題。最后研究了基于參考信號的CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)上行波束形成。針對傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)自適應(yīng)波束形成，提出對信號解擴(kuò)后再進(jìn)行波束形成。這樣做的好處是放寬了計算加權(quán)矢量的時間要求，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時，它還解決了用導(dǎo)頻符號作參考信號時，得到的維納解不是業(yè)務(wù)信號最優(yōu)解的問題；解決了加權(quán)矢量對導(dǎo)頻信號功率敏感的問題。在該波束形成方法下，由于導(dǎo)頻信號占用系統(tǒng)資源而引起的系統(tǒng)容量下降以及兩種參考信號下的系統(tǒng)性能，本文也進(jìn)行了計算機(jī)仿真研究。
本文最后研究了MIMO技術(shù)在HSDPA中的應(yīng)用。針對HSDPA中的兩種MIMO技術(shù)，即多碼復(fù)用和空時發(fā)送分集技術(shù)，提出了相應(yīng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。對于多碼復(fù)用下的MIMO系統(tǒng)，給出了V－BLAST檢測器的兩種算法流程，并比較研究了這兩種算法下的系統(tǒng)性能。對于STTD下的MIMO系統(tǒng)，推導(dǎo)出了最佳解碼算法；詳細(xì)討論了系統(tǒng)的SNR性能；推導(dǎo)出了系統(tǒng)平均誤碼率表達(dá)式，并給出了數(shù)值計算結(jié)果。文章最后給出了MIMO技術(shù)在HSDPA中的一個應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：天線陣列，波束形成，GSM，CDMA，MIMO
ABSTRACT
Being the new techniques to mobile communications, antenna arrays can make the use of communication resources extended into space domain. Antenna arrays can provide mobile communication systems with larger capacity, improved service quality, increased coverage, and higher data rate transmission. This thesis explores techniques for application of antenna arrays to mobile communication systems.
The capacity of cellular mobile communication systems can be increased significantly with smart antennas. We investigate the principles of capacity increase with smart antennas for GSM systems and CDMA systems. We also study the effects of smart antennas on capacity increase of the two different systems. Some suggestions are given when smart antennas are used to increase capacity of the two systems.
For mobile communication systems with time division duplex (TDD), the uplink weights can be used for downlink when mobile units move slowly. In case of systems with frequency division duplex (FDD), uplink beamforming and downlink beamforming are not identical. We study downlink beamforming based on DoA (Direction of Arrival) information. The results of study show that switch-beam downlink beamforming has the advantages of low complexity at the cost of system performance, while selective downlink beamforming has better system performance but higher complexity. Circular arrays are suitable for switch-beam downlink beamforming, while linear arrays for selective downlink beamforming. If we adopt Chebyshev linear array in selective downlink beamforming model, the beamforming will be optimized. In addition, the complexity of system will be reduced greatly.
Uplink beamforming of smart antennas is also studied in this thesis. Firstly, we study the CMA beamforming in GSM systems. It is shown that CMA adaptive arrays can overcome the CCI (Co-Channel Interference) and the MI (Multipath Interference). A new initial method is suggested to control CMA to converge on desired signal. The results of simulation show that the new initial method can not only control......
摘要...................................................................……....…............... I
ABSTRACT....................................................………..................... II
第一章 緒論…………………………………........…........................ 1
1.1 移動通信發(fā)展概述……………….………...………………...…………………1
1.2 天線陣列在移動通信中的引入…………………………….…………………..2
1.3 天線陣列在移動通信中的研究進(jìn)展.…….……………………………………3
1.4 論文的主要工作.………………….……………………………………………5
本章參考文獻(xiàn)..………………………………………………………………………7
第二章 智能天線對GSM和CDMA移動通信系統(tǒng)容量的影響....……...9
2.1 引言………………………….............................................………………............9
2.2 智能天線對GSM系統(tǒng)容量的影響……………………….......………….....…..9
2.2.1 理論分析………………………………………………………………………9
2.2.2 計算結(jié)果和討論……………………………………………………………. 11
2.3 智能天線對CDMA系統(tǒng)容量的影響.........………………......................................11
2.3.1 理論分析…………………………………………….……………11
2.3.2 數(shù)值計算結(jié)果…………………………………………………………………15
2.4 小結(jié)……………………………………………………………………………16
本章參考文獻(xiàn)…………………………………..…………………………………17
第三章 基于天線陣列的移動通信系統(tǒng)下行波束設(shè)計...…………..... 18
3.1 引言……………………………………………………...….……...………......18
3.2 開關(guān)多波束下行波束形成………............................……………................…...18
3.2.1 理論模型……………………………………………………………………..18
3.2.2 仿真結(jié)果和討論…………………………………………………………..19
3.3 下行選擇性多波束形成…………………………....…………….......................22
3.3.1 理論模型……………………………………………………….……………22
3.3.2 仿真結(jié)果和討論……………………………………………………………..24
3.4 小結(jié)………………………………………...........……………………..............27
本章參考文獻(xiàn)…………………………………………………….……………….27
第四章 基于天線陣列的移動通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成…... 28
4.1 引言……………………………………………………………...……………..28
4.2 基于CMA天線陣列的移動通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成......………….....28
4.2.1 CMA陣列上行自適應(yīng)波束形成模型……………………………………….29
4.2.2 CMA自適應(yīng)陣列的抗多徑干擾能力………………….……………….……31
4.2.2.1 CMA自適應(yīng)陣列的靜態(tài)性能分析…………………………….………….32
4.2.2.2 CMA自適應(yīng)陣列抗多徑干擾能力的計算機(jī)仿真….……………….…….33
4.2.3 CMA自適應(yīng)陣列的抗共信道干擾能力…………………………….………36
4.2.3.1 理論分析CMA自適應(yīng)陣列的抗共信道干擾能力……….………….……36
4.2.3.2 CMA自適應(yīng)陣列抗共信道干擾能力的計算機(jī)仿真……………………..37
4.2.4 CMA陣列的初始化方法研究……………………………………………….38
4.2.4.1 新的CMA陣列初始化方法的提出……………………………….………..39
4.2.4.2 仿真研究………………………………………………..………………….39
4.2.5 小結(jié)………………………………………………………..…………………41
4.3 CMA自適應(yīng)陣列在CDMA通信系統(tǒng)的應(yīng)用.…………………..........................42
4.3.1 BPSK擴(kuò)頻通信原理簡介…………………..…………….……………………43
4.3.2 自適應(yīng)上行波束形成模型………………………………………………….44
4.3.3 窄帶濾波器的設(shè)計…………………………………………………………..46
4.3.4 系統(tǒng)性能分析………………………………………………………………..49
4.3.5 仿真結(jié)果……………………………………………………………………..50
4.3.6 小結(jié)……………………………………………………………………………52
4.4 基于參考信號的CDMA通信系統(tǒng)上行自適應(yīng)波束形成……………………52
4.4.1 系統(tǒng)模型……………………………………………………………………..54
4.4.2 自適應(yīng)算法描述……………………………………………..………………57
4.4.3 系統(tǒng)性能分析………………………………………..………………………59
4.4.4 仿真結(jié)果……………………………………………………………………..60
4.4.5 小結(jié)…………………………………………………………………..64
本章參考文獻(xiàn)………………………………………………..……………………..65第五章 HSDPA中的MIMO天線陣列技術(shù).……..………..…………67
5.1 MIMO 技術(shù)概述………………........………………….......................................67
5.2 MIMO技術(shù)在HSDPA中的應(yīng)用……………………………………………….69
5.2.1 基于多碼復(fù)用（Code－Reuse）的MIMO技術(shù)………….…………………69
5.2.2 基于多碼復(fù)用的MIMO系統(tǒng)性能分析………………..……………………75
5.2.3 基于空時發(fā)射分集（Space-Time Transmit Diversity）的MIMO技術(shù)………80
5.2.4 基于STTD的MIMO系統(tǒng)性能分析………………………………………85
5.3 MIMO技術(shù)在TD—SCDMA HSDPA中的具體應(yīng)用…………………………91
本章參考文獻(xiàn)………………………………………………………..………………94
結(jié)束語..................................………........................……………...................... 96
致謝...........................……………….............................................................. 98
本章參考文獻(xiàn)
[1] Foschini G J and Gans M J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications, 1998,.6(3):311.
[2] Foschini G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas. Bell Labs. Tech. Journal, 1999, 1(2):41-59
