智能天線系統(tǒng)時(shí)變多徑信道建模及DoA估計(jì)算法研究.pdf

1、智能天線作為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)前通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。智能天線系統(tǒng)通過(guò)天線陣列擴(kuò)展了空間域，充分利用了空間擴(kuò)展所提供的資源，能有效提高系統(tǒng)容量、提供更大帶寬和降低多徑效應(yīng)的不利影響，然而這些優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)以及智能天線系統(tǒng)下各種信號(hào)處理算法性能的優(yōu)劣都和信道的特性密切相關(guān)，尤其是各個(gè)天線間的相關(guān)性。因此，在智能天線研究領(lǐng)域，其信道模型特征始終是人們研究的一個(gè)重點(diǎn)。波達(dá)方向(Direction of Arrival，DoA)估計(jì)

2、作為智能天線技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)空分多址、移動(dòng)臺(tái)的精確定位、精確的進(jìn)行下行波束賦形等。
　　 本論文主要工作集中在基于智能天線系統(tǒng)的時(shí)變多徑信道建模及相干多徑環(huán)境下（包括多用戶(hù)環(huán)境）智能天線系統(tǒng)DoA估計(jì)算法研究，具體內(nèi)容包括:
　　 ①介紹了智能天線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)要地分析了以Bartlett算法、Capon算法為代表的傳統(tǒng)DoA估計(jì)算法和現(xiàn)代高分辨算法——多重信號(hào)分類(lèi)（MultipleSign

3、al Classification，MUSIC）算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)DoA估計(jì)算法均為低分辨率算法，MUSIC算法盡管具有較高分辨率，但對(duì)相干信號(hào)源卻無(wú)能為力。
　　 ②基于3GPP/3GPP2 TR25.996協(xié)議，即空時(shí)信道模型（Spatial Channel Model，SCM），對(duì)智能天線系統(tǒng)的時(shí)變多徑信道進(jìn)行了分析和建模。首先從鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)對(duì)SCM模型參數(shù)及建模流程進(jìn)行介紹，然后分別進(jìn)行

4、鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真，得出了SCM信道的空、時(shí)、頻相關(guān)特性，及對(duì)應(yīng)的波數(shù)譜、多普勒功率譜、功率時(shí)延譜特性。最后研究了SCM信道衰落深度的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:SCM信道模型能反映智能天線系統(tǒng)空間信道的每次實(shí)現(xiàn)的變化特性，可用于鏈路級(jí)與系統(tǒng)級(jí)仿真。
　　 ③針對(duì)MUSIC算法不能解相干的缺點(diǎn)，首先分析并給出了窄帶相干信號(hào)模型，然后研究了幾種改進(jìn)的解相干DoA估計(jì)算法。一種是基于子陣平滑的空間平滑解相干，該算法雖然可實(shí)現(xiàn)解相干，但犧牲了

5、陣列有效孔徑，進(jìn)而降低了解相干分辨率、減小了可估計(jì)相干信號(hào)源的個(gè)數(shù)?？臻g平滑中當(dāng)所取子陣長(zhǎng)度和陣元數(shù)相等時(shí)，即形成修正MUSIC算法，該算法不損失陣列孔徑，對(duì)相干信號(hào)有較好的分辨率，且計(jì)算量較小，但是由于只存在兩個(gè)子陣，因此只可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相干多徑的解相干。另外一種是時(shí)間平滑算法，該算法利用移動(dòng)通信信號(hào)的衰落特性，在不同的時(shí)間段取多個(gè)衰落不相關(guān)的數(shù)據(jù)塊，且每個(gè)數(shù)據(jù)塊的持續(xù)時(shí)間大于信道相干時(shí)間，當(dāng)時(shí)間平滑采樣塊的數(shù)量大于或等于多徑數(shù)目，通過(guò)對(duì)

6、處理各塊數(shù)據(jù)后得到的協(xié)方差矩陣進(jìn)行平均就可以實(shí)現(xiàn)解相干。時(shí)間平滑算法不會(huì)造成陣列孔徑損失，是一種以時(shí)間為代價(jià)來(lái)?yè)Q取陣列孔徑的減小的算法。最后針對(duì)傳統(tǒng)的Toeplitz矩陣重構(gòu)算法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)相干信號(hào)解相干的缺陷，研究了一種針對(duì)復(fù)相干信號(hào)的Toeplitz矩陣重構(gòu)算法，建立了一種Toeplitz矩陣構(gòu)造方式，計(jì)算機(jī)仿真表明該Toeplitz矩陣重構(gòu)算法可以有效地對(duì)復(fù)相干信號(hào)進(jìn)行解相干處理，并且具有較好的魯棒性，與時(shí)間平滑算法相比有著較小的

7、均方根誤差，但是該算法存在陣列孔徑損失較大的缺陷。同時(shí)，通過(guò)研究這幾種算法運(yùn)行所需的浮點(diǎn)數(shù)和執(zhí)行算法所需的時(shí)間來(lái)進(jìn)行算法復(fù)雜度的對(duì)比。
　　 ④研究了時(shí)變多徑環(huán)境下的多用戶(hù)DoA估計(jì)算法，首先建立了多用戶(hù)信號(hào)模型，根據(jù)高階累積量有盲高斯性，可以抑制高斯色噪聲的特點(diǎn)，本文提出了利用四階累積量結(jié)合時(shí)間平滑技術(shù)進(jìn)行多用戶(hù)DoA估計(jì)的算法。該算法突破了傳統(tǒng)DoA估計(jì)算法的局限，利用四階累積量求出多用戶(hù)的空間特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)分組，然后