波束成形方法仿真分析(附件)【字数：14140】
摘 要摘 要随着现代移动通信的快速发展，人们已经越来越离不开移动通信。智能天线技术作为移动通信系统的关键技术之一也得到了快速的发展与改进，在移动通信系统中发挥着巨大的作用。 智能天线的核心技术之一是自适应波束形成算法，本文重点研究了自适应波束形成算法。首先介绍了智能天线的研究背景和研究现状，分析其优点，并简单阐述了本文的内容安排。其次简单介绍智能天线的基本结构、工作原理和分类，在此基础上分析了阵列信号模型，详细介绍了波束形成技术。然后，详细描述和推导了波束成形算法准则最小均方误差准则、最大似然准则、最大信干比准则、最小方差准则以及最小二乘准则，分析了各自的优缺点。最后，对几种经典自适应波束形成算法共轭梯度法、采样矩阵求逆算法、最小均方算法和递归最小二乘算法进行深入研究和仿真实验。由实验结果分析可知各个算法都能够在期望信号方向上产生主瓣，在干扰信号方向上产生零陷或旁瓣，达到了实验的预期目标，具有较好的算法收敛性能，可以满足实际应用的需求关键词: 智能天线；波束成形；LMS算法；RLS算法
目录
第一章绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 1
1.3 智能天线的优点 3
1.4本文主要内容和章节安排 4
第二章 智能天线基本介绍 5
2.1智能天线的基本结构及工作原理 5
2.1.1智能天线基本结构 5
2.1.2智能天线基本原理 5
2.2智能天线的分类 6
2.3智能天线的模型 8
2.3.1阵列假设 8
2.3.2信号假设 9
2.4 波束成形技术 10
第三章 自适应波束形成算法准则 14
3.1最小均方误差准则 14
3.2最大似然准则 14
3.3最大信干比准则 15
3.4 最小方差准则 16
3.5 最小二乘准则 17
第四章自适应波束成形算法 19
4.1共轭梯度法 19
4.1.1共轭梯度法的推导 19
4.1.2共轭梯度法的仿真 20
4.2 采样矩阵求逆算法 22
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4.2.1采样矩阵求逆算法的推导 22
4.2.2采样矩阵求逆算法的仿真 22
4.3最小均方算法 23
4.3.1最小均方算法的推导 24
4.3.2最小均方算法的仿真 26
4.4归一化最小均方算法 31
4.5递归最小二乘算法 32
4.5.1递归最小二乘算法的推导 33
4.5.2递归最小二乘算法仿真 33
结论 39
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1研究背景
当今的移动通信经过30多年的发展，成为了多网络、多制式、广范围、多用户的通信系统，它综合利用有线和无线的传输手段为人们提供一种快速便捷的通信手段。随着移动通信的发展，传统只能进行语音通话和低速数据传输的通信系统已经满足不了人们对服务质量越来越高的要求，因此可以实现全球漫游，具有更高传输速率的移动通信系统已经成为人们的研究热点。通过最新的通信系统，人们可以在千里之外面对面交流，可以网上购物、交易、办公等等，方便了人们的生活、学习、工作。
过去的通信技术对频域、时域、码域的资源已经充分利用，已经无法很好的扩充信道容量。智能天线就可以很好地解决这一问题，它是通过对数字信号进行时空联合处理，提高系统容量和信号传输质量，扩大覆盖范围，有效改善频谱利用率[1]。
智能天线技术是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的新兴天线技术。它的本质是利用阵列天线技术，根据各用户信号空间特征的差异选择某一接收准则自动调节各阵元的加权向量，达到最佳接收和发射，这样就可以在同一信道上接收和发送多个用户的信号而不用担心它们相互干扰,具有抗多址干扰和扩容能力。
智能天线的自适应天线阵系统由连接着自适应处理器的天线阵元组成，其所产生的天线方向图由某些准则的算法决定。这些准则可使系统信干比最大、方差最小或均方误差最小。其主要实现方式是将波束主瓣调向到期望信号方向、让干扰信号产生零陷或旁瓣，改善干扰信号、电子对抗、杂波回收、混响回波或者多径干扰和衰落的影响，达到提高系统信干噪比的目的。目前，这些算法采用数字信号处理技术更易实现，因此该过程常称为数字波束成形。
1.2研究现状
智能天线波束成形源自于军事上所采用的阵列天线，按波束成形方式的不同可划分为模拟波束成形和数字波束成形。自1959年由VanAtta提出自适应天线阵列的概念以来已经历了40余年发展，大体上可分为4个阶段：前10年集中在自适应波束的控制；第二个10年主要集中在自适应零陷控制；第三个10年则主要集中在空间谱估计上；近10年来则主要集中在结合移动通信的智能天线实现技术上[2]。
智能天线目前主要研究的是在基站端的智能天线的收与发，即上行收和下行发。智能天线的下行发射有两大难题，一是智能天线在设计发波束时很难准确获知下行链路的特征信息[3]，而理想的天线工作模式应是与信道相匹配的。另一难题是由于加权是在天线前端实现的，后级的滤波器、D/A转换器、混频器、天线阵元特性变化必然使形成的发波束发生变化，而它又不可能或很不容易用常用的反馈方法来调整加权系数来抵消这种变化[4]。而上行收技术相对成熟，主要分为全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。
智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大作用，但智能天线应用于CDMA系统时也带来了相应的新的问题，如：智能天线的校准，智能天线和其他抗干扰技术的结合，波束赋形的速度问题，设备复杂性的考虑，共享下行信道及不连续发射，帧结构及有关物理层技术等。目前，国际上已经将智能天线技术视作为一种三代以后移动通信技术发展的主要方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代及未来移动通信系统中不可缺少的关键技术。
在欧洲通信委员会的RACE(Research in Advanced Communication in Europe)计划中，德国、英国、丹麦和西班牙合作完成了第一阶段的智能天线技术研究[5]。美国ArrayComm公司研制出应用于无线本地环路智能天线系统[6]。日本的ATR光通信研究所提出了一种基于智能天线的软件天线概念，研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线；加拿大的Mc Master大学开发出来采用恒模算法4元阵天线。
我国在1998年由国家邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TDSCDMA建议和现在成为第三代移动通信标准之一的TDSCDMA技术，就是第一次提出的以智能天线为核心技术的CDMA通信系统，在国内外获得广泛的认可支持，并以此制定了标准。北京信威公司已成功研发出运用于WLLTDD方式时分双工方式的TSCDMA产品，采用八阵元环形自适应阵列，接收机灵敏度可达9dB，但该系统仍存在只能在本地环路下工作，对用户位置、移动速率有较高要求的缺点[7]。
目录
第一章绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 1
1.3 智能天线的优点 3
1.4本文主要内容和章节安排 4
第二章 智能天线基本介绍 5
2.1智能天线的基本结构及工作原理 5
2.1.1智能天线基本结构 5
2.1.2智能天线基本原理 5
2.2智能天线的分类 6
2.3智能天线的模型 8
2.3.1阵列假设 8
2.3.2信号假设 9
2.4 波束成形技术 10
第三章 自适应波束形成算法准则 14
3.1最小均方误差准则 14
3.2最大似然准则 14
3.3最大信干比准则 15
3.4 最小方差准则 16
3.5 最小二乘准则 17
第四章自适应波束成形算法 19
4.1共轭梯度法 19
4.1.1共轭梯度法的推导 19
4.1.2共轭梯度法的仿真 20
4.2 采样矩阵求逆算法 22
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4.2.1采样矩阵求逆算法的推导 22
4.2.2采样矩阵求逆算法的仿真 22
4.3最小均方算法 23
4.3.1最小均方算法的推导 24
4.3.2最小均方算法的仿真 26
4.4归一化最小均方算法 31
4.5递归最小二乘算法 32
4.5.1递归最小二乘算法的推导 33
4.5.2递归最小二乘算法仿真 33
结论 39
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1研究背景
当今的移动通信经过30多年的发展，成为了多网络、多制式、广范围、多用户的通信系统，它综合利用有线和无线的传输手段为人们提供一种快速便捷的通信手段。随着移动通信的发展，传统只能进行语音通话和低速数据传输的通信系统已经满足不了人们对服务质量越来越高的要求，因此可以实现全球漫游，具有更高传输速率的移动通信系统已经成为人们的研究热点。通过最新的通信系统，人们可以在千里之外面对面交流，可以网上购物、交易、办公等等，方便了人们的生活、学习、工作。
过去的通信技术对频域、时域、码域的资源已经充分利用，已经无法很好的扩充信道容量。智能天线就可以很好地解决这一问题，它是通过对数字信号进行时空联合处理，提高系统容量和信号传输质量，扩大覆盖范围，有效改善频谱利用率[1]。
智能天线技术是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的新兴天线技术。它的本质是利用阵列天线技术，根据各用户信号空间特征的差异选择某一接收准则自动调节各阵元的加权向量，达到最佳接收和发射，这样就可以在同一信道上接收和发送多个用户的信号而不用担心它们相互干扰,具有抗多址干扰和扩容能力。
智能天线的自适应天线阵系统由连接着自适应处理器的天线阵元组成，其所产生的天线方向图由某些准则的算法决定。这些准则可使系统信干比最大、方差最小或均方误差最小。其主要实现方式是将波束主瓣调向到期望信号方向、让干扰信号产生零陷或旁瓣，改善干扰信号、电子对抗、杂波回收、混响回波或者多径干扰和衰落的影响，达到提高系统信干噪比的目的。目前，这些算法采用数字信号处理技术更易实现，因此该过程常称为数字波束成形。
1.2研究现状
智能天线波束成形源自于军事上所采用的阵列天线，按波束成形方式的不同可划分为模拟波束成形和数字波束成形。自1959年由VanAtta提出自适应天线阵列的概念以来已经历了40余年发展，大体上可分为4个阶段：前10年集中在自适应波束的控制；第二个10年主要集中在自适应零陷控制；第三个10年则主要集中在空间谱估计上；近10年来则主要集中在结合移动通信的智能天线实现技术上[2]。
智能天线目前主要研究的是在基站端的智能天线的收与发，即上行收和下行发。智能天线的下行发射有两大难题，一是智能天线在设计发波束时很难准确获知下行链路的特征信息[3]，而理想的天线工作模式应是与信道相匹配的。另一难题是由于加权是在天线前端实现的，后级的滤波器、D/A转换器、混频器、天线阵元特性变化必然使形成的发波束发生变化，而它又不可能或很不容易用常用的反馈方法来调整加权系数来抵消这种变化[4]。而上行收技术相对成熟，主要分为全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。
智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大作用，但智能天线应用于CDMA系统时也带来了相应的新的问题，如：智能天线的校准，智能天线和其他抗干扰技术的结合，波束赋形的速度问题，设备复杂性的考虑，共享下行信道及不连续发射，帧结构及有关物理层技术等。目前，国际上已经将智能天线技术视作为一种三代以后移动通信技术发展的主要方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代及未来移动通信系统中不可缺少的关键技术。
在欧洲通信委员会的RACE(Research in Advanced Communication in Europe)计划中，德国、英国、丹麦和西班牙合作完成了第一阶段的智能天线技术研究[5]。美国ArrayComm公司研制出应用于无线本地环路智能天线系统[6]。日本的ATR光通信研究所提出了一种基于智能天线的软件天线概念，研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线；加拿大的Mc Master大学开发出来采用恒模算法4元阵天线。
我国在1998年由国家邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TDSCDMA建议和现在成为第三代移动通信标准之一的TDSCDMA技术，就是第一次提出的以智能天线为核心技术的CDMA通信系统，在国内外获得广泛的认可支持，并以此制定了标准。北京信威公司已成功研发出运用于WLLTDD方式时分双工方式的TSCDMA产品，采用八阵元环形自适应阵列，接收机灵敏度可达9dB，但该系统仍存在只能在本地环路下工作，对用户位置、移动速率有较高要求的缺点[7]。
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