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智能天线及hsdpa中的mimo的研究,智能天线及hsdpa中的mimo的研究8.8万字102页摘要天线阵列技术作为一种新的空间资源利用技术，使通信资源的利用不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。移动通信系统采用天线阵列技术，可以增加系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。天线阵列技术在移动通信中的应用已越来越...
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内容介绍
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智能天线及HSDPA中的MIMO的研究
8.8万字 102页
摘 要
天线阵列技术作为一种新的空间资源利用技术，使通信资源的利用不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。移动通信系统采用天线阵列技术，可以增加系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。天线阵列技术在移动通信中的应用已越来越受到重视。
本文首先分析了GSM移动通信系统和CDMA移动通信系统采用智能天线来增加容量的机理，讨论了这两种体制下的系统采用智能天线来增加容量的不同效果，给出了这两种系统采用智能天线来增加系统容量的计算实例。
对于频分双工（FDD）通信系统，由于上、下行信道的非对称性，上行自适应波束形成的加权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。借鉴最大信号接收准则下的上行波束形成，提出了最大信号发射准则下的下行波束形成。针对下行选择性多波束形成旁瓣电平大的缺点，给出了一种波束优化方法。此外，我们对不同拓扑结构的天线阵列在下行波束形成中的适用性和性能也进行了研究。
本文对智能天线的上行自适应波束形成进行了研究。首先研究了CMA盲自适应阵列的上行波束形成。针对CMA阵列的抗多径能力与干扰信号的空间隔离度有关的缺点，提出了一种新的初始化方法来对恒模算法的捕获行为进行控制。其次分析了CDMA移动通信系统的特点，提出先对接收到的信号进行解扩，然后再用一窄带滤波器来抑制多址干扰和多径干扰，这样就可以把恒模算法用于CDMA系统中，解决了CDMA系统由于实施功率控制不能直接使用CMA的问题。最后研究了基于参考信号的CDMA系统自适应上行波束形成。针对传统的CDMA系统自适应波束形成，提出对信号解扩后再进行波束形成。这样做的好处是放宽了计算加权矢量的时间要求，降低了系统的复杂度。同时，它还解决了用导频符号作参考信号时，得到的维纳解不是业务信号最优解的问题；解决了加权矢量对导频信号功率敏感的问题。在该波束形成方法下，由于导频信号占用系统资源而引起的系统容量下降以及两种参考信号下的系统性能，本文也进行了计算机仿真研究。
本文最后研究了MIMO技术在HSDPA中的应用。针对HSDPA中的两种MIMO技术，即多码复用和空时发送分集技术，提出了相应的接收机结构。对于多码复用下的MIMO系统，给出了V－BLAST检测器的两种算法流程，并比较研究了这两种算法下的系统性能。对于STTD下的MIMO系统，推导出了最佳解码算法；详细讨论了系统的SNR性能；推导出了系统平均误码率表达式，并给出了数值计算结果。文章最后给出了MIMO技术在HSDPA中的一个应用实例。
关键词：天线阵列，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 绪论…………………………………........…........................ 1
1.1 移动通信发展概述……………….………...………………...…………………1
1.2 天线阵列在移动通信中的引入…………………………….…………………..2
1.3 天线阵列在移动通信中的研究进展.…….……………………………………3
1.4 论文的主要工作.………………….……………………………………………5
本章参考文献..………………………………………………………………………7
第二章 智能天线对GSM和CDMA移动通信系统容量的影响....……...9
2.1 引言………………………….............................................………………............9
2.2 智能天线对GSM系统容量的影响……………………….......………….....…..9
2.2.1 理论分析………………………………………………………………………9
2.2.2 计算结果和讨论……………………………………………………………. 11
2.3 智能天线对CDMA系统容量的影响.........………………......................................11
2.3.1 理论分析…………………………………………….……………11
2.3.2 数值计算结果…………………………………………………………………15
2.4 小结……………………………………………………………………………16
本章参考文献…………………………………..…………………………………17
第三章 基于天线阵列的移动通信系统下行波束设计...…………..... 18
3.1 引言……………………………………………………...….……...………......18
3.2 开关多波束下行波束形成………............................……………................…...18
3.2.1 理论模型……………………………………………………………………..18
3.2.2 仿真结果和讨论…………………………………………………………..19
3.3 下行选择性多波束形成…………………………....…………….......................22
3.3.1 理论模型……………………………………………………….……………22
3.3.2 仿真结果和讨论……………………………………………………………..24
3.4 小结………………………………………...........……………………..............27
本章参考文献…………………………………………………….……………….27
第四章 基于天线阵列的移动通信系统上行自适应波束形成…... 28
4.1 引言……………………………………………………………...……………..28
4.2 基于CMA天线阵列的移动通信系统上行自适应波束形成......………….....28
4.2.1 CMA阵列上行自适应波束形成模型……………………………………….29
4.2.2 CMA自适应阵列的抗多径干扰能力………………….……………….……31
4.2.2.1 CMA自适应阵列的静态性能分析…………………………….………….32
4.2.2.2 CMA自适应阵列抗多径干扰能力的计算机仿真….……………….…….33
4.2.3 CMA自适应阵列的抗共信道干扰能力…………………………….………36
4.2.3.1 理论分析CMA自适应阵列的抗共信道干扰能力……….………….……36
4.2.3.2 CMA自适应阵列抗共信道干扰能力的计算机仿真……………………..37
4.2.4 CMA阵列的初始化方法研究……………………………………………….38
4.2.4.1 新的CMA阵列初始化方法的提出……………………………….………..39
4.2.4.2 仿真研究………………………………………………..………………….39
4.2.5 小结………………………………………………………..…………………41
4.3 CMA自适应阵列在CDMA通信系统的应用.…………………..........................42
4.3.1 BPSK扩频通信原理简介…………………..…………….……………………43
4.3.2 自适应上行波束形成模型………………………………………………….44
4.3.3 窄带滤波器的设计…………………………………………………………..46
4.3.4 系统性能分析………………………………………………………………..49
4.3.5 仿真结果……………………………………………………………………..50
4.3.6 小结……………………………………………………………………………52
4.4 基于参考信号的CDMA通信系统上行自适应波束形成……………………52
4.4.1 系统模型……………………………………………………………………..54
4.4.2 自适应算法描述……………………………………………..………………57
4.4.3 系统性能分析………………………………………..………………………59
4.4.4 仿真结果……………………………………………………………………..60
4.4.5 小结…………………………………………………………………..64
本章参考文献………………………………………………..……………………..65第五章 HSDPA中的MIMO天线阵列技术.……..………..…………67
5.1 MIMO 技术概述………………........………………….......................................67
5.2 MIMO技术在HSDPA中的应用……………………………………………….69
5.2.1 基于多码复用（Code－Reuse）的MIMO技术………….…………………69
5.2.2 基于多码复用的MIMO系统性能分析………………..……………………75
5.2.3 基于空时发射分集（Space-Time Transmit Diversity）的MIMO技术………80
5.2.4 基于STTD的MIMO系统性能分析………………………………………85
5.3 MIMO技术在TD—SCDMA HSDPA中的具体应用…………………………91
本章参考文献………………………………………………………..………………94
结束语..................................………........................……………...................... 96
致谢...........................……………….............................................................. 98
本章参考文献
[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
8.8万字 102页
摘 要
天线阵列技术作为一种新的空间资源利用技术，使通信资源的利用不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。移动通信系统采用天线阵列技术，可以增加系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。天线阵列技术在移动通信中的应用已越来越受到重视。
本文首先分析了GSM移动通信系统和CDMA移动通信系统采用智能天线来增加容量的机理，讨论了这两种体制下的系统采用智能天线来增加容量的不同效果，给出了这两种系统采用智能天线来增加系统容量的计算实例。
对于频分双工（FDD）通信系统，由于上、下行信道的非对称性，上行自适应波束形成的加权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。借鉴最大信号接收准则下的上行波束形成，提出了最大信号发射准则下的下行波束形成。针对下行选择性多波束形成旁瓣电平大的缺点，给出了一种波束优化方法。此外，我们对不同拓扑结构的天线阵列在下行波束形成中的适用性和性能也进行了研究。
本文对智能天线的上行自适应波束形成进行了研究。首先研究了CMA盲自适应阵列的上行波束形成。针对CMA阵列的抗多径能力与干扰信号的空间隔离度有关的缺点，提出了一种新的初始化方法来对恒模算法的捕获行为进行控制。其次分析了CDMA移动通信系统的特点，提出先对接收到的信号进行解扩，然后再用一窄带滤波器来抑制多址干扰和多径干扰，这样就可以把恒模算法用于CDMA系统中，解决了CDMA系统由于实施功率控制不能直接使用CMA的问题。最后研究了基于参考信号的CDMA系统自适应上行波束形成。针对传统的CDMA系统自适应波束形成，提出对信号解扩后再进行波束形成。这样做的好处是放宽了计算加权矢量的时间要求，降低了系统的复杂度。同时，它还解决了用导频符号作参考信号时，得到的维纳解不是业务信号最优解的问题；解决了加权矢量对导频信号功率敏感的问题。在该波束形成方法下，由于导频信号占用系统资源而引起的系统容量下降以及两种参考信号下的系统性能，本文也进行了计算机仿真研究。
本文最后研究了MIMO技术在HSDPA中的应用。针对HSDPA中的两种MIMO技术，即多码复用和空时发送分集技术，提出了相应的接收机结构。对于多码复用下的MIMO系统，给出了V－BLAST检测器的两种算法流程，并比较研究了这两种算法下的系统性能。对于STTD下的MIMO系统，推导出了最佳解码算法；详细讨论了系统的SNR性能；推导出了系统平均误码率表达式，并给出了数值计算结果。文章最后给出了MIMO技术在HSDPA中的一个应用实例。
关键词：天线阵列，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 绪论…………………………………........…........................ 1
1.1 移动通信发展概述……………….………...………………...…………………1
1.2 天线阵列在移动通信中的引入…………………………….…………………..2
1.3 天线阵列在移动通信中的研究进展.…….……………………………………3
1.4 论文的主要工作.………………….……………………………………………5
本章参考文献..………………………………………………………………………7
第二章 智能天线对GSM和CDMA移动通信系统容量的影响....……...9
2.1 引言………………………….............................................………………............9
2.2 智能天线对GSM系统容量的影响……………………….......………….....…..9
2.2.1 理论分析………………………………………………………………………9
2.2.2 计算结果和讨论……………………………………………………………. 11
2.3 智能天线对CDMA系统容量的影响.........………………......................................11
2.3.1 理论分析…………………………………………….……………11
2.3.2 数值计算结果…………………………………………………………………15
2.4 小结……………………………………………………………………………16
本章参考文献…………………………………..…………………………………17
第三章 基于天线阵列的移动通信系统下行波束设计...…………..... 18
3.1 引言……………………………………………………...….……...………......18
3.2 开关多波束下行波束形成………............................……………................…...18
3.2.1 理论模型……………………………………………………………………..18
3.2.2 仿真结果和讨论…………………………………………………………..19
3.3 下行选择性多波束形成…………………………....…………….......................22
3.3.1 理论模型……………………………………………………….……………22
3.3.2 仿真结果和讨论……………………………………………………………..24
3.4 小结………………………………………...........……………………..............27
本章参考文献…………………………………………………….……………….27
第四章 基于天线阵列的移动通信系统上行自适应波束形成…... 28
4.1 引言……………………………………………………………...……………..28
4.2 基于CMA天线阵列的移动通信系统上行自适应波束形成......………….....28
4.2.1 CMA阵列上行自适应波束形成模型……………………………………….29
4.2.2 CMA自适应阵列的抗多径干扰能力………………….……………….……31
4.2.2.1 CMA自适应阵列的静态性能分析…………………………….………….32
4.2.2.2 CMA自适应阵列抗多径干扰能力的计算机仿真….……………….…….33
4.2.3 CMA自适应阵列的抗共信道干扰能力…………………………….………36
4.2.3.1 理论分析CMA自适应阵列的抗共信道干扰能力……….………….……36
4.2.3.2 CMA自适应阵列抗共信道干扰能力的计算机仿真……………………..37
4.2.4 CMA阵列的初始化方法研究……………………………………………….38
4.2.4.1 新的CMA阵列初始化方法的提出……………………………….………..39
4.2.4.2 仿真研究………………………………………………..………………….39
4.2.5 小结………………………………………………………..…………………41
4.3 CMA自适应阵列在CDMA通信系统的应用.…………………..........................42
4.3.1 BPSK扩频通信原理简介…………………..…………….……………………43
4.3.2 自适应上行波束形成模型………………………………………………….44
4.3.3 窄带滤波器的设计…………………………………………………………..46
4.3.4 系统性能分析………………………………………………………………..49
4.3.5 仿真结果……………………………………………………………………..50
4.3.6 小结……………………………………………………………………………52
4.4 基于参考信号的CDMA通信系统上行自适应波束形成……………………52
4.4.1 系统模型……………………………………………………………………..54
4.4.2 自适应算法描述……………………………………………..………………57
4.4.3 系统性能分析………………………………………..………………………59
4.4.4 仿真结果……………………………………………………………………..60
4.4.5 小结…………………………………………………………………..64
本章参考文献………………………………………………..……………………..65第五章 HSDPA中的MIMO天线阵列技术.……..………..…………67
5.1 MIMO 技术概述………………........………………….......................................67
5.2 MIMO技术在HSDPA中的应用……………………………………………….69
5.2.1 基于多码复用（Code－Reuse）的MIMO技术………….…………………69
5.2.2 基于多码复用的MIMO系统性能分析………………..……………………75
5.2.3 基于空时发射分集（Space-Time Transmit Diversity）的MIMO技术………80
5.2.4 基于STTD的MIMO系统性能分析………………………………………85
5.3 MIMO技术在TD—SCDMA HSDPA中的具体应用…………………………91
本章参考文献………………………………………………………..………………94
结束语..................................………........................……………...................... 96
致谢...........................……………….............................................................. 98
本章参考文献
[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
