大规模智能天线系统中到达角估计技术的研究

论文总字数：25449字

摘 要

在无线通信技术快速发展的时代背景下，系统功能的优化迫在眉睫。但是现实中存在各种各样的电磁干扰在对通信进行着干扰，智能天线系统就是一个解决方案。智能天线系统的性能在一定程度上非常依赖于对于信号到达角(Direction of arrival,DOA)的估计精度，所以一个优质的到达角是十分必要的，本文主要针对到达角估计进行深入的研究。

本文主要研究了DOA估计算法的方法，针对DOA估计算法的发展状况、特点进行了matlab实验仿真，并分析他们各自的优缺点等，并在DOA估计的基础上进行了波束形成技术的研究。论文具体内容和编排如下：

第一章主要介绍了智能天线技术的发展背景和现状，阐述了智能天线技术的优点以及所面临的一些问题。

第二章介绍了智能天线算法方面的概念以及阵列信号的数学模型，为后文中介绍的DOA估计算法进行一个铺垫。

第三章对一维DOA估计算法进行了详细的介绍，主要针对一维的ESPRIT（Estimating signal parameters viarotational invariance techniques）和MUSIC(Multiple Signal Classification)算法进行仿真，并对他们的原理，性能以及优缺点进行分析。

第四章是本文的一个重点，文章在一维DOA估计算法的原理以及基础上，把ESPRIT和MUSIC算法推广到二维的情况下。在二维的情况下对DOA估计算法进行详细的介绍，在二维的条件下针对ESPRIT算法的方阵和MUSIC算法的圆阵进行matlab仿真，得到他们的仿真结果后，对他们的估计在不同噪声条件下进行误差率的比较，得出他们的误差曲线，改变相关参数，得出不同相关参数对结果的影响，以此来分析他们的各种特性和优缺点。

第五章是在二维DOA估计算法的基础上进行波束形成的研究，用得到的到达角代入导向矢量之中得到最佳权向量，并对权向量进行分析和研究。

第六章对以上所做的各项工作进行总结，并提出论文中现有的不足以及未来的研究方向。

关键词：智能天线；DOA；波束形成

Abstract

With the rapid development of wireless communicatiao technology, the requirements for the performance of the wireless communication system are gradually improved. There are many kinds of electromagnetic interference in wireless communication systems. Smart antenna system is a candidate solution to suppress interference. The performance of smart antenna system in a certain extent is dependent on the accuracy of the esimtated angle of arrival.Therefore, a good angle of arrival estimate is very necessary. This paper mainly researchs the esimation algorithms of the angle of arrival.

In this paper, we study the methods of direction of arrival (DOA) estimation algorithm, and matlab simulation results for DOA estimation algorithm are provided. This paper analyzes their advantages and disadvantages, respectively. Besides, the beam forming technology based on the estimated DOA is researched. The contents and the arrangement of the paper are as follows:

In the first chapter, the development background and current situation of smart antenna technology are introduced, and the advantages of smart antennaa technology and existing problems are described.

In the second chapter, the concept of the intelligent antenna algorithm and the mathematical model of array signal are introduced, and it is the basis for the DOA estimation algorithm introduced in the paper.

In the third chapter, the one-dimensional DOA estimation algorithm is studied, and the simulation of the one-dimensional MUSIC and ESPRIT algorithm is carried out,. The performance and the advantages and disadvantages of them are analyzed, respectively.

The fourth chapter is the mail work of this paper. . The ESPRIT and MUSIC algorithm employed in one-dimensional DOA estimation is extended to the two-dimensional case. The two-dimensional DOA estimation algorithms are described in detail The ESPRIT algorithm for the square and the MUSIC algorithm for circular array are analyzed in detail. Besides, simulation results are provided. The error rates under different conditions are analyzed. The fifth chapter studys the beamforming based on the estimated two-dimensional DOA. Steering vector is firstly derived according the estimated DOA, and the optimal weight vector is gotten according to a specific criteria.

The sixth chapter concludes the work that have been done in this paper

Key words: Smart antenna; DOA; Beamforming

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 论文背景 1

1.3国内外研究现状 2

1.4论文研究的内容 2

第二章 智能天线技术 3

2.1 智能天线的概况 3

2.2 智能天线的结构^[6] 3

2.3 智能天线的分类^[6] 6

2.4 小结 8

第三章 子空间分解类算法及其性能分析 9

3.1概述 9

3.2信号模型^[13] 9

3.3多重信号分类算法（MUSIC）^[13] 12

3.4旋转不变子空间算法（ESPRIT）^[13] 13

3.5计算机仿真实验分析 14

3.6本章小结 18

第四章 二维DOA估计算法的研究 19

4.1引言 19

4.2 均匀圆阵及其阵列流行下的MUSIC算法 19

4.3二维ESPRIT算法 20

4.4计算机仿真实验分析 23

4.4.1 二维MUSIC算法仿真实验 23

4.4.2 二维ESPRIT算法仿真实验 25

4.5 本章小结 27

第五章 自适应波束形成技术 28

5.1引言 28

5.2 自适应波束形成准则 28

5.2.1 最大信噪比准则（MSNR） 28

5.2.2 最小均方误差准则（MMSE） 29

5.2.3 线性约束最小方差准则（LCMV） 30

5.2.4 准则小结 30

5.3计算机仿真实验分析 30

5.4 本章小节 32

第六章 总结与展望 33

6.1 总结 33

6.2 进一步研究的方向 33

致谢 35

参考文献 36

‘

第一章 绪论

1.1 引言

通信的发展源远流长。很多被人们熟知的通信方式例如飞鸽传书已然成为经典。德国物理学家H.Hertz通过大量实验证明了世界上存在电磁波之后，意大利科学家G..Marconi在1987年第一次成功地完成了电磁波的信息传输[1] [2]。1901年2月，“无线电之父”马可尼实现了人类历史上第一次的跨大西洋无线电传送，为无线电应用技术的发展打开了一扇新的大门[3] [4] 。在新的纪元里，无线通信技术的发展保持着高歌猛进的势头，一路发展到今天。时至今日，无线通信技术已经充分融入到我们的生活当中，成为生活中难以割舍的一个重要组成部分。

在以后的无线通信发展中，各种各样的无线技术将踊跃而出，形成技术多样化、形式多样化、智能化、丰富多彩的无线通信世界。无线通信技术未来的发展方向主要是向集成化、智能化发展的，以后的无线通信将会非常快捷方便，将会更加和谐地融入我们的生活之中，改善我们的生活方式。

1.2 论文背景

第三代移动通信系统的研究已经步入正轨，在它愈发成熟的情况下，与第二代通信系统的互联和兼容问题是我们需要首先解决的，这样可以在不影响正常使用的情况下向新的技术时代进行过度。当前移动通信中主要存在以下的几个问题：一是日益增加的用户量所导致的频谱资源的不足；二是因为信道条件的影响，期望信号在传输过程中会经历各种衰减、衰落和时延扩展，还有其它用户信号对他进行的影响，这些都会对信号传输造成不好的干扰，从而打不到预期的传输质量。三是在网络建立的开始阶段投入比较有限，网络覆盖面不够。四是第二代数字蜂窝系统采用了时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）这两种多址方式；他们虽然有很不错的功效，但是也有不足，就是无法有效地利用空域资源[5] [6] 。

以上所述问题在移动通信技术发展中是主要矛盾，但是也是他们推动着移动通信技术的发展，面对这些问题，必须有针对性的发展技术去解决他们，提高服务质量。

在这种严峻的背景下，智能天线系统技术的研究已经是迫在眉睫了，他被引进了移动通信技术的研究中。根据各种研究和测量，信号以及他的延时样本和噪声都具有不同的到达角和空间信号结构，我们可以用这些不同的特征来得到信号自由度，这样不仅能提高系统的容量，还可以使信号的传输质量得到改善。智能天线技术使用了上述的这些信号特征，在扩充了系统容量的同时，还使通信质量得到了非常显著的改善。

智能天线在无线通信系统中的使用主要有以下几个好处：

1）提供了最佳增益的同时放大了接收信号；

2）控制天线零点来抑制传输中的干扰；

3）使得用户手机电池的使用时间变长了；

4）扩大系统容量；

5）运用空域信息来增加信道容量。

1.3国内外研究现状

智能天线系统的研究一开始主要是在军事领域，尤其是雷达领域，这样可以在复杂的电磁环境下进行识别和跟踪目标的任务；这以后，很多的专家发现了智能天线可以扩充信道容量且可以提高通信质量的优点，世界上各个国家的科研机构也都开始研究智能天线系统，这一现象为智能天线的发展打下了坚实的基础[7] [8]。

1.4论文研究的内容

本文主要研究了DOA估计算法的方法，针对DOA估计算法的发展状况、特点进行了matlab实验仿真，并分析他们各自的优缺点等，并在DOA估计的基础上进行了波束形成技术的研究。论文具体内容和编排如下：

第一章主要介绍了智能天线技术的发展背景和现状，阐述了智能天线技术的优点以及所面临的一些问题。

第二章介绍了智能天线算法方面的概念以及阵列信号的数学模型，为后文中介绍的DOA估计算法进行一个铺垫。

第三章对一维DOA估计算法进行了详细的介绍，主要针对一维的ESPRIT和MUSIC算法进行仿真，并对他们的原理，性能以及优缺点进行分析。

第四章是本文的一个重点，文章在一维DOA估计算法的原理以及基础上，把ESPRIT和MUSIC算法推广到二维的情况下。在二维的情况下对DOA估计算法进行详细的介绍，在二维的条件下针对ESPRIT算法的方阵和MUSIC算法的圆阵进行matlab仿真，得到他们的仿真结果后，对他们的估计在不同噪声条件下进行误差率的比较，得出他们的误差曲线，改变相关参数，得出不同相关参数对结果的影响，以此来分析他们的各种特性和优缺点。

第五章是在二维DOA估计算法的基础上进行波束形成的研究，用得到的到达角带入导向矢量之中得到最佳权向量，并对权向量进行分析和研究。

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