智能天線系統(tǒng)時變多徑信道建模及DoA估計算法研究.pdf

1、智能天線作為未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當前通信領(lǐng)域的研究重點。智能天線系統(tǒng)通過天線陣列擴展了空間域，充分利用了空間擴展所提供的資源，能有效提高系統(tǒng)容量、提供更大帶寬和降低多徑效應的不利影響，然而這些優(yōu)點的實現(xiàn)以及智能天線系統(tǒng)下各種信號處理算法性能的優(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重點。波達方向(Direction of Arrival，DoA)估計

2、作為智能天線技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以用來實現(xiàn)空分多址、移動臺的精確定位、精確的進行下行波束賦形等。
　　 本論文主要工作集中在基于智能天線系統(tǒng)的時變多徑信道建模及相干多徑環(huán)境下（包括多用戶環(huán)境）智能天線系統(tǒng)DoA估計算法研究，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)學模型，簡要地分析了以Bartlett算法、Capon算法為代表的傳統(tǒng)DoA估計算法和現(xiàn)代高分辨算法——多重信號分類（MultipleSign

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

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

5、陣列有效孔徑，進而降低了解相干分辨率、減小了可估計相干信號源的個數(shù)。空間平滑中當所取子陣長度和陣元數(shù)相等時，即形成修正MUSIC算法，該算法不損失陣列孔徑，對相干信號有較好的分辨率，且計算量較小，但是由于只存在兩個子陣，因此只可實現(xiàn)兩個相干多徑的解相干。另外一種是時間平滑算法，該算法利用移動通信信號的衰落特性，在不同的時間段取多個衰落不相關(guān)的數(shù)據(jù)塊，且每個數(shù)據(jù)塊的持續(xù)時間大于信道相干時間，當時間平滑采樣塊的數(shù)量大于或等于多徑數(shù)目，通過對

6、處理各塊數(shù)據(jù)后得到的協(xié)方差矩陣進行平均就可以實現(xiàn)解相干。時間平滑算法不會造成陣列孔徑損失，是一種以時間為代價來換取陣列孔徑的減小的算法。最后針對傳統(tǒng)的Toeplitz矩陣重構(gòu)算法只能實現(xiàn)對實相干信號解相干的缺陷，研究了一種針對復相干信號的Toeplitz矩陣重構(gòu)算法，建立了一種Toeplitz矩陣構(gòu)造方式，計算機仿真表明該Toeplitz矩陣重構(gòu)算法可以有效地對復相干信號進行解相干處理，并且具有較好的魯棒性，與時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，通過研究這幾種算法運行所需的浮點數(shù)和執(zhí)行算法所需的時間來進行算法復雜度的對比。
　　 ④研究了時變多徑環(huán)境下的多用戶DoA估計算法，首先建立了多用戶信號模型，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，本文提出了利用四階累積量結(jié)合時間平滑技術(shù)進行多用戶DoA估計的算法。該算法突破了傳統(tǒng)DoA估計算法的局限，利用四階累積量求出多用戶的空間特征，進而實現(xiàn)多用戶分組，然后