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重庆大学硕士学位论文移动通信系统空时频多参数联合检测技术研究姓名：张侃申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：冯文江20060501中文摘要-I-摘要随着现代社会信息的激增，以个人移动通信为代表的新一代通信方式，正显现出强劲的发展势头，不久的将来，有限的空间无线频率资源与不断增长的个人无线通信需求的矛盾将更加激化，同时由于信道环境复杂，移动通信信号在本质上是多径传播，所以需要采用各种信号增强技术，以提高系统的接收性能。采用自适应天线系统能根据信号的来波方向调整方向图，跟踪期望信号，减少或抵消干扰信号，从而区分信号和干扰，提高信干噪比。在移动通信系统中，采用自适应阵列天线可以提高频谱利用率、增加系统容量、扩大基站覆盖范围、减小电磁污染，明显改善系统的通信质量。基于自适应阵列天线的空分多址（SDMA）技术，是传统频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的一种多址倍增技术，已经成为第三代移动通信研究的热点之一。在给定阵列天线各阵元的采样数据后，自适应阵列天线信号处理的问题一般可以归结到三个方面：信号源数目的确定、信号的参数估计（波达方向，传输时延，多普勒频移）和数字波束形成（DBF:DigitalBeamforming）。这几个方面不是相互独立的，而是相互关联的。本人在查阅大量国内外相关科技文献资料的基础上，针对自适应阵列天线技术中的移动信号参数估计和数字波束形成技术做了以下几个方面的研究：1．分析了移动通信环境下的信道，特别是信道的选择性衰落进行了全面的分析，并介绍了衰落信道的各种动态特性，以说明信道衰落对通信信号的主要影响。2.总结了传统的DOA算法，特别对基于子空间的MUSIC方法的DOA估计性能进行了分析和仿真研究，并将其与传统的DOA估计方法进行了对比研究。3.提出了基于CDMA信号的联合估计算法，该算法在基于特征结构的子空间方法上，实现对波达方向角、多径传输时延和多普勒频移等参数的联合检测和估计，且算法复杂度低，在不需要训练序列的情况下，有着较高的分辨率。4.在深入研究基于特征空间（ESB:Eigenspace-based）波束形成算法和自适应波束形成算法性能的基础上，提出了存在指向误差的低旁辩自适应波束形成算法。该算法不仅能减小指向误差对系统的影响，同时还能降低旁辩，对期望信号方向针对性更强，提高系统的信干噪比。关键词：移动通信信道，自适应阵列天线，波达方向，传输时延，多普勒频移，数字波束形成ABSTRACT-II-ABSTRACTWiththemushroomingofinformationinmodernsocietytoday,thenewgenerationcommnicationtechnologyespeciallypersonalmobilecommunicationisadvancingwithdrivingmomentum.Itcanbeprognosticatedthattheconflictbetweenthelimitedfrequencyresourceandthedemandforincreacingpersonalcommunicationswillbecomeacuter.Becauseofthecomplexchannelenvironment,thepropagationofthewaveofthemobilecommunicationsystemisessentiallyakindofpropagationviamulti-path,sothesignalenhancementtechniquesarenecessary,AdaptiveArrayAntennas(AAA)canadjustitsbeampatternsbasedonthearrivaldirectionofsignal,trackingtheanticipantsignal,decreasingorcounteractingtheinterferencesandimprovingtheSIR(SignaltoInterferenceRatio).Theintroductionofadaptivearrayantennasinthemobilecommunicationsystemwilldeveloptheusingoffrequencyspectrum,enlargethecapabilityofthesystem,expandtheradiationofthebasestation,reducetheelectromagneticpollutionandimprovethecommunicationqualityofthesystemobviously.TheSDMA(SpatialDividedMulti-Area)basedonAAAcanenhancetheconventionalmulti-areatechniques,e.g,TDMA,FDMA&CDMA,sothespectrumefficiencycanbeimprovedandthecapacitanceofthecommunicationssystemcanbeincreased.AdaptivearrayantennashavebecomeoneofthespotlightsoftheThirdGenerationmobilecommunication.Giventhesampleddataofeachelement,thesignalprocessingofAAAconsistsofthreeparts:thedeterminationofsourcenumber,theDOA(DirectionofArrival)multi-userdetectionandDBF(DigitalBeamforming).Theyarenotindependent,butassociatedwithoneanother.Havingreadalotoftransactionsintheareaofinterest,theauthoraimsatthesubjectonDOAandDBFinAAAtechnologiesandmakeseffortstostudytheproblemsbelow:1.Theauthoranalyzedthechannelofmobilecommunicationsystemespeciallyselectivefadingwasfullyanalyzed,andintroducethedynamiccharacteristicofselectivefadingchannelwhichimpactthecommunicationsignal.2.TheconventionalDOAmethodsaresummarized.TheDOAestimationperformanceofMUSICalgorithminthescenarioofcorrelatedsignalsanduncorrelatedsignalsarestudied.ThentheperformancesofMUSICandthatoftheconventionalABSTRACT-III-methodsarecompared,withthesimulationresultsgiven.3.BasedonCDMAsignal,anovelSpace-TimeapproachisproposedtoestimationtheDOA,timedelay,andtheDopplershiftfrequency.Becauseutilizespecialsignalmodelaboutspace-time-frequencyofmobilecommunications.Theproposedalgorithmhassimplerstructureandhighqualityofdivision.Thesimulationresultsshowthefeasibilityandeffectivenessofthemethod.4.ESB(Eigenspace-based)beamformingalgorithmandadaptivebeamformingalgorithmareintroducedandannewlowsidelobeadapativebeamformingalgorithmbasedonthelinearlyconstrainminimumvariancebeamformerisproposed.Becausemakinguseofwaveformcreatefunction,itwasshownthatbothsidelobelevelsandmainbeamshapecanbewellcontrolledandislesssensitivetopointingerrors,enhancetheSINRofarraysystem.Keywords:MobileCommunicationChannel,AdaptiveArrayAntennas,DOA,TimeDelay,DopplerFrequencyShift,DigitalBeamforing1绪论-1-1绪论1.1移动通信发展和现状1.1.1移动通信发展史[1]移动通信的发展，可以追溯到本世纪20年代，仅有不到100年的时间。从早期简单的点对点移动通信到今天复杂的蜂窝通信，移动通信的发展总史遵循着这样的规律：社会的需求促进技术的发展，而技术的发展又反过来促进社会新的需求。移动通信发展过程中的里程碑如下：1921年，美国底特律警察局做了一个2MHz的移动通信系统实验，从此开始了车载无线电通信。1942年，美国摩托罗拉公司设计并制造出便携式调频无线电话机，成为第二次世界大战欧洲最重要的通信工具。1946年，FCC(美国联邦通信委员会)开始规划蜂窝电话业务。1959年，摩托罗拉公司采用了一条自动无线电话设备线。1962年，摩托罗拉公司设计并制造了第一套美国全国改进的移动电话系统IMTS.1979年，摩托罗拉公司将一千门移动电话投入芝加哥蜂窝系统中运行。1982年，欧洲邮电主管部门会议设立了移动通信特别小组，开始了第二代蜂窝移动通信系统的研究。1985年，国际电信联盟(ITU)提出了第三代移动通信系统，即未来陆地移动通信系统（FPLMTS）1991年，GSM数字全球移动通信系统开始商用。1992年，美国Qualcomm公司推出码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统，这是一种具有高频谱利用率和抗干扰能力的通信系统。1997年和1998年是第三代移动通信技术开发、标准制定最活跃的时期，集中表现在候选RTT的提交和评估工作上。影响较大的有W-CDMA和CDMA2000。1999年，在芬兰赫尔辛基举行的ITU-RTG8/1会议上已通过了第三代移动通信系统无线接口技术规范IMT.RSPC，这标志着IMT-2000的研究开发进入了高潮。2001年，日本NTT的DoCoMo公司推出了第三代移动通信业务。目前第三代移动通信已成为移动通信领域的研究热点，由于移动通信在信息时代的重要地位，发达国家的政府及电信制造商和运营商均积极参与标准制订和研发工作，并提出了多种无线传输技术方案，以期待占据竟争的有利位置。1绪论-2-1.1.2移动通信的发展[2]随着现代社会信息的激增，全球通信业务的迅速发展，使得以个人移动通信为代表的新一代通信方式，正显现出强劲的发展势头，可以预测在不久的将来，有限的空间无线频谱资源与不断增长的个人无线通信需求的矛盾将激化。为了有效的利用无线频谱资源，人们已经开始信道扩容新技术，并取得了一定成果，现有的信道扩容方案主要有：频分多址（FDMA）,时分多址（TDMA）,码分多址（CDMA）等多种方案，由于CDMA系统固有的较强的抗干扰性能，较好的保密性和较高的