【正文】 了在環(huán)境變化時波束自適應(yīng)控制能力和反應(yīng)速度，以及實現(xiàn)算法所需硬件的復(fù)雜性。 使用時域濾波器需要處理時域孔徑上采集的數(shù)據(jù)；類似地，使用空域濾波器則需要處理空域孔徑上采集的數(shù)據(jù)。隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強；自適應(yīng)波束形成就是自適應(yīng)濾波技術(shù)用于陣列信號處理發(fā)展而來的，又可稱為自適應(yīng)空域濾波。同時降低干擾信號的強度，從而提高陣列輸出的信干噪比。其目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶用戶信號的最佳組合或者分配。對于一個完整的智能天線系統(tǒng)， 要進行理論方面的探索主要有五方面的內(nèi)容：來波方向（DOA）估計、波束形成的優(yōu)化準(zhǔn)則、數(shù)字波束形成（DBF）、上行鏈路及下行鏈路相關(guān)技術(shù)研究。波束成形能有效地抑制共道干擾。 在無線通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾乎所有先進的無線通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù)?？梢赃@樣說，不等間距陣列是以犧牲增益和旁瓣的代價來換取窄波束和低成本的。 平面陣是指組成陣列的所有單元都位于同一個平面上的天線陣列。由于基本輻射單元的方向圖與 φ 的變化無關(guān)，即在 θ 確定的面內(nèi)，各個方向的輻射強度均相同，這與雷達和移動通信等希望輻射能量集中在一個或幾個很小的立體角范圍內(nèi)是不相符的，我們可以將基本輻射單元以各種形式（如直線、平面等）在空間排列組合形成天線陣，從而滿足工程應(yīng)用得要求。此外，我們演示了這種迭代算法怎樣分別使用向量和矩陣加權(quán)技術(shù)來設(shè)計稀疏接受天線陣列。摘要摘要在主動遙感應(yīng)用中，MIMO系統(tǒng)通過波形多樣化，使其相比較于相控陣方法，在發(fā)射波束設(shè)計中有更大的靈活度。我們提出一種設(shè)計MIMO發(fā)射陣列的循環(huán)算法，用來逼近我們需要的發(fā)射波束。描述天線的基本電參數(shù)有輸入阻抗、輻射電阻、增益、效率、方向圖、方向性系數(shù)、極化方式和波瓣寬度等。直線陣分為均勻直線陣和非均勻直線陣：均勻直線陣是指相鄰天線單元之間的距離相等，相鄰單元的激勵幅值相同、相位差恒定，也就是說各個單元是按相等步進相位規(guī)律激勵的線陣；非均勻直線陣是指相鄰天線單元之間距離不相等，激勵幅度和相位分布也沒有特定規(guī)律的線陣。此外，對于等間距陣列，抑制旁瓣電平和抑制主瓣展寬不可能同時達到很好的效果，而不等間距陣列在這方面具有較好的特性，而且不等間距陣列可以在較寬的頻帶范圍之內(nèi)保持良好的工作性能，同時還可以節(jié)省大量的陣元，降低陣列的制造成本，但是不等間距陣的旁瓣，尤其是遠角旁2 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究瓣比滿陣高，而且增益相對于滿陣也比較低。不等間距陣列設(shè)計的最佳一般是切比雪夫意義上的最佳，其指標(biāo)通常有兩種：峰值旁瓣電平 PSLL 以及旁瓣電平的均值 ASLL。而波束成形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對準(zhǔn)期望用戶以提高信噪比。 由于增加了一維空間域， 基站陣列天線與移動用戶之間的信道不僅具有傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)響應(yīng)， 還隨著空間路徑的變化而變化，因此是一種廣義的時空信道。 波束形成運用信號處理技術(shù)將形成的波束用于接收特定方向的信號或發(fā)射特定方向的信號，同時衰減其它方向的信號。波束形成技術(shù)的主要目的是使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，并使其零陷對準(zhǔn)干擾方向，盡可能地提高陣列輸出所需信號的強度。 固定波束形成一般是在射頻端進行波束形成的；預(yù)多波束切換方式利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。但多數(shù)情況下，期望信號和干擾信號來自空間位置不同的信號源，利用此特性，在接收機端使用空域濾波器即可將它們分離開。波束形成算法：波束形成網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的選擇對多波束天線自適應(yīng)干擾調(diào)零起著決定性的作用，波束形成算法是其中的關(guān)鍵。顧名思義，最小均方誤差準(zhǔn)則就是使估計誤差的均方值最小化。 雖然這三種準(zhǔn)則在原理上是完全不同的，但事實上，它們的聯(lián)系非常緊密，通過適當(dāng)推導(dǎo)，采用這三種準(zhǔn)則的最佳權(quán)值都服從“維納解”（Wiener Solution）。c）最小二乘算法、遞推最小二乘（RLS）算法。g）基于特征空間分解的算法。相對而言，盡管從上世紀(jì)六十年代初已開始對非均勻間隔陣列進行了研究，但是非均勻陣列的綜合[3]（給定陣元數(shù)和陣列響應(yīng)，確定陣元位置和激勵分布）第一章 緒論 5問題，一是未解決的很好的難題。由于第二種途徑使優(yōu)化布陣具有更大的自由度，相同陣元數(shù)和陣列孔徑條件下可獲得更優(yōu)的 PSLL，近年來受到相當(dāng)?shù)闹匾?。相比較之下，發(fā)射不同的可能是正交波形的MIMO系統(tǒng)，可以用來演示一個單處理間隔的擴張角域。用部分相干波形的波束設(shè)計在[12][14]中已經(jīng)進行了深入的討論。在接收端，稀疏矩陣或者稀布矩陣設(shè)計在過去59年間已經(jīng)成為了豐富文學(xué)的主要內(nèi)容。隨著高速運算的產(chǎn)生，許多先前的作者試圖用級數(shù)展開式來模擬空間接受波束，級數(shù)展開式僅僅能逼近所需的功能。此外，迭代最優(yōu)化算法在[24][27]中有所呈現(xiàn)。因為非凸設(shè)計的限制（特別是一個系統(tǒng)中天線的數(shù)量有數(shù)量限制），僅僅在局部，而不是在全部，最佳的稀疏矩陣設(shè)計方法已經(jīng)被證明是存在的。在第二章中，我們將用稀疏天線陣列來呈現(xiàn)發(fā)射波束設(shè)計的循環(huán)算法，然后用相似的方法，來通過稀疏陣列分別的提供矩陣和向量接受波束成形。此外，表示矩陣的法布尼斯范運算和向量的范運算。 MIMO發(fā)射波束設(shè)計在這章中，我們模擬MIMO發(fā)射波束設(shè)計的問題。角掃描范圍為，接著我們把一系列方向向量組成一個方向矩陣 （3）我們讓表示發(fā)射信號脈沖，表示發(fā)射脈沖的協(xié)防差矩陣 （4） 表示求期望運算。我們用表示稀疏矩陣的角度的方向向量。在我們的每一個例子中，我們將假設(shè)一個ULA，它的天線間距為，波形正交（所以它的),這個ULA用來初試這個算法。矩陣Z式一個包含用戶確定的高度的對角線矩陣，用第二章 波束設(shè)計理論介紹 15表示。式（12）相似于（11），我們要說的是可以使（12）變小的任何W和U的值都會使（11）中的最優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)變小，反之亦然。選擇一個的矩陣V，使，V是一個列滿秩矩陣。下面我們來重新放置天線來更好的模擬一個理想的發(fā)射波束。重新放置第m個天線，就意味著式（12）中A的第m行也隨之改變來反映天線的位置（傳輸方向向量可以反映天線的選定位置）。為了不使用更多的間距，我們用更密集的候選位置來獲取更大的設(shè)計靈活性。第二章 波束設(shè)計理論介紹 17 矩陣方法MIMO接收波束設(shè)計，我們也可以考慮把我們的循環(huán)稀疏陣列設(shè)計方法用于MIMO接收波束成形。 問題模型 考慮接收天線陣列的設(shè)計來反映遠場的圖像。然后我們定義矩陣為 （20） 用這種方式，接收波形可以表示為 （21）為了獲取稀疏陣列，我們限制波束成形設(shè)計的天線個數(shù)。式（23）的接收波束設(shè)計問題相似于（9）中的發(fā)射問題。 向量方法的接收波束設(shè)計傳統(tǒng)的接收波束成形的稀疏陣列設(shè)計方法采用向量權(quán)重方法。用式（25）中的結(jié)論，用向量權(quán)重合成的不熟可以表示為 （26）第二章 波束設(shè)計理論介紹 19備注：，（對協(xié)防差矩陣R沒有秩的約束）。 稀疏陣列設(shè)計1） 通過循環(huán)算法確定權(quán)重：式（23）中的波束匹配問題，現(xiàn)在對于向量權(quán)重問題來說，可以被重新表述為 （27）因為理想的波束代表一組功率，我們可以取而代之考慮以下的相似的最優(yōu)化問題： （28）這里 （29）式中，為附屬變量。這個算法可以總結(jié)為以下幾步。第三步。假設(shè)剩下的個天線已經(jīng)被固定，我們考慮把第m個天線放置在任何一個剩下的可選擇的位置上（同樣包括天線現(xiàn)在所在的位置）。最終，我們循環(huán)的執(zhí)行這些步驟只到達到收斂標(biāo)準(zhǔn)，這樣在這個循環(huán)中沒有天線再被移動。第三章 計算機仿真 17第三章 計算機仿真在這章中，我們提供幾個數(shù)值例子來證明前幾章中描述的稀疏發(fā)射波束設(shè)計方法和稀疏接收波束設(shè)計方法的性能。然后，我們把發(fā)射的能量聚集在預(yù)設(shè)的目標(biāo)位置。當(dāng)然，不同的稀疏陣列和不同的波束可以通過調(diào)整（33）中的權(quán)重參量來獲得。在個候選天線位置中，有個天線在設(shè)計方法中被采用。重新使用我們的稀疏陣列設(shè)計（同樣的，候選天線位置是200個，位置間距為）。我們用各種各樣的形狀來標(biāo)出陣列天線的位置，矩形用來表示的ULA的天線位置，圓形用來表示的稀疏陣列的天線位置，叉形用來表示的ULA的天線位置，菱形用來表示的稀疏陣列的天線位置（在剩下的例子中我們都采用相似的代表符號）。另外，很大程度上取決于總孔徑長度的3dB帶寬，由更長的稀疏陣列產(chǎn)生的3dB帶寬比ULA更小。 接收波束設(shè)計實例接下來，我們將考慮用稀疏陣列進行的接收波束的問題。對于剩下的每一次仿真，我們都讓。用這個凱士提出的稀疏算法，天線被陸續(xù)的放入陣列中，在給出一系列候選位置的前提下。想在第一章中提到的一樣，[27]中描述的方法從一個滿陣列結(jié)構(gòu)開始。但是，加斯科陣列的波束的3dB帶寬是是四種方法中最大的一個。通過比較，我們試圖證明更密集的候選天線位置能提高天線性能。圖8 天線位置（）31 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究表3 不同值的接收波束的各項性能比較我們將再次采用式（35）中提供的理想接收波束和式(36)中定義的波束權(quán)重。在這個例子中，算法在兩次循環(huán)后收斂。我們在圖8中展示了每個例子的天線選擇的位置。因此，給出最小天線間距和總的孔徑長度的固定約束標(biāo)準(zhǔn)，我們可以總結(jié)出一個更稠密的候選天線位置的陣列允許更高的自由度和更好的匹配性能（更低的）。第四章 結(jié)論 32第四章 結(jié)論通過天線陣列的空間逐漸稀疏，我們可以獲得MIMO發(fā)射和接收波束成形設(shè)計的更大的自由度。我們的的稀疏接收波束成形方法被證明比[25][27]中提出的迭代設(shè)計。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。給出一個矩陣W，我們將尋求提供一個閉合形式的更新給U。為了滿足式（A3）中的約束條件。然后 （B3）因此，式（B1）中的最優(yōu)化問題等價于 （B4） 解決式（B4）要使Y服從 （B5） 把（B5）帶入（B4），最優(yōu)化問題可以簡化為 （B6） 這里， （B7） （B8） （B9）46 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究（是矩陣包含的子空間的正交投影）。如果，列向量屬于由矩陣的列跨越的子空間。2） 計算 （B15）附錄B 47 （B16）這里是在式（B11）中被定義的。把當(dāng)做另一個矩陣，使，是列滿秩。然后可以輕松給出為 （B18）再次忽略約束，這個矩陣相當(dāng)于式（B1）的最優(yōu)化問題的最小平方解