现代移动通信论文剖析

西北师范大学计算机科学与工程学院现代移动通信课程设计报告设计题目：智能天线—线阵姓名：张记强学号：201271060137专业班级：2012级物联网工程系所中心：计算机科学与工程学院指导老师：贾向东起讫时间：2014年12月1日-12月20日设计地点：教9-C501实验室2014年12月20日1摘要随着移动通信技术的发展,与日俱增的移动用户数量和日趋丰富的移动增值服务,使无线通信的业务量迅速增加,无线电波有限的带宽远远满足不了通信业务需求的增长。另一方面,由于移动通信系统中的同频干扰和多址干扰的影响严重,更影响了无线电波带宽的利用率。并且无线环境的多变性和复杂性,使信号在无线传输过程中产生多径衰落和损耗。这些因素严重地限制了移动通信系统的容量和性能。因此为了适应通信技术的发展,迫切需要新技术的出现来解决这些问题。这样智能天线技术就应运而生。智能天线技术为解决频率资源不足、提高移动通信系统容量和系统服务质量提供了一个有效的解决途径。1998年我国电信科学研究院向国际电联提交的TD-SCDMARTT建议并于2000年确定为国际第三代移动通信主流标准之一,第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信实施方案。在TD-SCDMA中,智能天线作为关键技术,可以大大提高系统性能。由于智能天线本身的优越性,因此早在1990年就有智能天线在蜂窝移动通信中的应用研究,随着G3移动通信技术的成熟,目前,智能天线的商用化进程也加快。论文的研究工作是在MATLAB软件平台上实现的。首先介绍了智能天线技术的背景；其次介绍了智能天线的原理和相关概念,并分析了智能天线中的自适应算法。而论文主要研究了平面阵列的性能，并通过MATLAB仿真实现了智能天线圆阵排列。关键词：移动通信；智能天线；MATLAB；圆阵2目录第一章绪论1.1移动通信发展简介1.1.1通信从有线通信到无线通信的演进1.1.2无线接入方式的演变1.1.3从大区模拟通信到蜂窝数字通信1.2第三代移动通信1.3智能天线技术的由来1.3.1智能天线简介1.3.2传统解决方法的瓶颈1.3.3智能天线实现的实际考虑第二章智能天线简介2.1智能天线原理2.2智能天线的基本结构2.3智能天线的应用技术2.4智能天线的分类2.4.1自适应方向图智能天线2.4.2多波束切换天线2.5智能天线中的自适应算法2.6智能天线国内外应用及研究现状第三章基于MATLAB的智能天线线阵排列仿真3.1智能天线平面阵列仿真第四章总结3第一章绪论1.1移动通信发展简介1.1.1通信从有线通信到无线通信的演进从通信技术的出现到现在,通信网络的规模和用户也越来越壮大。通信业务也从仅仅是语音通信发展到了数据、视频通信。然而,要使用户最终享受通信网络和技术带来的便利和快捷,就必须让用户和通信网络方便连接。最先用户接入通信网络的方法是通过铜线等金属线来实现。但是,由于铜资源的稀少,成本高,而且同时所能提供的传输带宽远远满足不了广大用户的宽带应用要求。后来发展到用同轴电缆对用户进行通信网络接入。人们对通信的要求也越来越高,为了满足这这些要求,采用光纤作为用户的接入媒介,可以提供很宽的带宽,有很大的优越性,但其费用对于个人和商业用户来说非常昂贵,一般只用于主干传输线路。最重要的是由于通信线路的布局不能实现随时随地方便地接入。因此,无线通信方式逐渐发展,并可以提供移动灵活性和宽带接入要求,很快成为传统有线接入方式的替代品。1934年,人们就开始利用微波无线电系统传送电话横越英吉利海峡。1947年,美国贝尔研究所在纽约与波士顿之间建立了宽带模拟微波中继系统。70年代以后,数字微波通信系统开始投入使用。渐渐地,无线通信技术应用于个人通信领域并且产生了移动通信。1.1.2无线接入方式的演变模拟蜂窝系统的技术是采用频率复用实现网络的大范围覆盖，它在每个小区采用频分多址技术FDMA(FrequeneynivisionMultipleAecess),即对于在同一基站覆盖的范围内同时工作的多个移动台,基站是以工作频率来区分的,每一个移动台都使用不同的频率与基站通信。然而,电磁波的频率资源是有限的,随着移动用户与日俱增,最终将导致移动通信系统的容量不能满足现实发展的需要。为了扩大移动通信系统的容量,必须开拓新的接入方法。随着计算机技术大规模集成电路和数字信号处理技术的发展,移动通信技术也采用了数字技术。从此移动通信中出现了新的无线接入技术时分多址技术TDMA(五meoivisionMultipleAeeess)。将特定长度的时间段划分为多个时隙,每个移动台对应特定的时隙进行接收或发送信息,这样,在同一个频率点上,基站就可以根据不同时隙来区分同时工作的多个移动台。将FDMA和TDMA技术结合起来,就可以大大提高通信系统的通信容量。虽然TDMA技术的出现提高了通信系统的容量,但其容量上限受到硬件处理速度的限制。随着扩频通信技术的出现和发展,诞生了新的无线接入技术码分多址4CDMA(CodenivisionMultipleAeeess),多个移动台在同一个小区Cell中工作的时候,每一个移动台拥有唯一区别其他移动台的正交伪随机码,基站是通过码型区分移动台的,这样,在某一个特定频率点、某一个特定时隙点,可以有多个移动台同时有效工作于一个小区内。由于可以找到的准正交码的数目巨大,大大提高系统的容量。信系统的容量将更大。若将FDMA、TDMA、CDMA技术结合在一起,则可以移动通但在实际的CDMA系统中,所用的码型是相互准正交,故存在非完全正交带来的多址干扰。1.1.3从大区模拟通信到蜂窝数字通信通信技术的发展经历了从模拟到数字的一个过程。模拟通信系统就是所有传输和处理的信号及其信号处理手段都是模拟的。70年代,美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统AMPS并于1979年在芝加哥试运行,这是世界上第一个蜂窝模拟移动通信系统。进入阅年代,模拟蜂窝移动通信技术走向成熟并在全世界得到广泛应用。到90年代初,模拟蜂窝移动通信网占了全世界移动通信网的大多数,并使移动电话业务得到快速普及。模拟移动通信被称为第一代移动通信。早期的模拟移动通信系统是在大的覆盖区域中心设置大功率发射机,采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区(半径可达几十公里)；为该覆盖区域内的用户提供无线接入服务。这种系统的不足是它同时提供给用户使用的信道数有限,满足不了移动通信业务迅速增长的需求。例如,在70年代于美国纽约开通的IMTS(Im讲ovedMobile介lephonesevriee)系统,仅能同时提供12对信道供使用，如果出现第13对用户要求通话,只能出现忙音。随着以大规模集成电路为基础的数字信号处理技术的发展和应用,使人们抛开模拟技术而采取了数字技术。数字信号处理技术的应用,提高了信号的传输质量；扩大了通信系统的容量；同时采用数字加密技术,提高了传输信号的保密性。同时为了解决提高通信系统的容量这个问题,出现了蜂窝网覆盖的概念。蜂窝网是把原来的大覆盖区域划分成若干个较小的区域Cell(在蜂窝系统中称为小区),各小区均用小功率的基站发射机进行覆盖,并为该小区内的移动用户提供无线接入服务。这样,在保证通信质量的情况下,一个任意形状的大区域都可以用若干个Cell进行覆盖,使大区域里可以同时容纳的用户数大大提高。以至今还在使用的GSM和SI一95为代表的数字蜂窝通信系统称为第二代移动通信系统。为了通过移动通信能够提供无线工internet业务和多媒体业务,提高移动通信中数据的传输率,使之满足人们日益对带宽的需求,因而的第三代移动通5信己提上议事日程。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要提供带宽。TIU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中,必须满足以下三种,即()l快速移动环境,最高速率达144kbit/s；(2)室外到室内或步行环境,最高速率达到384kbit/s；(3)室内环境,最高速率达到ZMbit/S这样的速率已经能满足我们对无线工internet业务和多媒体业务要求了。目前,ITU将WCDMA、CDMA2000和TD一SCDMA确定为目前3G的三大主流无线接口标准。1.2第三代移动通信第三代移动通信是近20年来现代移动通信技术和实践的总结和发展。国际电联TU-R在20年前(1985年),就开始研究第三代移动通信的技术和标准。其目标是统一全球移动通信标准和频段,实现全球漫游,提高移动通信的频谱利用率及数据传输速率,满足多媒体业务的需求。1997年,确定了基本要求和征求无线传输技术(RTT)建议。至此,第三代移动通信进入了制定和完成国际标准的快车道,成为全球通信业技术和市场竞争的一个焦点。在信息产业部的大力支持下,大唐电信集团代表中国起草的第三代移动通信世界标准草案TD-SCDMA提交到ITU。这是中国自有电信史100多年以来,首次向IUT提交完整的全系统标准。ITU本次共征集到分别来自美、欧、中、日、韩等国家和地区的16种3GRTT(第三代移动通信无线传输技术)标准提案,其中6种是卫星移动的RTT标准提案,其余10种为地面移动的G3RTT标准提案。中国的TD一SCDMA是10种地面移动的3GRTT标准提案中的一员。在提案评审和筛选的过程中,国际电联根据对G3标准的要求,对10个地面移动的G3标准提案进行了长达两年的评估、仿真、融合、关键参数的确定工作,最终在2000年5月5日土耳其工TU-R全会上,通过了包括中国提案在内的几个无线传输的技术规范,它们分别是:CDMA2OO0(美国提出),WCDMA(欧、日提出),TD-SCDMA(大唐起草,中国提出)；其中,CDMAZ000与WCDMA是频分双工(FDD)模式,TD一SCDMA属于时分双工(TDD)模式,ITU-R分别为G3的这两种模式划分了独立的频段,自此DCMAZ000,WDCMA和TD一SCDMA成为目前G3的三大主流标准。目前,第三代移动通信系统的框架己确定,将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合,形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络,满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求,支6持话音、数据和多媒体业务,实现人类个人通信的理想。ITU对第三代陆地移动通清系玩剑基不要求是:在室内、手持机及移动三种环境下,支持话音和各种多媒体数据业务(速率达ZMb/S),实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。第三代移动通信网由核心网、无线接入网和用户终端构成。鉴于历史和现状,核心网主要是以第二代移动通信的两种网络为基础,从而形成了两套网络标准。1.3智能天线技术的由来1.3.1通信系统发展遇到的问题由于移动通信技术的发展,集成电路的规模和性能迅猛增加,计算机技术大发展,多媒体信息处理技术逐渐成熟。信息交流呈爆炸性增长和全球化趋势,多媒体信息流逐渐超过话音流。信息的无线传输是需要功率和带宽的,高速率的信息传输需要大的发射功率和足够的带宽。但在客观的应用环境中,遇到了诸多问题。第一、无线传输环境非常复杂,损耗、衰落、干扰使得无线传输的效率很低,为了保证好的信号传输质量,必须提高发射功率。第二、在建网初期,网络要求达到覆盖要求,但用户少,资金回收少,为了减少基站数目,节省开支,同时扩大覆盖距离,也必须提高发射功率。第三、对于传统的天线是全向性的,而真正能被期望用户有效利用的信号功率只是到达用户方向的一小部分；在其它方向辐射的功率是没有利用的,变成了浪费。同时这些在非期望用户方向上发射的电磁信号对其它用户和其它基站将带来干扰,这和第一个问题是矛盾的。第四、频率资源有限,直接从频率资源上能获得的系统容量有限,难以满足实际的需要。同时干扰也是一个限制系统容量的重要因素。1.3.2传统解决方法的瓶颈为了解决以上出现的问题。首先,可以提高射频信号的发射功率来保证无线信号传输的质量；在建网初期拥有较少用户的情况下,为了实现覆盖要求,也必须投入相应数目的基站,即使投入的资金远大于用户带来的收入。其次,要减少全向天线辐射带来的干扰,就必须使发射功率减小。另外,要提高系统的容量,提高频率资源的利用率,已经实现的方法是使