多用户MIMO系统中波束成形的优化研究多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术能够充分挖掘空间资源来实现空间分集和空间复用,有效提高频谱利用率。波束成形是多用户MIMO系统实现空分多址的主要技术,能有效地抑制小区间的干扰和用户间的干扰,是当前无线通信物理层技术的研究热点之一。
本文以多用户MIMO系统中波束成形技术为主要研究点,重点对多小区多播系统、协作多播系统和干扰信道的波束成形技术展开了深入的研究。主要工作可概括为以下几个方面:1)针对发送端有理想信道状态信息(Channel State Information,CSI)和非理想CSI这两种情况下的多小区多播系统,研究了加权总速率最大化问题,分别提出了相应的波束成形算法。
当发送端有理想的CSI情况时,每个基站功率约束下加权总速率最大化问题是非确定性多项式难题(Non-deterministic Polynomial-hard,NP-hard),难以直接求解。我们提出了一种低复杂度的迭代算法求解这一问题。
在每次迭代中,原优化问题通过连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)表示成二阶锥规划(Second Order Cone Programming,SOCP)问题。当发送端仅有非理想CSI情况时,中断概率约束下加权总速率最大化波束成形问题也是非凸的。
此问题的困难就在如何处理中断约束。我们采用Bernstein类型不等式和半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)方法将原问题近似表示成一个交替优化问题,固定一组变量,关于另外一组变量是凸问题。
数值结果验证了上述两种情况下的算法有效性。2)针对协作多播系统,研究了多播速率最大化问题,提出了一种波束成形和中继选择联合优化算法。
在两阶段协作多播系统中,为了使得多播传输速率更高,研究波束成形、中继选择、时间分配因子和第一阶段成功解码用户集合联合优化问题。此问题相当复杂,即使第一阶段成功解码用户集合和中继已确定的情况下,此问题还是非凸的。
我们采取的思路是,先确定第一阶段成功解码用户集合,再进行中继选择,然后优化剩余变量。数值结果显示,相比于传统的多播方案,本文提出的方案仅以较少的代价(中继功率消耗)获得较大的性能提升。
3)针对发送端仅知道信道统计信息下干扰信道,研究了中断概率约束下加权总速率最大化问题,提出了一种性能和复杂度折中的波束成形算法。在K用户多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)干扰信道中,中断概率约束下最大加权总速率问题是NP-hard,很难获得最优解。
我们提出了一种新的次优的迭代算法来求解它。在每次迭代中,通过引入松弛变量和使用SCA方法,将原优化问题近似成一个SOCP问题。
数值结果显示,提出的算法收敛很快,而且性能和复杂度都优于现有的算法在仿真中。
第四章智能天线自适应波束成形算法简介 4.1 引言 智能天线技术作为一种新的空间资源利用技术，自20世纪90年代初由一些学者提出后，近年来在无线通信领域受到了人们的广泛关注。它是在微波技术、自动控制理论、数字信号处理(DSP)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线技术从实质上讲是利用不同信号在空间上的差异，对信号进行空间上的处理。与FDMA,TDMA及CDMA相对应，智能天线技术可以认为是一种空分多址SDMA技术，它使通信资源不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下，根据用户信号在空域上的差异来区分不同的用户。智能天线技术与其它通信技术有机相结合，可以增加移动通信系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。 4.2 智能天线技术及其优点 智能天线，即具有一定程度智能性的自适应天线阵，自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下，自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小，使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰，增强系统有用信号的检测能力，优化天线方向图，并能有效地跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声，即使在干扰和信号同频率的情况下，也能成功地抑制干扰。如果天线的阵元数增加，还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源。实际干扰抑制的效果，一般可达25--30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户，同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声，使系统处于最佳的工作状态。 智能天线利用空域自适应滤波原理，依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来，它主要包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰；二是对基站发送信号进行数字波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。在普遍采用扩频技术的CDMA系统中，采用智能天线的优势主要体现在以下几个方面： 1) 提高了基站接收机的灵敏度 基站接收到的信号，是来自各天线单元和收信机接收到的信号之和，如果采
传统的通信系统中，基站天线通常是全向天线，此时，基站在向某一个用户发射或接收信号时，不仅会造成发射功率的浪费，还会对处于其他方位的用户产生干扰。 然而，虽然阵列天线的方向图是全向的，但是通过一定技术对阵列的输出进行适当的加权后，可以使阵列天线对特定的一个或多个空间目标产生方向性波束，即“波束成形”，且波束的方向性可控。波束成形技术可以使发射和接收信号的波束指向所需要用户，提高频谱利用率，降低干扰。 传统的波束成形算法通常是根据用户信号波达方向（DOA）的估计值构造阵列天线的加权向量，且用户信号DOA在一定时间内不发生改变。然而，在移动通信系统中，用户的空间位置是时变的，此时，波束成形权向量需要根据用户当前位置进行实时更新。自适应波束成形算法可以满足上述要求。 本毕业设计将对阵列信号处理中的波束成形技术进行研究，重点研究自适应波束成形技术。要求理解掌握波束成形的基本原理，掌握几种典型的自适应波束成形算法，熟练使用MATLAB仿真软件，并使用MA TLAB仿真软件对所研究的算法进行仿真和分析，评估算法性能。 （一）波束成形： 波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。 波束成形技术属于阵列信号处理的主要问题：使阵列方向图的主瓣指向所需的方向。 在阵列信号处理的范畴内，波束形成就是从传感器阵列重构源信号。虽然阵列天线的方向图是全方向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上，相当于形成了一个“波束”。 波束形成技术的基本思想是：通过将各阵元输出进行加权求和，在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出波达方向估计。 “导向”作用是通过调整加权系数完成的。对于不同的权向量，上式对来自不同方向的电波便有不同的响应，从而形成不同方向的空间波束。
启拓专业手拉手会议，矩阵切换厂商-全球抗干扰专家 麦克风波束成形的基本原理 麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。多个麦克风可以配置成阵列，形成定向响应或波束场型。经过设计，波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置，包括宽边求和阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。 阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。 空气中声波的频率与波长的关系 方向性和极坐标图 方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。ADI 公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。无论麦克风的收音孔位于
x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。 全向麦克风响应图 本应用笔记中，阵列的“前方”称为轴上方向，指拾取目标音频的方向，在极坐标图上标为0°；“后方”为180°方向；“侧边”指前后方之间的空间，中心方向分别位于90°和270°。本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。 涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式：c = f ×λ，其中c为343 m/s，即声音在20℃的空气中的传播速度。图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。本应用笔记末尾的“设计参数计算公式”列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。 宽边阵列 宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直(见图3)。图中，d是阵列中两个麦克风元件的间距。来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。
无线物理层安全通信中的波束成形技术研究物理层安全技术利用无线信道特征来实现安全通信,有效克服了传统安全技术依赖于窃听者有限能力的缺陷。随着多天线系统的快速发展和应用,基于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)波束成形的物理层安全传输技术能够充分利用空间自由度来开发合法信道和窃听信道的差异性,同时满足了无线通信的可靠性和安全性需求,因而成为当前无线通信领域的研究热点。 其中,保密容量之外的安全目标下的低复杂度波束成形算法、适用于不同误差模型下鲁棒性更强的波束成形算法以及有限反馈波束成形算法的保密性能分析等成为了物理层安全研究中的关键和难点问题。本文围绕这些问题在合法信道和窃听信道不同信道状态信息(Channel State Information,CSI)情况下进行了研究。 本文首先从理想CSI情况下的波束成形设计出发,针对多用户多天线高斯窃听信道(Multi-antenna Gaussian Multi-Receiver Wiretap Channel,MG-MRWC)模型中保密容量难以计算和用户间干扰(Inter-User Interference,IUI)导致信号交叉的问题,研究了保密和速率最大化和信干噪比 (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)平衡两个问题,提出了以迫零(Zero Forcing,ZF)和信漏噪比(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,SLNR)为基本准则的波束成形算法。为了验证SLNR准则度量保密性能的有效性,以多输入单输出多天线窃听(Multiple-Input Single-Output Multi-antenna Eavesdropper,MISOME)系统为例,本文从信号泄漏的角度定量分析了不同天线数目情况下SLNR波束成形算法的保密性能。 在此基础上,针对MG-MRWC模型的最大化保密和速率问题,本文提出了第I
多用户MIMO系统中波束成形的优化研究多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术能够充分挖掘空间资源来实现空间分集和空间复用,有效提高频谱利用率。波束成形是多用户MIMO系统实现空分多址的主要技术,能有效地抑制小区间的干扰和用户间的干扰,是当前无线通信物理层技术的研究热点之一。 本文以多用户MIMO系统中波束成形技术为主要研究点,重点对多小区多播系统、协作多播系统和干扰信道的波束成形技术展开了深入的研究。主要工作可概括为以下几个方面:1)针对发送端有理想信道状态信息(Channel State Information,CSI)和非理想CSI这两种情况下的多小区多播系统,研究了加权总速率最大化问题,分别提出了相应的波束成形算法。 当发送端有理想的CSI情况时,每个基站功率约束下加权总速率最大化问题是非确定性多项式难题(Non-deterministic Polynomial-hard,NP-hard),难以直接求解。我们提出了一种低复杂度的迭代算法求解这一问题。 在每次迭代中,原优化问题通过连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)表示成二阶锥规划(Second Order Cone Programming,SOCP)问题。当发送端仅有非理想CSI情况时,中断概率约束下加权总速率最大化波束成形问题也是非凸的。 此问题的困难就在如何处理中断约束。我们采用Bernstein类型不等式和半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)方法将原问题近似表示成一个交替优化问题,固定一组变量,关于另外一组变量是凸问题。 数值结果验证了上述两种情况下的算法有效性。2)针对协作多播系统,研究了多播速率最大化问题,提出了一种波束成形和中继选择联合优化算法。
麦克风波束成形的基本原理 2012/04/06 简介 所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，也就是能够均等地响应来自四面八方的声音。多个麦克风可以配置成阵列，形成定向响应或波束场型。经过设计，波束成形麦克风阵列可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。 麦克风波束成形是一个丰富而复杂的课题。本应用笔记仅讨论基本概念和阵列配置，包括宽边求和阵列和差分端射阵列，内容涵盖设计考虑、空间和频率响应以及差分阵列配置的优缺点。 图1:空气中声波的频率与波长的关系 方向性和极坐标图 方向性描述麦克风或阵列的输出电平随消声空间中声源位置的改变而变化的模式。ADI公司的所有MEMS麦克风都是全向麦克风，即它们对来自所有方向的声音都同样敏感，与麦克风所处的方位无关。图2所示为全向麦克风响应的2轴极坐标图。无论麦克风的收音孔位于x-y平面、x-z平面还是y-z平面，此图看起来都相同。 图2:全向麦克风响应图本应用笔记中，阵列的"前方"称为轴上方向，指拾取目标音频的方向，在极坐标图上标为0°；"后方"为180°方向；"侧边"指前后方之间的空间，中心方向分别位于90°和270°。本应用笔记中的所有极坐标图均归一化到0°响应水平。 涉及声音频率和波长的所有公式都使用以下关系式：c = f × λ，其中c为343 m/s,即声音在20℃的空气中的传播速度。图1显示了这些条件下声波的频率与波长的关系。本应用笔记末尾的"设计参数计算公式"列出了本文所用阵列设计参数的计算公式。 宽边阵列 宽边麦克风阵列是指一系列麦克风的排列方向与要拾取的声波方向垂直（见图3）。图中，d是阵列中两个麦克风元件的间距。来自阵列宽边的声音通常就是要拾取的声音。
传统的通信系统中，基站大线通常是全向天线，此时，基站在向某一个用户发射或接收 信号时，不仅会造成发射功率的浪费，还会对处于其他方位的用户产生干扰。 然而，虽然阵列天线的方向图是全向的，但是通过一定技术对阵列的输出进行适当的加 权后，可以使阵列天线对特定的一个或多个空间目标产生方向性波束，即"波束成形" ，且 波束的方向性可控。波束成形技术可以使发射和接收信号的波束指向所需要用户，提高频谱 利用率，降低干扰。 传统的波束成形算法通常是根据用户信号波达方向（DOA）的估计值构造阵列天线的加权向量，且用户信号DOA在一定时间内不发生改变。然而，在移动通信系统中，用户的空间位置是时变的，此时，波束成形权向量需要根据用户当前位置进行实时更新。自适应波束成形算法可以满足上述要求。 本毕业设计将对阵列信号处理中的波束成形技术进行研究，重点研究自适应波束成形技 术。要求理解掌握波束成形的基本原理，掌握几种典型的自适应波束成形算法，熟练使用MATLAB 仿真软件，并使用MA TLAB仿真软件对所研究的算法进行仿真和分析，评估算法性能。 （一）波束成形： 波束成形，源于自适应大线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接 收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图（pattern）视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、 有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调 整，可形成所需形状的方向图。 波束成形技术属于阵列信号处理的主要问题：使阵列方向图的主瓣指向所需的方向。 在阵列信号处理的范畴内，波束形成就是从传感器阵列重构源信号。虽然阵列天线的方 向图是全方向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集 在一个方向上，相当于形成了一个“波束”。 波束形成技术的基本思想是：通过将各阵元输出进行加权求和，在一时间内将大线阵列 波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出波达方向估计。 “导向”作用是通过调整加权系数完成的。对于不同的权向量，上式对来自不同方向的 电波便有不同的响应，从而形成不同方向的空间波束。 波束成形的工作过程是怎样的？以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端 将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计