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智能天线中自适应波束形成算法研究

智能天线中自适应波束形成算法研究

作者：陆友晴云南师范大学

学位级别：硕士

移动通信技术的发展带动了智能天线的研究,同时,作为智能天线核心技术的自适应天线波束形成技术,也得到了广泛的关注。自适应算法是在波束形成技术的基础上形成的新技术,广泛应用于声纳、地震勘察、雷达等多个领域。然而,在智能天线中,... 详细信息

移动通信技术的发展带动了智能天线的研究,同时,作为智能天线核心技术的自适应天线波束形成技术,也得到了广泛的关注。自适应算法是在波束形成技术的基础上形成的新技术,广泛应用于声纳、地震勘察、雷达等多个领域。然而,在智能天线中,自适应算法中的固定步长最小均方算法在收敛速度、精度以及稳态误差上效果不理想。为解决上述问题,本文针对智能天线中的自适应算法进行了研究,提出了基于高斯函数的变步长最小均方算法,并将多尺度小波变换与新提出的算法结合,具体工作如下:本文首先简要介绍了智能天线及其自适应算法国内外研究现状、智能天线的基本原理以及结构、自适应滤波的基本原理、智能天线中自适应算法的最大信噪比、最小均方误差以及最小方差准则,并对三种准则进行分析比较。在此基础上,介绍了自适应算法中最小均方算法以及递归最小二乘算法,分析了两者算法的原理,对步长因子以及方向图进行仿真,并对其进行分析比较。通过分析其他学者提出的变步长算法,在传统最小均方算法的基础上结合高斯函数提出了一种变步长算法,通过对新算法步长因子参数仿真的分析,选择了参数α=2.5、σ=21,将新算法与其他几种变步长算法进行仿真分析对比,得到信噪比为5时,算法在采样点15时达到收敛,算法主信号为379,并且其稳态误差为0.0083。分析了多尺度小波变换的基本原理以及常用的小波函数。首先对正弦混合信号的一维小波进行了分解与重构,3尺度Haar小波重构后的误差为8.5184e-15。然后将提出算法与多尺度小波变换相结合,提出了基于高斯函数与多尺度小波变换的自适应算法,通过仿真分析可得,算法在采样点为5时达到收敛,稳态误差为0.0069。由于最小均方算法有更好的稳定性,进而选择对最小均方算法进行研究。引入高斯函数后,与其他算法相比基于高斯函数的新算法收敛速度更快,稳态误差更小。在上述基础上,将高斯函数与小波变换相结合,提出的新算法收敛速度更快,稳态误差更小,并且其具有更高的消噪能力。由此可得,新算法在其他算法的基础上,提高算法的收敛速度与精度的同时,也加强的算法稳定性与消噪能力。

关键词：智能天线自适应算法 LMS算法多尺度小波变换

智能天线波束成形及其在高铁无线通信中应用研究

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智能天线波束成形及其在高铁无线通信中应用研究

作者：杨欣西南交通大学

学位级别：硕士

铁路无线通信系统专用于列车控制与调度命令等重要信息的传输,对可靠性与低延迟提出了更高的要求。铁路无线通信系统容易收到恶意或无意的干扰,这严重威胁了列车在行驶过程中的安全。如今高铁是人们出行的首要选择,为了保障人民的出行安... 详细信息

铁路无线通信系统专用于列车控制与调度命令等重要信息的传输,对可靠性与低延迟提出了更高的要求。铁路无线通信系统容易收到恶意或无意的干扰,这严重威胁了列车在行驶过程中的安全。如今高铁是人们出行的首要选择,为了保障人民的出行安全,研究如何提升高铁场景下无线通信系统的性能尤为重要。近年来,智能天线技术的引入,为铁路无线通信系统解决这些问题带来了新思路。智能天线波束成形技术可以根据不同需求,选择合适的自适应算法来调整天线阵列的权矢量,追踪目标信号并抑制干扰。在高铁场景中,智能天线波束成形技术可提高铁路无线通信系统的可靠性与信号追踪能力。本文基于群智能算法,对经典自适应算法进行改进。随后利用软件无线电平台搭建波束成形系统进行验证。论文主要工作如下:首先,研究了智能天线以及自适应波束成形技术的现状,并对自适应波束成形算法的四种最优准则进行分析和推导。随后介绍了本文所用的软件无线电平台。其次,针对经典波束成形算法如最小均方(LMS)、最小二乘(RLS)、线性约束最小方差(LCMV)算法等进行了理论与仿真研究。针对经典算法中收敛性能和稳定误差的失调问题,本文基于群智能算法对LMS算法和RLS算法进行改进。LMS与RLS算法具有全局收敛的优点,群智能算法可进行局部寻优,结合两者优点对算法进行改进可实现高效运算。实验结果显示改进算法的抗干扰、收敛性能方面有明显增强。最后,利用USRP和软件无线电平台GNU Radio对高铁的无线通信场景进行建模。在基站侧安装均匀线阵,在GNU Radio平台上对经典算法以及改进算法进行封装,搭建自适应波束成形系统。结果显示,基于群智能算法的自适应波束形成算法有明显的性能提升,与仿真结果一致。

关键词：智能天线波束成形 GNU Radio USRP 群智能算法

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基于混合结构的多模圆极化智能天线

固体电子学研究与进展 2023年第5期43卷 413-418页

作者：许晨晨段铸南京信息工程大学应用电磁学研究中心南京210044

设计了一种适用于5G微基站的基于混合结构的智能天线,该混合天线由一个四端口的左旋圆极化全向共形天线和两个单端口的左旋圆极化全向天线构成,共有六个馈电端口,整体尺寸为π×0.395^(2)×1.65λ_(0)^(3)(λ_(0)为中心频率处的自由空... 详细信息

设计了一种适用于5G微基站的基于混合结构的智能天线,该混合天线由一个四端口的左旋圆极化全向共形天线和两个单端口的左旋圆极化全向天线构成,共有六个馈电端口,整体尺寸为π×0.395^(2)×1.65λ_(0)^(3)(λ_(0)为中心频率处的自由空间波长)。利用最大功率传输效率法(MMPTE)对六个端口添加不同幅值和相位的激励可实现全向圆极化模式和定向圆极化模式的转换。测试结果表明,该混合天线工作在全向模式时,最大实际增益和效率分别为6.4 dBic和92%,不圆度小于0.8 dB;工作在定向模式时,可实现水平面360°圆极化扫描,最大定向实际增益为8.2 dBic,轴比小于3 dB。

关键词：全向圆极化定向圆极化共形天线多模混合天线智能天线

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智能天线技术在广播通信中的优化与应用

中国新通信 2024年第3期26卷 74-76页

作者：李玮山东省广播电视传输保障中心昆嵛山转播台

随着无线通信技术的飞速发展,传统通信传输技术已无法满足不断增长的数据传输需求。智能天线技术作为一种新型的天线技术,因其灵活的辐射模式、高效的信号处理能力和卓越的性能优化策略而备受广大研究者和工程师的关注。在增强信号覆盖... 详细信息

随着无线通信技术的飞速发展,传统通信传输技术已无法满足不断增长的数据传输需求。智能天线技术作为一种新型的天线技术,因其灵活的辐射模式、高效的信号处理能力和卓越的性能优化策略而备受广大研究者和工程师的关注。在增强信号覆盖范围、提高信号质量和容量、降低信号干扰以及改善移动通信性能方面,智能天线技术具有明显优势和广阔的应用前景。本文旨在深入探讨智能天线技术在广播通信中的优化与应用,为广播通信领域的研究和实践提供理论支持和参考。

关键词：智能天线广播通信优化应用

智能天线快速稳健方向图综合与抗干扰技术研究

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智能天线快速稳健方向图综合与抗干扰技术研究

作者：张开墅南京理工大学

学位级别：硕士

本文围绕低轨卫星通信系统的智能天线相关技术,开展可以用于在轨动态重构的稳健方向图综合算法和能够对主瓣和旁瓣特性进行稳定控制的自适应波束形成算法的研究,并构建智能天线测试环境,开展所提出的相关算法在19阵元三角栅格智能天线... 详细信息

本文围绕低轨卫星通信系统的智能天线相关技术,开展可以用于在轨动态重构的稳健方向图综合算法和能够对主瓣和旁瓣特性进行稳定控制的自适应波束形成算法的研究,并构建智能天线测试环境,开展所提出的相关算法在19阵元三角栅格智能天线系统中的实测验证。首先,针对中大规模阵列任意形状方向图综合,现有的最小均方误差准则的交替投影（Least Mean Squares Alternating Projection,LMS＿AP）方向图综合算法,存在稳健性较差的问题。本文分析了其中的原因,发现阵列规模增大,特别是存在互耦情况下,流形矩阵的条件数急剧增大,对此将权重系数矢量模范数作为正则化函数引入LMS＿AP算法,将优化问题转换为基于对角线加载的LMS＿AP。本文详细推导了改进的对角加载稳健算法的优化公式,分析了算法稳定性提高的基本原理,给出了对角加载量选择的方法。该算法具备稳健的任意方向图综合能力,特别适合大规模阵列存在互耦情况下的在线计算。最后,针对LEO卫星通信增益“等通量”需求的实际场景开展算法稳定性仿真验证。接着,针对现有的主瓣保形自适应算法无旁瓣控制或者旁瓣控制的自适应算法无主瓣保形能力的问题,提出基于子空间线性约束最小方差（Linear Constraint Minimum Variance,LCMV）算法,该算法将子空间技术用于构建约束条件,在任意赋形主瓣区域保形和峰值旁瓣电平控制的前提下,实现了旁瓣区的自适应干扰抑制。本文给出了该算法的两种求解方法。其一,将问题转化为二阶锥规划问题,使用内点法求解。其二,将问题转化为二次不等式模约束下的LCMV优化问题,给出优化问题的闭式解。推导了解存在的条件以及算法在GSC框架下高效实现结构。最后,仿真验证了所提出算法的主瓣保形、旁瓣控制和自适应抗干扰性能以及当存在较强阵列互耦影响下算法的稳健性。最后,搭建19阵元三角栅格阵列智能天线测试系统,完成了测试系统上位机总控显示软件的设计,并在该系统上开展本文所提出相关算法的实测性能验证。

关键词：低轨卫星通信智能天线快速稳健方向图综合自适应波束形成峰值旁瓣电平主瓣保形

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低轨卫星通信系统波束成形算法

天地一体化信息网络 2022年第2期3卷 3-11页

作者：王海旺黄晨光邹诚邵丰伟常家超李国通中国科学院微小卫星创新研究院上海201203 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海201210

宽带卫星互联网的迅速发展使得卫星通信进入新纪元,大规模低轨卫星星座的建立使得频谱资源逐渐饱和,频率使用的高度重合导致各个卫星通信系统间存在严重的干扰问题。卫星载荷通常使用相控阵天线进行通信,通过收发端波束成形来降低系统... 详细信息

宽带卫星互联网的迅速发展使得卫星通信进入新纪元,大规模低轨卫星星座的建立使得频谱资源逐渐饱和,频率使用的高度重合导致各个卫星通信系统间存在严重的干扰问题。卫星载荷通常使用相控阵天线进行通信,通过收发端波束成形来降低系统干扰。在接收端采用自适应波束成形算法,通过自适应调零来抑制干扰;在发送端采用低旁瓣波束成形算法,通过对旁瓣施加特定的约束压低旁瓣电平来降低干扰。针对地面接收端和卫星发送端分别分析3种抗干扰波束成形算法,为降低卫星通信系统的干扰问题提供波束层面的方法。

关键词：低轨卫星智能天线自适应波束成形低旁瓣波束成形

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智能天线在网络化汽车系统中的设计研究

华中师范大学学报（自然科学版） 2018年第1期52卷 42-47页

作者：蒋小燕高逸飞常州工学院电气与光电工程学院江苏常州213002 河海大学物联网学院江苏常州213022 武汉理工大学信息工程学院武汉430070

为了节省主机空间,提升传输准确性,提出了一种新的车机设计的方法.该方法利用全制式收音机芯片Octopus3+和BroadR-Reach车载以太网技术,把射频从主机上移开,做成独立模块,与天线紧密相连,与主机通过以太网连接,连接线从高频同轴屏蔽线... 详细信息

为了节省主机空间,提升传输准确性,提出了一种新的车机设计的方法.该方法利用全制式收音机芯片Octopus3+和BroadR-Reach车载以太网技术,把射频从主机上移开,做成独立模块,与天线紧密相连,与主机通过以太网连接,连接线从高频同轴屏蔽线变成以太网双绞线.该方法节省了成本,避免了干扰,提升了传输准确性,给车身轻量化带来重要贡献.

关键词：智能天线 AM/FM收音机 DAB数字音频广播 BroadR-Reach UPnP通用即插即用 MAC媒体访问控制

基于模糊层次分析的MIMO/SA多天线系统算法性能评估方法

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系统工程与电子技术 2012年第10期34卷 2129-2135页

作者：郭爱煌黄宇胜罗巍谭维锴同济大学电子与信息工程学院上海201804 东南大学毫米波国家重点实验室江苏南京210096

多输入多输出(multiple input and multiple output,MIMO)和智能天线(smart antenna,SA)是第四代移动通信系统的关键技术,其结合的MIMO/SA多天线系统所采用算法的不同,直接影响系统性能,准确评估MIMO/SA多天线系统的算法性能,对于实际... 详细信息

多输入多输出(multiple input and multiple output,MIMO)和智能天线(smart antenna,SA)是第四代移动通信系统的关键技术,其结合的MIMO/SA多天线系统所采用算法的不同,直接影响系统性能,准确评估MIMO/SA多天线系统的算法性能,对于实际应用十分重要。结合波达方向估计算法、空时编译码算法、波束成形算法的算法性能指标,应用模糊层次分析法建立了层次结构模型,确定了各算法性能指标的权重和隶属度,得到了MIMO/SA多天线不同实现方案中不同算法的模糊综合评估方法,进行了仿真验证。仿真结果表明,评价方法能在不同的MIMO/SA多天线实现方案中选择出优化方案,对MIMO/SA多天线系统的方案设计与算法实现有较好的参考价值。

关键词：多天线系统多输入多输出智能天线算法性能模糊层次分析法

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基于波束形成的海上智能天线算法

舰船科学技术 2024年第2期46卷 139-142页

作者：丁峰仵钇征刘鹏清华大学北京海淀区100084 中国舰船研究院北京朝阳区100101

远距离海上雷达探测由于海上环境的复杂性容易受到杂波干扰,常用的最小均方算法通过在干扰噪声中形成主波束并引导至目标信号,有效解决了杂波干扰问题。通过对自适应智能天线波束形成技术的海上应用进行研究,给出了常用的天线阵列结构... 详细信息

远距离海上雷达探测由于海上环境的复杂性容易受到杂波干扰,常用的最小均方算法通过在干扰噪声中形成主波束并引导至目标信号,有效解决了杂波干扰问题。通过对自适应智能天线波束形成技术的海上应用进行研究,给出了常用的天线阵列结构模型和信号模型,研究了智能天线中的自适应波束成型算法,目前在这一领域的解决方案中最小均方算法最为常见,但其存在收敛速度差、通用性低等问题。本文将优化遗传算法引入,对传统遗传算法中初始种群规划和交叉操作进行了优化和改进。仿真实验表明,与最小均方算法、传统遗传算法相比,优化遗传算法对杂波的抑制效果提高了28%,收敛速度提升了3倍,具有良好发展前景。

关键词： LMS算法智能天线遗传算法波束形成