本书是第一部将智能天线知识与实测数据完美结合的专著。全书首先综述了IS-95 PCS和蜂窝CDMA，然后从简单的波束形成网络到复杂的多用户空间处理系统，讨论了智能天线技术的应用，阐述了智能天线开发中的要点，分析了与CDMA相关的问题和基本设计方法。主要内容包括空-时无线信道的表征，最优空间滤波和自适应算法，以及RF定位系统。本书适于通信专业工程技术人员和在校研究生阅读。

Joseph C. Liberti, Jr.　1995年在弗吉尼亚理工大学获得博士学位后，加入了位于新泽西Red Bank的贝尔通信研究所。他的研究领域包括无线电传播测量及建模，智能天线空-时自适应信号处理技术的开发，以及智能天线和其他新兴无线技术的系统级开发。他在无线电传播、智能天线和CDMA方面发表了大量论文，并在蜂窝系统监测和在多天线接收机中合并信号的信号处理技术方面拥有3项发明专利。 加入贝尔通信研究所以来，Liberti博士继续其在智能天线方面的研究。他领导开发了几种高灵敏度的、基于阵列的系统，用来表征智能天线系统中的无线信道。对跳频和直扩等不同的信号类型进行了静态和动态空间无线信道的测量。这项工作还论证了智能天线在IS-95 CDMA和PACS上的应用。此外他对定向和地理定位系统也进行过研究。 除智能天线研究外，他还参与了利用美国无执照频段提供无线宽带数据通信和因特网接入的几个项目，并参与了基于GIS的无线规划和分析工具的开发工作。 Theodore S. Rappaport　 分别于1982年、1984年和1987年从普渡大学获得了BSEE、MSEE和博士学位。自1988年以来，他一直在弗吉尼亚理工大学电子和计算机工程系工作，是该校的James S. Tucker教授和“移动和便携式无线电研究小组”的奠基者和领导者，MPRG是致力于无线通信的研究和教学中心。1989年他创立了TSR技术公司，这是一家蜂窝无线电/PCS制造公司，1993年他出售了该公司。他于1990年获得马可尼青年科学家奖，1992年获得NSF总统教师奖金。1996年，他获得了G. Holmes MacDonald杰出教学奖的荣誉提名，该奖项由Eta Kappa Nu授予35岁以下的电气工程教授。 在无线领域，Rappaport博士编著、合著和合编了13本书，包括通用的教材《无线通信：原理与应用》（Communications: Principles & Practice, Prentice Hall, 1996）和几本论文集，如《蜂窝无线电和个人通信论文选》（Cellular Radio and Personal Communications: Selected Readings, IEEE Press, 1995）、《蜂窝无线电和个人通信高级论文选》（Cellular Radio and Personal Communications: Advanced Selected Readings, IEEE Press, 1996）和《智能天线论文选》（Smart Antennas: Selected Readings, IEEE Press, 1998）。他与人合作发表了130多篇科技期刊和会议论文，拥有3项专利。他是《国际无线信息网络杂志》（International Journal of Wireless Information Networks, Plenum Press, NY）的编委，为IEEE会员，活跃于IEEE通信学会和车载工具技术学会。Rappaport博士还是Wireless Valley Communications公司的董事长，这是一个微小区和室内计算机辅助设计(CAD)软件开发公司。他是弗吉尼亚州注册专业工程师，是美国无线电俱乐部的会员和前任理事会成员。

本书是为满足两大新兴领域的知识需求而作：自适应天线(adaptive antenna，也称智能天线(smart antenna)）和码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)。CDMA是20世纪90年代初由高通公司(Qualcomm, Inc.)推向商用的，这家位于加州圣迭戈的公司在蓬勃发展的蜂窝电话业中率先使用了这一原本军用的概念。自适应阵列的概念最早是在20世纪60年代随着数字信号处理的诞生而提出的，但直到最近才得以实用。全球范围内无线业务强劲的增长势头呼唤着它们的商用。
本书是作者及其同事们在弗吉尼亚理工大学“移动和便携式无线电研究小组”(Mobile and Portable Radio Research Group, MPRG)及贝尔通信研究所(Bell Communication Research)多年研究的基础上完成的。写作本书的目的是为工程师、学生、本行业和院校中的研究人员提供基本的和实用的知识。电气电子工程师协会((IEEE)要求本书第二作者Theodore S. Rappaport精选一些有关智能天线主题的重要期刊文章，列成一览表，作为本书的补充。这个一览表同本书结合起来使用，是课堂教学或行业短期培训十分便利的文献资料。
本书的材料和行文都源自本书第一作者Joseph C. Liberti, Jr.1995年关于CDMA和智能天线的博士论文。从那时起，人们就进行了大量工作，使这个领域热闹非凡，包括采用IS-95 J-STD-008 CDMA标准，用于速率组2信道的14 400 bps的新型语音编码器，CDMA中智能天线的建模和实现的新方法，以及联邦通信委员会提出的苛刻的无线E-911定位要求（125 m，67%的时间内）。我们力图使本书涵盖当前最新的技术信息。
本书共分10章。第1章对CDMA和智能天线作了综述，其中包括一些术语的解释和对同步、异步CDMA的基本处理，还涉及了与CDMA系统相关的天线和信号传播的基本知识。第2章提供了关于IS-95 J-STD-008标准的有价值的实用知识，深入描述了CDMA的所有信道，并对PCS CDMA系统进行了实际链路预算设计。第3章介绍了自适应天线阵列和阵列理论的基本知识，涵盖了波束形成、加权向量、固定波束与自适应波束天线的对比等概念。第4章专门讨论这些技术在CDMA系统上的实现，也许会用于当前的IS-95和未来的CDMA系统中。第5章将CDMA和自适应天线的概念结合起来，推导出一些解析式，有助于无线系统设计者预估多小区(multi-cell) CDMA系统采用自适应天线后在覆盖范围和容量上获得的增益。不论CDMA系统是否采用智能天线，本章推导出的经典结论，都可用于预测系统容量。
第6章概述了无线信道的多径和波达方向(Direction-Of-Arrival, DOA)的模型，本章给出了大量传播模型，这对自适应阵列算法的分析和仿真非常有用。第7章完整描述了一个多径传播模型—几何单反射椭圆模型(Geometrically Based Single Bounce Elliptical Model, GBSBEM)，可用来描述微小区 / 微微小区(microcell/picocell)应用中多径环境的全部特征。
第8章阐述了利用自适应阵列和CDMA信号特性进行最优空间滤波的方法。在第3章的基础上，本章提出的最优化方法可以把零陷对准干扰，而使期望用户的载噪比（Carrier-to-Noise Ratio, CNR）达到最大。第9章描述了在多用户干扰的环境中如何确定信号的波达方向的算法，这是定位技术所必需的。第10章详尽地讨论了定位的算法和方案，总结了全书。附录A推导了高斯近似公式及其应用于扩频系统的许多推论。其他附录为工程师和教师提供了一些有用的信息。
作者感谢弗吉尼亚理工大学“移动和便携式无线电研究小组”的研究助理Aurelia Scharnhorst，她为本书的面世付出了极其宝贵的帮助、技术和耐心。Rong Zhigang、Rias Muhamed和George Mizusawa慷慨同意作者采用他们硕士论文的部分内容，他们独创性的工作见于本书第8、9、10章。为本书提供重要帮助的MPRG的其他人员有Rich Ertel、Kevin Krizman、Neal Patwari、Paulo Cardieri以及Tom Biedka。作者还要感谢普渡大学的M. Zoltowski教授，斯坦福大学的A. Paulraj教授，麦得威公司（Metawave）的M. Feuerstein教授，弗吉尼亚理工大学的C. Thompson教授，以及弗吉尼亚理工大学MPRG的W. Tranter教授和B. Woerner教授，感谢他们对本书的审阅及对此项目的鼓励。新西兰奥克兰大学的Kevin Sowerby教授1997年在MPRG学术研究休假期间也帮助促成了这项工作。
作者还要感谢贝尔通信研究所的Joe Wilkes、Paul Zablocky和Shimon Moshavi，与他们关于IS-95的讨论使作者获益匪浅。Daniel Devasirvathm、Scott Seidel和John Koshy的远见卓识和倾力相助，促成了本书的最后面世。
本书得到弗吉尼亚理工大学MPRG产业联合计划的资助。可以将本书呈现在您的眼前，我们深感荣幸，并希望本书对您有所裨益。


J. C. L., Jr.
T. S. R.

第1章　 介绍 1
1.1　 无线蜂窝的概念 1
1.2　 无线通信的演变 4
1.2.1　 无线通信中的关键词和概念 6
1.2.2　 数字蜂窝和PCS技术 8
1.2.3　 CDMA无线本地环 9
1.2.4　 MMDS和LMDS 10
1.2.5　 第3代(3G)无线系统 10
1.3　 扩频和码分多址 12
1.3.1　 直接序列扩频 12
1.3.2　 DS-CDMA系统中的多址干扰 16
1.3.3　 CDMA中的功率控制和远近效应 19
1.3.4　 跳频扩频 21
1.4　 天线系统 21
1.5　 无线电波传播的基本概念 23
1.6　 小尺度衰落 25
1.7　 大尺度路径损耗 25
1.7.1　 对数距离路径损耗模型 26
1.7.2　 对数正态阴影分布 27
1.8　 小结 29
第2章　 IS-95 PCS和蜂窝CDMA 30
2.1　 蜂窝和PCS频率分配 30
2.2　 IS-95 CDMA PCS系统的工作原理 31
2.3　 IS-95 PCS的典型链路预算 35
2.3.1　 IS-95 1 900 MHz前向链路预算 35
2.3.2　 IS-95 1 900 MHz反向链路预算 36
2.4　 IS-95反向业务信道传输 37
2.4.1　 可变速率声码器 37
2.4.2　 差错控制—帧质量标记和卷积
编码 40
2.4.3　 符号重复和块交织 42
2.4.4　 沃尔什函数和64元正交调制 42
2.4.5　 数据突发随机化和门控 44
2.4.6　 长码扩频 45
2.4.7　 正交（短码）扩频 48
2.4.8　 反向接入信道 49
2.4.9　 反向接入—基站处信号间的相互
作用 50
2.5　 IS-95前向信道信号 51
2.5.1　 前向信道发射机结构 52
2.5.2　 导频信道 52
2.5.3　 同步信道 53
2.5.4　 寻呼信道 53
2.5.5　 前向业务信道 53
2.5.6　 功率控制子信道 56
2.5.7　 下行链路功率控制 57
2.6　 IS-95的演进和cdma2000 57
2.7　 小结 58
第3章　 智能天线介绍：无线系统的空间
处理 59
3.1　 智能天线技术的主要优点 59
3.2　 智能天线技术介绍 60
3.3　 向量信道冲击响应和空间特征 64
3.4　 空间处理接收机 65
3.5　 固定波束形成网络 66
3.6　 切换波束系统 68
3.7　 自适应天线系统 69
3.8　 宽带智能天线 72
3.9　 空间分集、分集合并和分扇区 75
3.10　 智能天线中的数字无线接收机技术
和软件无线电 77
3.11　 发射波束形成 81
3.12　 阵列校准 84
3.13　 小结 86
第4章　 智能天线技术在CDMA上的应用 87
4.1　 非相干CDMA空间处理器 87
4.2　 相干CDMA空间处理器和空间处理瑞
克接收机 88
4.3　 多用户空间处理 92
4.4　 利用智能天线动态地重分扇区 92
4.5　 CDMA下行链路波束形成 93
4.6　 小结 96
第5章　 利用空间滤波增加CDMA系统的
覆盖距离和容量 97
5.1　 CDMA的距离扩展 97
5.2　 IS-95基站采用空间滤波的单小区系统 100
5.3　 基站处使用空间滤波的多小区系统
的反向信道性能 104
5.4　 WLL用户端的反向信道空间滤波 110
5.5　 使用智能天线时的覆盖距离和容量分析
— 一种基于向量的方法 112
5.6　 小结 118
第6章　 空-时无线信道的特征 119
6.1　 无线多径信道模型、环境和信号参数 119
6.1.1　 宏小区环境 122
6.1.2　 微小区环境 124
6.1.3　 角度扩展 124
6.1.4　 测量信道的时变性 126
6.2　 智能天线的空-时信道模型 127
6.2.1　 Lee模型 127
6.2.2　 Lee模型的Stapleton推广 128
6.2.3　 离散均匀分布 128
6.2.4　 几何单反射统计信道模型 129
6.2.5　 几何单反射圆周模型—宏小区
模型 130
6.2.6　 几何单反射椭圆模型—微小区
模型 131
6.2.7　 高斯广义稳态非相关散射模型 132
6.2.8　 高斯波达角 133
6.2.9　 时变向量信道模型—Raleigh模型 133
6.2.10　 两个GSM仿真模型—TU和BU
模型 134
6.2.11　 TU模型 135
6.2.12　 BU模型 135
6.2.13　 均匀扇区分布模型 135
6.2.14　 改进的Saleh-Valenzuela模型 136
6.2.15　 推广的抽头延迟线法 136
6.2.16　 椭圆形子域模型—Lu、Lo和Litva
模型 137
6.2.17　 基于测量的信道模型 137
6.2.18　 光线追踪模型 138
6.3　 空间信道测量 139
6.4　 空间信道模型的应用 141
6.5　 小结 141
第7章　 几何单反射椭圆模型 142
7.1　 GBSBEM中多径分量参数的仿真 147
7.2　 GBSBEM模型中波达方向的边缘分布 153
7.3　 多普勒频谱和衰落包络 154
7.4　 最大路径延迟tm 的选择 157
7.5　 小结 158
第8章　 最优空间滤波和自适应算法 159
8.1　 多径对最优空间滤波的影响 161
8.1.1　 平坦衰落信道 163
8.1.2　 频率选择/时间弥散性信道 164
8.1.3　 多径下的阵列性能 164
8.2　 轻载和过载自适应阵列的性能 166
8.3　 自适应算法 167
8.3.1　 盲自适应算法 168
8.3.2　 最小二乘恒模算法 169
8.4　 CDMA中的自适应算法 172
8.4.1　 多目标最小二乘恒模算法 173
8.4.2　 Gram-Schmidt 正交化 174
8.4.3　 相位模糊 175
8.4.4　 分拣过程 175
8.5　 多目标判决导向算法 177
8.6　 最小二乘解扩重扩多目标阵列 178
8.6.1　 LS-DRMTA的推导 178
8.6.2　 LS-DRMTA的优点 183
8.7　 最小二乘解扩重扩多目标恒模算法 183
8.7.1　 LS-DRMTCMA的推导 185
8.7.2　 LS-DRMTCMA的优点 186
8.8　 小结 186
第9章　 波达方向估计算法 187
9.1　 DOA估计的传统法 187
9.1.1　 延迟-相加法 187
9.1.2　 Capon最小方差法 188
9.2　 DOA估计的子空间法 190
9.2.1　 MUSIC算法 190
9.2.2　 MUSIC算法的改进 194
9.2.3　 求根-MUSIC算法 194
9.2.4　 循环MUSIC算法 195
9.2.5　 ESPRIT算法 196
9.3　 最大似然法 199
9.4　 相干信号条件下的DOA估计 201
9.4.1　 空间平滑技术 202
9.4.2　 多维MUSIC 204
9.5　 基于迭代最小二乘投影的CMA 204
9.6　 DOA估计的综合法 205
9.7　 利用特征分解检测信源数 207
9.7.1　 SH、MDL和AIC准则 207
9.7.2　 利用变换Gerschgorin半径进行信源
数估计 208
9.8　 小结 210
第10章　 RF定位系统 211
10.1　 定向PL系统 212
10.2　 真实距离PL系统 213
10.3　 椭圆型PL系统 214
10.4　 双曲型PL系统 214
10.5　 双曲型PL系统和DF PL系统 216
10.6　 TDOA估计法 216
10.6.1　 TDOA估计的广义模型 216
10.6.2　 广义互相关法 217
10.6.3　 双曲型定位估计技术 219
10.6.4　 双曲型PL估计法 220
10.7　 定位精度的量度 222
10.7.1　 MSE和Cram巖-Rao下界 222
10.7.2　 圆周误差概率 223
10.7.3　 几何精度因子 223
10.8　 小结 224
附录A　 多址干扰和高斯近似 225
附录B　 Q、erf和erfc函数 233
附录C　 数学用表 237
附录D　 缩略语 244
参考文献 257
索引 274

无线通信技术在不断发展。有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境，而解决这个问题的一条主要途径就是开发智能天线。
第一代FDMA系统（AMPS、TACS和NMT）和第二代系统，不论是TDMA（IS-136和GSM）还是CDMA（IS-95），都在智能天线的开发上遇到了难题。空中接口方案使得智能天线的应用极其有限。第三代系统的WCDMA和cdma2000只将智能天线作为可选技术，未写入建议中。可喜的是，中国的TD-SCDMA初步实现了环形8阵元自适应天线，但尚待进一步完善。
何谓智能天线？一个简单定义是，该系统能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和（或）接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。
我们做个直观的类比。如果你闭上眼睛，和走来走去的同事进行交谈，会发现即便不用看，也能确定同事的位置。这是因为声音到达双耳的时间和方向不同，你的耳朵就是两个声音传感器，而你的大脑是特殊的信号处理器，可以进行大量的计算，甄别信息，从而得出说话者的位置。如果我们有4个或8个耳朵，自然能更精确地得到信号信息。自适应天线系统的原理也是如此，不过使用天线而不是耳朵。天线不仅能“听”，还可以“说”，自适应天线系统通过判断信号的到来方向，可以向该方向作出应答。如果有另外的同事加入你们的对话，你体内的信号处理器还能屏蔽掉不希望接收的噪声（干扰），而集中注意力，在同一时刻只与一方交谈。复杂的自适应天线系统也应具备类似的能力，能够区分期望信号和非期望信号。
本书作者有多年自适应天线的开发经验，其成果早已为我国读者所熟知。本书集中了智能天线的主要研究内容，视野开阔，要言不烦，涵盖了自适应天线阵列的基本知识、CDMA系统采用自适应天线后的性能改善、空-时无线信道传播模型和最优空间滤波，以及波达方向和定位估计等领域。本书的重点是介绍智能天线，但正如作者前言中所讲，也涉及了CDMA的一些基础知识。虽然有关CDMA的各种介绍已屡见不鲜，但作者对IS-95 CDMA上行下行链路的精当分析，还是值得一读的。本书非常适合无线通信专业研究生使用，也可供本行业工程技术人员、大专院校教师参考。
本书由马凉博士翻译，在翻译过程中得到以下同志的大力帮助：温家慧、周政国、王旭辉、巢红缨、高淑敏、黄智辉、吴清扬、王燕红、冯立彬、战佳伟、龙燕、程昕等。在此对这些同志表示衷心的感谢。机械工业出版社华章公司的编辑为本书的出版付出了辛勤的劳动，在此一并致谢。译稿已对原书中的错漏作了更正或译注。限于水平，对于译文中的误漏之处，敬请读者指正。


译　 者
2002年3月于北京

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