A study on Adaptive Beamforming Techniques in High-Speed Train Environment

高速鐵路系統近年來由於高速度、高乘載以及安全性高等因素，未來可期望成為主要的大眾運輸交通工具。而可適性波束成型(Adaptive beamforming)技術有擴充系統容量及消除干擾信號等優點，勢必會成為通訊系統中重要的一環，因此探討可適性波束成型系統在高速鐵路環境下所面臨到的問題以及解決方法是一個非常重要的課題。首先假設高速鐵路系統已知信號來源方向(DOA)，利用此已知信號方向我們先架構運用QR-RLS演算法的可適性波束成型器，套用在高速鐵路環境中由模擬結果可知波束在干擾信號方向會有零陷點的偏移以及凹陷程度不夠等問題，因此我們建構了時域寬頻可適性波束成型器以及頻域寬頻可適性波束成型器來補償上述波束方面的問題。最後為了高速鐵路通訊系統的強健性及完備性，我們做了信號方位估測，估測信號來的方向以形成波束消除干擾信號，運用MUSIC演算法做高解析度的信號估測以及ESPRIT演算法來降低估測的計算複雜度以及記憶體儲存空間，同時運用Forward / Backward Spatial Smoothing以及Unitary Transform等方法來降低信號間的同調(Coherent)效應，以增加信號方位估測的準確度以及估測振幅響應。第一章 緒論........................................................1 1.1 智慧型天線系統簡介........................................................1 1.1.1 智慧型天線系統優點........................................................2 1.1.2 智慧型天線系統分類........................................................7 1.2 高速鐵路的無線通訊系統架構描述........................................................8 1.2.1 高速鐵路的場景描述........................................................8 1.2.2 高速鐵路的無線通訊系統架構........................................................9 1.2.3 高速鐵路的無線通訊系統探討.......................................................11 1.2.4 台灣高速鐵路現況.......................................................14 1.3 論文架構.......................................................14 第二章 可適性波束成型在高速鐵路環境下的表現.......................................................17 2.1 研究動機.......................................................17 2.2 天線陣列基本架構及數學模型.......................................................18 2.2.1 MVDR波束成型器的數學架構.......................................................20 2.2.2 MVDR波束成型器運用QR-RLS演算法.......................................................23 2.3 多重路徑衰減通道的架構及數學模型.......................................................25 2.3.1 都普勒效應及信號衰減分布.......................................................28 2.3.2 多重路徑衰減傳輸環境的數學模型.......................................................31 2.3.3 COST 259通道模型.......................................................33 2.4可適性波束成型在高速鐵路環境下的模擬實驗及討論.......................................................35 2.4.1 都普勒效應對可適性波束成型的影響之分析.......................................................35 2.4.2 可適性波束成型在高速鐵路環境下的表現.......................................................39 2.5 結論.......................................................44 第三章 寬頻可適性波束成型在高速鐵路環境下的表現.......................................................46 3.1 研究動機.......................................................46 3.2 時域寬頻可適性波束成型.......................................................47 3.2.1 運用LMS演算法的時域寬頻可適性波束成型器.......................................................49 3.2.2 運用QR-RLS演算法的時域寬頻可適性波束成型器.......................................................54 3.3 頻域寬頻可適性波束成型.......................................................58 3.3.1 運用Block LMS演算法的頻域寬頻可適性波束成型器.......................................................60 3.3.2 運用DCT-LMS演算法的頻域寬頻可適性波束成型器.......................................................63 3.4 結論.......................................................67 第四章 在高速鐵路環境中的方位估測技術.......................................................68 4.1 研究動機.......................................................68 4.2 運用MUSIC演算法估測信號方位.......................................................70 4.2.1 MUSIC加上前後向空間平滑演算法.......................................................74 4.2.2 Unitary MUSIC演算法.......................................................79 4.3 運用ESPRIT演算法估測信號方位.......................................................82 4.3.1 ESPRIT加上前後向空間平滑演算法.......................................................86 4.3.2 Unitary ESPRIT演算法.......................................................88 4.4 結論.......................................................89 第五章 總結與未來展望.......................................................91 5.1 總結.......................................................91 5.2 未來展望.......................................................92 參考文獻.......................................................9