移動(dòng)通信中的智能天線技術(shù)概要

1、摘要：文章首先介紹了智能天線技術(shù)中的基本概念及其在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的發(fā)展和應(yīng)用，然后說明了在移動(dòng) 通信系統(tǒng)中，應(yīng)用智能天線技術(shù)可以提高系統(tǒng)的性能和容量，并可以簡化系統(tǒng)控制。在此基礎(chǔ)上，文章分別 介紹了切換智能天線中預(yù)置波束的設(shè)計(jì)方法和自適應(yīng)天線陣列中的經(jīng)典自適應(yīng)算法，并簡介了目前智能天線 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：智能天線 自適應(yīng)天線陣列 移動(dòng)通信系統(tǒng) Abstract: Basic concepts about the smart antenna technology are presented first, and t hen the development and applications

2、 of the technology in mobile communications a re introducedt is noted that with the smart antenna technology, not only the pe rformance and capacity of a mobile communications system can be greatly optimized , but also the operation and maintenance of the system can be simplified.At last, the design

3、 methods of switching beam array antenna and classical adaptive array algorithms are discussed. Key words: Smart antenna Adaptive antenna array Mobile communications system 文章編號(hào)：1009 6868(200103 0010 06文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A中圖分類號(hào)：TN929 .5 1概述 智能天線又稱為自適應(yīng)天線陣列，興起于20世紀(jì)60年代。智能天線技術(shù)的核心是陣列信號(hào)處理，早期 應(yīng)用集中于雷達(dá)和聲納檢測(cè)領(lǐng)域，70年代后期被引入軍

4、事通信，而應(yīng)用于民用蜂窩通信則是近10年的事 情。一般而言，智能天線是專指用于移動(dòng)通信中的自適應(yīng)天線陣列。 在移動(dòng)通信中引入智能天線技術(shù)的目的是為了充分利用空域資源，提高系統(tǒng)的性能和容量。移動(dòng)通信中 信道傳輸條件較惡劣，信號(hào)在到達(dá)接收端前會(huì)經(jīng)歷衰減、衰落和時(shí)延擴(kuò)展，另外還有來自其他用戶的干擾， 它們是限制系統(tǒng)通信質(zhì)量和容量的重要因素。為了對(duì)抗這些影響，在第2代系統(tǒng)中廣泛采用了諸如調(diào)制、信 道編碼、均衡仃DMA系統(tǒng)、RAKE接收(CDMA系統(tǒng)等時(shí)頻域信號(hào)處理技術(shù)，以及分集天線、扇形天線等簡單空 間處理技術(shù)，在發(fā)揮各自功效的同時(shí)，它們有共同的不足，即無法對(duì)空域資源進(jìn)行有效利用。理論研究和實(shí) 測(cè)結(jié)果

5、均表 明，有用信號(hào)、其延時(shí)樣本和干擾信號(hào)往往具有不同的DOA波達(dá)角和空間信號(hào)結(jié)構(gòu)，利用這一 空域信息可以使我們獲得附加的信號(hào)處理自由度，從而能更有效地對(duì)抗衰落和抑制干擾。為了滿足人們不斷 增長的對(duì)移動(dòng)通信質(zhì)量和容量的要求，越來越多的研究者和工程技術(shù)人員將目光投向智能天線技術(shù)。 在移動(dòng)通信中引入智能天線技術(shù)后，可以起到空域?yàn)V波作用：在用戶信號(hào)方向形成高的接收增益，而在 干擾方向形成“零陷”或較低的接收增益，提高信號(hào)噪聲干擾比，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和容量。 2智能天線技術(shù)中的基本概念 (1智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖1所示，智能天線系統(tǒng)由 3部分組成：實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間過采樣的天線陣；對(duì)各陣元輸岀進(jìn)行加權(quán)合并

6、的波束成型網(wǎng)絡(luò)；更新合并權(quán)值的控制部分。 在移動(dòng)通信應(yīng)用中為方便分析、旁瓣控制和DOA古計(jì)，天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣 圖2直線陣示意圖 當(dāng)滿足天線傳輸窄帶條件（信號(hào)帶寬小于信號(hào)在天線陣中傳輸時(shí)間的倒數(shù)、且陣列采用 特性相同的全向 陣元時(shí)，對(duì)同一入射信號(hào)，各陣元的輸岀響應(yīng)間將只有相位差異而沒有幅度 差異，這一差異可以用陣列響應(yīng) 矢量充分描述，陣響應(yīng)矢量的一般形式為： a(t)=e -2TT (ym- iSin t +Xni- I CG3 1 )，T e1k 其中（x1,y1為第I個(gè)陣元的坐標(biāo)，為入射信號(hào)方向與x軸的夾角 早期的加權(quán)合并網(wǎng)絡(luò)在射頻端用模擬方法實(shí)現(xiàn)，使用的是可調(diào)衰減器和移相器，

7、現(xiàn)在則多用數(shù)字方法在 基帶或中頻上實(shí)現(xiàn)。天線陣列各陣元的信號(hào)通過加權(quán)，可以調(diào)整天線的接收方向圖，起到空域?yàn)V波的作用。 控制部分(即算法部分是智能天線的核心，其功能是依據(jù)信號(hào)環(huán)境、按某種準(zhǔn)則和算法選擇或計(jì)算權(quán) 值。 在這3部分中，控制部分是智能天線技術(shù)的核心。從 70年代將智能天線應(yīng)用于軍用通信 到現(xiàn)在，經(jīng)過 20多年的不斷發(fā)展，已提出了大量的智能天線結(jié)構(gòu)和算法，它們大致可分為兩類：波束切換智能天線和全自 適應(yīng)智能天線。 (2波束切換智能天線 在波束切換天線中，天線的工作模式 (方向圖是有限的，只能在預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾種窄波束中選擇，隨著 用戶在小區(qū)中的移動(dòng)，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接受信號(hào)最強(qiáng)。

8、波束切換智能天線利用多個(gè)并行波束覆 蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在 固定波束的中心處，當(dāng)用戶位于波束邊緣，干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能 實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需判定 用戶信號(hào)到 達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)波束切換天線，尋找性能優(yōu)異的預(yù)波束成型方法最為重要。 (3全自適應(yīng)智能天線 全自適應(yīng)天線是智能天線技術(shù)的研究重點(diǎn)和未來的發(fā)展方向。全自適應(yīng)就是指天線陣列接收到的信號(hào)， 經(jīng)過自適應(yīng)算法的處理，能夠按照某一確定的準(zhǔn)則調(diào)整天線陣列的權(quán)值，從而在期望的信號(hào)

9、方向形成高的接 收/發(fā)射增益，在干擾信號(hào)方向形成“零陷”或低的發(fā)射增益，并且隨著用戶的移動(dòng)和信道的變化，能夠自動(dòng) 調(diào)整天線陣列的權(quán)值，使高增益波束始終對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)。 全自適應(yīng)智能天線的核心在于自適應(yīng)算法的研究，目前提出的自適應(yīng)算法種類繁多，在后面將會(huì)詳細(xì)介 紹。 3引入智能天線的益處 (1鏈路性能的改善 智能天線通過空域處理或空時(shí)域聯(lián)合處理，可提高信干噪比(SINR、減少時(shí)延擴(kuò)展和減 輕衰落，進(jìn)而提 高鏈路性能。鏈路性能的提高同時(shí)也意味著移動(dòng)臺(tái)可以以較低功率工作，從而延長手機(jī)電池的通話時(shí)間和待 機(jī)時(shí)間，并減輕電磁輻射對(duì)人體的危害。 (2系統(tǒng)性能的提高 鏈路性能的改善必然帶來系統(tǒng)性能的提高，這主

10、要表現(xiàn)在：擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，并解決盲點(diǎn)覆蓋問題， 在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期，用較少的基站即可實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的覆蓋；鏈路性能的提高使得運(yùn)營商可以更輕松地提供 各種新業(yè)務(wù)，如對(duì)誤碼率有較高要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和無線Inte rnet 業(yè)務(wù)；增加系統(tǒng)容量，對(duì)同信道干擾的有 效抑制使得TDMA系統(tǒng)可采用更緊湊的頻率復(fù)用模式，并有可能實(shí)現(xiàn) SDMA對(duì)多址干擾的有效濾除使得 CDMA 系統(tǒng)在相同處理增益下可同時(shí)容納更多的激活用戶。多入多出系統(tǒng)的容量計(jì)算研究也表明，多天線收發(fā)系統(tǒng) 的容量遠(yuǎn)超過單 天線系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)天線數(shù)目一定時(shí)，系統(tǒng)容量最多隨收天線數(shù)目成對(duì)數(shù)變化；當(dāng)收天線數(shù)目等 于或多于發(fā)天線數(shù)目時(shí)，系統(tǒng)容量至少隨發(fā)天線數(shù)目

11、線性增加。 (3系統(tǒng)控制的簡化 智能天線提供的分集增益可以減輕信號(hào)衰落，空間濾波特性可以減少多址干擾，二者使得對(duì)功控精度的 要求大大降低。智能天線的定位能力可以幫助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和維護(hù)人員方便地定位無線故障點(diǎn)或區(qū)域，縮 短解決問題的時(shí)間和流程。智能天線所提供的移動(dòng)臺(tái)位置信息和移動(dòng)方向信息，可用于預(yù)測(cè)切換需求和方 向，使切換也變?yōu)橹悄堋?(4定位功能 美國聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定到 2001年所有的在美網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須提供緊急呼叫業(yè)務(wù)，及俗稱的911/999 呼叫，并要求在67%的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)定位精度達(dá)到125m利用智能天線所特有 的DOA古計(jì)能力，結(jié)合場 強(qiáng)、延時(shí)信息等可使移動(dòng)臺(tái)定位精度大大提高，達(dá)到

12、并超過前述要求。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)可提供很多基于位置 信息的新業(yè)務(wù)，如本地?zé)o線Internet 信息發(fā)布、汽 車調(diào)度和導(dǎo)航功能、位置敏感計(jì)費(fèi)等，運(yùn)營商還可據(jù)此 定位用戶的欺詐行為，維護(hù)自身利潤。 4智能天線的結(jié)構(gòu)與算法 智能天線中的算法是智能天線技術(shù)研究的核心內(nèi)容，智能天線的實(shí)質(zhì)是空域?yàn)V波器，而濾波器的功能是 依靠自適應(yīng)算法來完成的。在這一部分中，按照智能天線實(shí)現(xiàn)方式的不同，分別介紹波束切換智能天線的算 法和全自適應(yīng)智能天線的算法。 4.1波束切換智能天線及其設(shè)計(jì)方法 在波束切換天線中，天線的工作模式 （方向圖是有限的，只能在預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾種窄波 束中選擇，顯然 這些窄波束的特性將極大影響甚至決定

13、系統(tǒng)的最終性能，換言之對(duì)波束切換 天線，尋找性能優(yōu)異的預(yù)波束成 型方法尤為重要。 (IButler 矩陣法 Butler矩陣法是指用Butler矩陣的各列作為權(quán)矢量，該法最多可產(chǎn)生與陣元數(shù)相同的窄波束，這些窄波 束滿足正交性，它已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和智能天線的預(yù)處理中，也常被切換天線用來產(chǎn)生預(yù)波束。 （2單用戶角度匹配法 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)無干擾用戶，僅有白噪聲時(shí)，自適應(yīng)天線確定的最優(yōu)權(quán)為：W=aO （2 其中a為陣響應(yīng)矢量，0為目標(biāo)用戶的波達(dá)方向。此即為第2種波束成型方法的基礎(chǔ)。 （3多用戶角度匹配法 應(yīng)天線按MMSE ，單用戶角度匹 可以證明，當(dāng)各用戶的波達(dá)方向服從獨(dú)立同分布時(shí)，隨著系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)

14、目的增加，自適 準(zhǔn)則確定的最優(yōu)權(quán)（Wiener解收斂于 w=Nk 1MAI a（0。 以平均輸岀信干比增益為指標(biāo)比較上述3種波束成型方法后可知：當(dāng)干擾用戶數(shù)很少時(shí) 配法有最好性能；干擾用戶數(shù)目較多時(shí)，多用戶角度匹配法性能更好。 的速度與周期決 應(yīng)天線，跟蹤速度一般不成問 波束切換天線根據(jù)各波束對(duì)目標(biāo)用戶的輸岀信號(hào)強(qiáng)度或質(zhì)量選擇工作波束，選擇或切換 定了天線系統(tǒng)對(duì)用戶移動(dòng)性或環(huán)境變化的跟蹤能力，相對(duì)于運(yùn)算復(fù)雜的自適 題。 與全自適應(yīng)天線相比，波束切換天線對(duì)環(huán)境的快速變化、信道衰落的魯棒性更強(qiáng)。波束切換天線由于只 能在波束空間實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信號(hào)傳播環(huán)境的有限匹配，故無法有效對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展和濾除干擾，也無

15、法充分利用 角度分集，在非相干干擾源數(shù)目較少或時(shí)延、角度擴(kuò)展較明顯的應(yīng)用環(huán)境中，與全自適應(yīng)天線相比會(huì)有明顯 的性能損失。一種解決辦法是在波束切換天線后再使用時(shí)域處理，如在 CDMA中對(duì)波束輸出使用多用戶檢 測(cè)，以進(jìn)一步濾除該波束內(nèi)的干擾，其運(yùn)算量相對(duì)于全自適應(yīng)空時(shí)多用戶檢測(cè)不大，易于工程實(shí)現(xiàn)，且性能 很好。 4.2全自適應(yīng)智能天線中的自適應(yīng)算法 全自適應(yīng)智能天線是智能天線技術(shù)的發(fā)展方向，也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前所提岀的各類自適應(yīng)算法 很多，分類的方法也各有不同：按照是否需要進(jìn)行DOA古計(jì)，可以將算法分 成兩類；按照是否需要利用系統(tǒng) 的導(dǎo)頻信息可以將算法分成 3類：盲算法（無需導(dǎo)頻符號(hào)，只要按

16、照一定準(zhǔn)則，保證代價(jià)函數(shù)取得極小值、半 盲算法（在初始化權(quán)向量時(shí)利用導(dǎo)頻符號(hào)，然后用自適應(yīng)算法跟蹤用戶和信道變化，在必要時(shí)可用導(dǎo)頻符號(hào)防 止算法發(fā)散、非盲算法(利用系統(tǒng)的導(dǎo)頻符號(hào)來計(jì)算和更新權(quán)向量。 本文按是否需進(jìn)行DOA古計(jì)對(duì)一些經(jīng)典算法進(jìn)行介紹。 421基于DOA古計(jì)的算法 (1常規(guī)方法 最早提出的算法只進(jìn)行主瓣控制，即僅保證對(duì)目標(biāo)用戶有最大增益，其合并權(quán)值為：w=a0 (3 a0為目標(biāo)用戶對(duì)應(yīng)的陣響應(yīng)矢量。在無干擾、僅有空間白高斯噪聲時(shí)，該權(quán)值才是最優(yōu)的。 (2干擾零陷法 當(dāng)系統(tǒng)能同時(shí)估計(jì)目標(biāo)用戶和各干擾用戶的陣響應(yīng)矢量時(shí)，更優(yōu)的波束成型方法應(yīng)對(duì)目標(biāo)用戶進(jìn)行放大 和對(duì)干擾用戶進(jìn)行抑制，即

17、合并權(quán)值應(yīng)盡可能滿足：wHaO=1且wHai=0,i=1,k.(4 其中ai為干擾用戶i對(duì)應(yīng)的陣響應(yīng)矢量，上式可用矩陣表達(dá)為wHA=eT1其中 A=aO,a1,ak、e仁1,0 ,0T。 (3最小方差無畸變響應(yīng)(MVDF法 1967年Capon提出基于目標(biāo)用戶來向約束的MVDF法,即在滿足 wHa0=1的條件下求 W使 WHRN最小。 MVD雨時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲和干擾的優(yōu)化濾除，其目標(biāo)是使輸出信干噪比最大。 顯然，DOA古計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述算法的基礎(chǔ)，其估計(jì)精度將直接影響波束成型算法的性能。對(duì)DOA古計(jì)算法 的研究一直是陣列天線研究的一個(gè)方向，特別是在其早期發(fā)展階段和聲納、雷達(dá)、軍事應(yīng)用領(lǐng)域，目前已提

18、岀諸如空間譜估計(jì)方法、線形預(yù)測(cè)法、最大熵法、最大似然法和各種基于子空間的算法等2。目前普遍使 用的是兩種更適合通信應(yīng)用且性能較好的方法：MUSIC和ESPRIT算法，詳細(xì)內(nèi)容可以在很多現(xiàn)代信號(hào)處理的 文獻(xiàn)中找到。 各種DOA古計(jì)方法普遍存在如下缺點(diǎn)：需要知道較準(zhǔn)確的陣響應(yīng)矢量，而它依賴于陣列拓?fù)洹㈥囋恢?(對(duì)ESPRIT算法則主要是子陣間的相對(duì)位移和入射信號(hào)頻率，與各陣元相連的前級(jí)處理設(shè)備的非線形和非對(duì) 稱性也會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響，所以為了保證最終估計(jì)精度，常需周期性地進(jìn)行陣校正；有分辨率限制，入射的信 號(hào)源數(shù)目不能很多；很多算法對(duì)分辨相干入射源無效或效率不高。而在移動(dòng)通信中常需面對(duì)較多的干擾信

19、號(hào)、相干或不相干的多徑信號(hào)，故基于DOA古計(jì)的波束成型算法不適宜于陣列規(guī)模較小、干擾較嚴(yán)重的應(yīng)用 環(huán)境，但對(duì)FDD的下行應(yīng)用依然有吸引力。 4.2.2不需要DOA古計(jì)的自適應(yīng)算法2,3 目前已經(jīng)提岀的不需要 DOA古計(jì)的算法有很多種，下面按照是否需要利用導(dǎo)頻信息和是否進(jìn)行時(shí)空域聯(lián) 合處理分別介紹。 (1基于導(dǎo)頻符號(hào)的單空域處理 算法 單空域處理是相對(duì)空時(shí)域聯(lián)合處理而言的，此時(shí)天線陣僅根據(jù)當(dāng)前輸入計(jì)算對(duì)應(yīng)輸岀，其處理可用一個(gè) 空域FIR濾波器建模。借助導(dǎo)頻信道上發(fā)送的已知符號(hào)或時(shí)分復(fù)用在業(yè)務(wù)信道上的導(dǎo)頻序列，進(jìn)行算法處理 時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則(比如迫零準(zhǔn)則確定各加權(quán)值，要么直接計(jì)算或

20、逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智 能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的是最小均方誤差MMSE即代價(jià)函數(shù)為： J(w=E|wHx(t - d(t|2 (5 其中d(t為參考信號(hào)。 上式對(duì)w求偏導(dǎo)并令結(jié)果為零，可得到著名的Wiener解：w=R-1p (6 其中R=Ex(txH(t ，p=Ex(td*(t。工程應(yīng)用中集平均統(tǒng)計(jì)量R和p難以獲得，實(shí)現(xiàn)時(shí)可用它們的時(shí)間 平均值進(jìn)行近似(接收信號(hào)需滿足廣義平穩(wěn)和各態(tài)遍歷特性，這就是直接矩陣求逆(DMI法。 在基于導(dǎo)頻符號(hào)的單空域處理算法中，最陡梯度下降算法是一類很重要的算法，其代價(jià)函數(shù)與式(5相 同。 權(quán)值則用下式進(jìn)行迭代運(yùn)算: 上式中u為步長，當(dāng)它滿足0 在最陡梯

21、度下降算法中具有代表性的有：最小均方(LMS算法、歸一化LMS算法、約束LM S算法、最小二 乘(LS算法。 (2單空域處理盲算法 盲算法一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限 符號(hào)集和高階統(tǒng)計(jì)量等。與非盲算法相比，它無需發(fā)送已知符號(hào)，故可節(jié)省系統(tǒng)頻譜資源。其缺點(diǎn)是一般收 斂速度較慢，且存在相位模糊問題。恒模類算法利用移動(dòng)通信的信號(hào)具有恒包絡(luò)特性，來獲取輸岀信號(hào)的最 佳效果，子空間方法則是利用過采樣信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性，子空間方法可以對(duì)信道進(jìn)行盲辨識(shí)和盲解卷。 (3空時(shí)聯(lián)合處理3 為了更有效地對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展、進(jìn)行多徑合并和濾除干擾，有必要進(jìn)行空時(shí)聯(lián)合處

22、理。空時(shí)聯(lián)合處理常用 的優(yōu)化準(zhǔn)則有最大似然(ML和最小均方誤差(MMSE ML雖然能用Viterbi算法有效實(shí)現(xiàn)，在理論上講也是最 優(yōu)的，但其復(fù)雜度隨信道記憶長度呈指數(shù)增長，當(dāng)考慮多用戶ML時(shí)，則是隨所有用戶信道記憶長度之和呈 指數(shù)增長，故只有理論指導(dǎo)意義，工程實(shí)現(xiàn)時(shí)基本不考慮。 研究表明ML檢測(cè)能更有效地對(duì)抗符號(hào)間串?dāng)_ (ISI，而MMS在對(duì)抗同信道干擾(CCI上效果更好，為此有 人提出一種將二者結(jié)合的混合檢測(cè)結(jié)構(gòu)：先用 MMSES時(shí)濾波器減小CCI，再 用ML序列檢測(cè)器消除ISI，仿 真結(jié)果表明其性能優(yōu)于單空時(shí) ML和單空時(shí)MMSE (4CDMA中的智能天線處理算法 對(duì)CDMA系統(tǒng)，一種智

23、能天線處理結(jié)構(gòu)是先匹配濾波，再空域加權(quán)合并，即先時(shí)域解擴(kuò)再空域?yàn)V波，此 時(shí)每一個(gè)天線陣元上都有一個(gè)匹配濾波器，波束成型對(duì)匹配濾波器輸岀進(jìn)行，可用前面介紹的各種算法進(jìn)行 相應(yīng)處理。利用 CDMA特點(diǎn)的智能天線算法包括最大輸岀功率法 、主元法、解擴(kuò)重?cái)U(kuò)判決指導(dǎo)法、空時(shí)處理 可應(yīng)用于CDMA統(tǒng)的一種空時(shí)處理結(jié)構(gòu)是 2D RAKE其實(shí)現(xiàn)有多種方式：矢量擴(kuò)展的RA KE接收機(jī)，它 先進(jìn)行空域?yàn)V波，再用 RAKE接收機(jī)進(jìn)行時(shí)域合并，空域?yàn)V波權(quán)為該徑信號(hào)對(duì)應(yīng)的空間指向矢量；MMS波束 成型+ RAKE它也先用智能天線進(jìn)行空域?yàn)V波，提取各延時(shí)徑，再用RAKE合并，不同之處在于空域?yàn)V波的 權(quán)值用MMS類算法計(jì)算

24、，例如前面介紹的幾種。匹配濾波+普通空時(shí)均衡(符號(hào)級(jí)和空時(shí)均衡(切普級(jí)+解 擴(kuò)是另兩種空時(shí)處理結(jié)構(gòu)。 空時(shí)多用戶檢測(cè)具有更好的性能，它也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)，一些研究成果包括：空時(shí)均衡(切普 級(jí)+解擴(kuò)+解相關(guān)盲接收結(jié)構(gòu)；CMOE約束最小輸出能量多用戶檢測(cè)+ RAKE接收結(jié)構(gòu)；利用子空間進(jìn)行多用 戶信道盲估計(jì)的接收結(jié)構(gòu)；最優(yōu)空時(shí)多用戶檢測(cè)器，以及基于并行干擾消除的次最優(yōu)實(shí)現(xiàn)；綜合利用擴(kuò)頻碼 和噪聲子空間的盲多用戶接收機(jī)。由于它們使用不同的信號(hào)模型，且算法復(fù)雜，這里不作具體介紹。 4.3智能天線下行技術(shù) 體積、電池容量、價(jià)格等方面的限制使得智能天線在移動(dòng)臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)，所以這里只討論在基站處實(shí)現(xiàn)的

25、下行發(fā)智能天線。智能天線下行發(fā)技術(shù)相對(duì)較困難，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)發(fā)波束時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征 信息，而理想的天線工作模式應(yīng)與信道相匹配。為此一種方法是像IS - 95上行功控一樣，做成閉環(huán)測(cè)試結(jié) 構(gòu)，但它有以下缺點(diǎn)：浪費(fèi)寶貴的系統(tǒng)資源、附加時(shí)延、受上行信道干擾等。還有一種方法是利用上行信道 信息來估計(jì)下行信道，對(duì)于 TDD雙工方式，當(dāng)上、下行時(shí)間間隔小于信道的相干時(shí)間時(shí)，可以認(rèn)為上、下行 信道滿足互易 性，相應(yīng)地上行接收權(quán)可直接用于下行發(fā)；對(duì)于 FDD上、下行頻率間隔使得兩個(gè)信道經(jīng)歷的 衰落是不相干的，我們無法直接使用上行接收權(quán)或測(cè)量到的上行信道響應(yīng)，但由信號(hào)的傳播特性知上、下行 信道一般有

26、相同的波達(dá)角/波離角和時(shí)延，從而當(dāng)信道矩陣H的行數(shù)大于列 數(shù)時(shí)（陣元數(shù)大于信道記憶的符號(hào) 數(shù)，上、下行信道響應(yīng)矩陣有相同的列子空間，充分利用這一特性可提高下行處理的效率。 5智能天線技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 以下簡單介紹有關(guān)歐洲 RACE ACTS和1ST研究計(jì)劃中的智能天線專題的一些情況及進(jìn)展，有助于對(duì)智 能天線的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的了解。5 RACE TSUNAM項(xiàng)目 歐洲先進(jìn)通信研究計(jì)劃 RACE? 1994年1月到1995年12月期間設(shè)立TSUNAM項(xiàng)目。該項(xiàng) 目通過計(jì)算機(jī)仿真、多陣元傳輸測(cè)試和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證智能天線對(duì)擴(kuò)大覆蓋和減少時(shí)延擴(kuò)展的作 用，并檢驗(yàn)SFIR和SDMA概念的可行性。 RACE

27、TSUNAM項(xiàng)目完成了一個(gè)收/發(fā)智能天線試驗(yàn)床，其主要特點(diǎn)是：采用半波長間距的8陣 元均勻線陣；用TI的C40DSP在基帶實(shí)現(xiàn)波束成型；波束成型基于DOA古計(jì)，其中DOA估計(jì)用帶空 間Kalman濾波的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目驗(yàn)證了智能天線對(duì)減少時(shí)延擴(kuò)展和衰落的作用，在基于歐 洲無繩系統(tǒng)DECT空中接口的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，裝配有智能天線的基站對(duì)工作于同一時(shí)隙的且有一定角 度間隔的兩個(gè)移動(dòng)用戶進(jìn)行了成功跟蹤和解調(diào)。 ACTS TSUNAMI n 作為RACE中 TSUNAM項(xiàng)目的延續(xù)，歐洲先進(jìn)通信技術(shù)社會(huì)（ACTS計(jì)劃在1995年9月至1998年 6月間設(shè)立了 TSUNAMIn項(xiàng)目以顯示在第 3代系統(tǒng)

28、如UMTS使用智能天線的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。 該項(xiàng)目研究了諸如環(huán)境因素對(duì)天線性能的影響、陣列校正問題、幾種波束成型方案在DC S1800中的 性能、移動(dòng)跟蹤能力等問題，與UMTS直接相關(guān)的問題（如寬帶空時(shí)陣列信號(hào)處理方案等在該項(xiàng)目及 ACTS的 一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目 SUNBEAI中也有研究。 該項(xiàng)目共研究了如下幾種波束成型方法：采用最大比合并的多元分集合并方案，基于MU SIC算 法DOA古計(jì)的波束成型方法，波束柵格選擇法（在60的有效區(qū)域內(nèi)共形成 13個(gè)波束，相當(dāng)于波 束切換天線，最優(yōu)合并法等?，F(xiàn)場測(cè)試結(jié)果表明各方案的干擾抑制能力依賴于干擾信號(hào)特性，但在 大多數(shù)情況下，只要干擾信號(hào)和有用信號(hào)的到達(dá)方向

29、有以上差異就可獲得較明顯的信干比增益；基 于DOA古計(jì)的波束成型方法需進(jìn)行陣列校正，但陣列校正只可能周期性進(jìn)行，不可能完全理想，因 此會(huì)帶來至少1dB左右的性能損失；在多數(shù)實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)合并法的性能最好，但當(dāng)輸入信噪比較低時(shí) 增益很小，不如 MUSIC或波束柵格法穩(wěn)定。 ACTS AWACS 在ACTS計(jì)劃中設(shè)立了 ATM無線接入通信系統(tǒng)項(xiàng)目（AWACS時(shí)間為1996年9月到1998年6 月，其目的是支持和影響正在進(jìn)行的無線ATM標(biāo)準(zhǔn)，特別是 HIPERLAN4和 HIPERLINK規(guī)范。該項(xiàng) 目對(duì)媒體接入控制協(xié)議、無線ATM的移動(dòng)管理、40GHz載頻的特性、新的調(diào)制和編碼技術(shù)，以 及窄 波束天線

30、替代多載波和均衡技術(shù)的可行性等進(jìn)行了研究。有關(guān)天線部分的研究結(jié)果表明，窄波束天 線的運(yùn)用可大大減少均方根時(shí)延擴(kuò)展和獲得較大的萊斯因子（意味著減輕衰落，并使有效鏈路距離 大大增加，當(dāng)收發(fā)端均采用 15波寬天線時(shí)，在所試驗(yàn)的室內(nèi)環(huán)境中均方 根時(shí)延擴(kuò)展以接近100% 的概率小于20ns，對(duì)于34Mbit/s的QPSK調(diào)制，可只采用普通前向糾錯(cuò)碼，而無須使用多載波+均 衡技術(shù)。 IST計(jì)劃 歐委會(huì)在2000年1月啟動(dòng)的信息社會(huì)技術(shù)(1ST計(jì)劃中支持兩個(gè)新的研究項(xiàng)目：通用寬帶網(wǎng)中 的智能天線技術(shù)(SATURN和多元發(fā)送接收陣列(METRA前者主要研究多入多出陣列信 號(hào)處理在無線 局域網(wǎng)中的應(yīng)用，后者則側(cè)重研究面向WCDM的天線發(fā)分集技術(shù)。 6總結(jié) 目前，智能天線技術(shù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)問題之一，智能天線技術(shù)本身也在發(fā)展進(jìn)步，并不斷 地和其他信號(hào)與信息處理技術(shù)互相聯(lián)合，其包含的內(nèi)容是十分廣泛的。 參考文獻(xiàn) 1 L C