移動通信中的智能天線技術5頁

1、移動通信中的智能天線技術【摘要】對現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中采用的智能天線技術進行了研究。介紹了智能天線技術的概念；闡述了智能天線的工作原理，基本結構，應用技術和類型；列舉了智能天線技術采用算法，并重點說明了現(xiàn)今智能天線技術采用較多的幾種自適應算法；同時，還敘述了智能天線在TD-SCDMA 中的應用,以及未來的發(fā)展前景。一、 概述智能天線又稱為自適應天線陣列，興起于20世紀60年代。智能天線技術的核心是陣列信號處理，早期應用集中于雷達和聲納檢測領域，70年代后期被引入軍事通信，而應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通信中的自適應天線陣列。在移動通信中引入智能天線技術的

2、目的是為了充分利用空域資源，提高系統(tǒng)的性能和容量。移動通信中信道傳輸條件較惡劣，信號在到達接收端前會經(jīng)歷衰減、衰落和時延擴展，另外還有來自其他用戶的干擾，它們是限制系統(tǒng)通信質量和容量的重要因素。為了對抗這些影響，在第2代系統(tǒng)中廣泛采用了諸如調制、信道編碼、均衡（TDMA系統(tǒng)）、RAKE接收（CDMA系統(tǒng)）等時頻域信號處理技術，以及分集天線、扇形天線等簡單空間處理技術，在發(fā)揮各自功效的同時，它們有共同的不足，即無法對空域資源進行有效利用。理論研究和實測結果均表明，有用信號、其延時樣本和干擾信號往往具有不同的DOA（波達角）和空間信號結構，利用這一空域信息可以使我們獲得附加的信號處理自由度，從而能

3、更有效地對抗衰落和抑制干擾。為了滿足人們不斷增長的對移動通信質量和容量的要求，越來越多的研究者和工程技術人員將目光投向智能天線技術。在移動通信中引入智能天線技術后，可以起到空域濾波作用：在用戶信號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，提高信號噪聲干擾比，進而提高系統(tǒng)性能和容量。二、 智能天線的工作原理 移動通信系統(tǒng)中采用的智能天線技術在工作時引入了空分多址的概念，利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶。系統(tǒng)通過調整天線陣列中各個天線單元上的可編程器件，來改變各個天線單元的權值，從而將天線用于接收信號的波束導向具體某一方向，產(chǎn)生定向的空間波束，產(chǎn)生的天線波束的主波束對準期望信

4、號方向，旁瓣或零陷對準干擾信號，有效地接收了期望信號，并消除了干擾；智能天線系統(tǒng)還利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術，在同一信道上實現(xiàn)了接收和發(fā)送多個移動用戶信號，而互不干擾的效果，使不同的移動用戶可以使用同一段頻譜資源，實現(xiàn)了資源共享。三、 智能天線結構智能天線系統(tǒng)在結構上已經(jīng)形成了模塊化設計，大體分為天線陣列，模/數(shù)或者數(shù)/模轉換，自適應處理，波束成型網(wǎng)絡等四大部分。其中天線陣列用于在接收或發(fā)送模擬信號時形成期望的波束，主要分為線陣，面陣，圓陣，三角陣，不規(guī)則陣和隨機陣等；模/數(shù)或數(shù)/模轉換部分在接收信號時將模擬信號轉換成數(shù)字信號，在發(fā)送信號時將數(shù)字信號轉換成模擬信號；

5、自適應處理部分根據(jù)自適應算法和波達角估計算法來產(chǎn)生期望的權值；波束成型網(wǎng)絡部分通過得出的權值對各個天線陣元進行動態(tài)自適應加權處理，并利用天線陳列產(chǎn)生期望的自適應波束。四、 智能天線的應用技術 按照技術方向劃分，智能天線的技術主要可以分為智能天線的接收部分技術，發(fā)送部分技術，以及動態(tài)信道分配技術等三方面技術。其中智能天線的接收技術應用于移動通信中接收上行鏈路傳輸?shù)囊苿佑脩粜盘柕倪^程，通過采用信道估計和均衡技術抵抗在同一信道接收的不同用戶間的多址干擾和碼間串擾，分離出各個移動用戶，接收的同時，為了給系統(tǒng)發(fā)送信息提供相關參數(shù)，還需要估計出反映用戶空間位置信息的參量；發(fā)送部分技術，是系統(tǒng)利用下行鏈路發(fā)

6、送移動用戶信號的過程中使用的技術，主要是通過動態(tài)控制發(fā)射信號功率實現(xiàn)的，保證每個用戶只接收系統(tǒng)發(fā)給它的下行信號，不受同一信道中系統(tǒng)發(fā)送的其他用戶信號的干擾，減少其他移動用戶對該用戶的干擾；動態(tài)信道分配技術則是通過空分信道與時分信道、頻分信道、碼分信道以及切換技術相結合方式，保障通信質量，有效利用信道資源。五、 智能天線的類型 在智能天線的應用過程中，系統(tǒng)的波束形成方案按照形成的波束的方向圖是否是固定不變，將對應兩種不同的工作方式，各個工作方式對應的智能天線分別稱為多波束切換智能天線和自適應智能天線。其中多波束切換的智能天線采用固定的，預定義，有限數(shù)目的波束，每個波束的指向是固定的方向，波束寬度

7、也隨天線陣元的數(shù)目而確定，在同一信道采用不同波束給不同用戶發(fā)送信號，接收時從預定義的波束選擇進行接收，其工作波束圖如圖所示。多波束切換的智能天線，接收的用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束的智能天線，雖然實現(xiàn)較為簡單，已為許多工程使用，但其在理論上并不是最佳接收。自適應的智能天線采用自適應算法進行處理，其工作原理主要使用反饋控制的方法，改變天線陣列中各個天線單元的權值，從而改變天線陣元形成的波束方向圖：將接收的方向圖主瓣對準信號接收方向，副瓣，零陷對準干擾方向，從而接收有用信號，抑制干擾信號，提高了系統(tǒng)工作的信噪比，其工作波束圖如圖所

8、示。自適應智能天線的接收是最佳接收，經(jīng)實驗論證，在沒有多徑干擾和角度擴展的情況下，其誤碼率為零。在現(xiàn)在應用中自適應智能天線雖然在理論上可實現(xiàn)最佳接收，但當接收移動用戶超過智能天線系統(tǒng)的容量，多頸干擾嚴重時，仍很難識別用戶信息，而自適應智能天線通過自適應算法自動調整接收天線方向圖，雖然可以達到理論上的最佳接收效果，但因為自適應智能天線需要通過自適應算法進行大量計算，因此對實時性較差，在實際應用中較少使用，但它是理術現(xiàn)在和未來主要的發(fā)展方向。六、 智能天線的算法 由于自適應智能天線系統(tǒng)的核心是其使用的波束形成算法，因此對自適應智能天線的波束形成算法的研究在使用智能天線技術的現(xiàn)代通信中占有重要地位。

9、通過對波束形成算法的研究并對其加以改進，是未來改進自適應智能天線，以使其成為在實際中大規(guī)模應用主要措施之一。智能天線的波束形成算法統(tǒng)計的最優(yōu)波束形成方案主要有SNR、LCMV 和MMSE 三種。其中SNR 方案要求在系統(tǒng)陣列的輸出端使期望信號分量功率與噪聲分量功率之比最大；LCMV 方案基于在某個線性約束的條件下，使陣列輸出的方差最小的原理工作；MMSE 方案則要求滿足陣列輸出與期望響應之差最小化的條件。以上三種方案都是基于使代價函數(shù)最小，從而使陣列輸出端的信號質量最優(yōu)原理，求出各個方案下權值的計算公式，從而得出期望波束，實現(xiàn)自適應調整。其中MMSE 準則較多采用，由該準則推導出的許多自適應算

10、法在實際中得到很多應用。MMSE 方案主要分為兩種準則：a)LS 算法準則。被稱為最小二乘算法，基于時間平均進行統(tǒng)計運算。LS 算法是在有限數(shù)目的時間采樣上使陣列輸出和期望響應間的差值最小。在LS 算法中代價函數(shù)為：Jwk=m=0P-1wkHum-dk,m2通過計算得，LMS 算法使Jwk最小的得到的wk為wk=AhAAHdkb)MMSE 算法準則。被稱為最小均方差算法，基于集平均進行統(tǒng)計運算。MMSE 算法從集平均的角度考慮，計算出一個權向量，在穩(wěn)態(tài)的所有可能實現(xiàn)的集合中是最優(yōu)的。在MMSE 算法中代價函數(shù)為：Jwk=EwkHui-dk,i2通過計算得，MMSE 算法使Jwk最小的得到的wk

11、為：wk=R-1p智能天線的三種最優(yōu)波束形成方案雖然是系統(tǒng)的最優(yōu)波束形成方式，但需要求解正規(guī)方程，為其在移動通信系統(tǒng)普及應用造成了困難，因為權向量必須隨著移動環(huán)境進行周期性自適應調整，而每次調整的權向量值照原值僅有很小變化，但每次求解正規(guī)方程得出權向量計算量很大；同時，估計的權向量數(shù)據(jù)可能會受到噪聲污染，需要對權向量進行更新，以平滑對最優(yōu)響應的估計，減少噪聲影響，因此在實際應用中自適應智能天線系統(tǒng)大多采用自適應算法進行周期更新權向量，進行周期處理。智能天線的自適應算法，主要分為盲算法、非盲算法、半盲算法三種。其中非盲自適應算法需要系統(tǒng)提供訓練序列，包含處理信號的相關信息參數(shù)，通過這些參數(shù)來進行

12、自適應處理，根據(jù)接收到的訓練序列可以確定信道響應，并通過一定的準則得出天線單元權值，從而改變智能天線的波束方向圖，提高了系統(tǒng)信噪比，減少出現(xiàn)誤差幾率?，F(xiàn)在主要有：LMS 自適應算法和RLS 自適應算法等；而盲自適應算法不需要提供訓練序列，通過與具體承載信息比特無關的一些特征對接收信號的某些特性進行恢復而進行自適應的，主要有恒模算法，最小二乘恒模算法，Bussgang 算法等；而半盲算法則是綜合了盲算法和非盲算法特點，先用非盲算法確定初始的權值，然后再用盲算法進行跟蹤和調整，從而完成自適應處理。三種智能天線的自適應算法都有相應的優(yōu)缺點，非盲算法實現(xiàn)比較簡單，但需要參考信號，額外占用了相應的頻譜資

13、源；盲自適應算法不需要參考信號，不額外占用頻帶資源，但它們需要計算的數(shù)據(jù)量比較大，且容易受到強干擾的影響。非盲自適應算法綜合了盲自適應算法和非盲自適應算法優(yōu)點，但實現(xiàn)起來比較復雜。實際應用中主要采用的盲自適應算法和非盲自適應算法，再配以波束方向角估計進行工作。計算權值的所采用的自適應算法都是基于某個方向性進行工作的，為了確定接收到的信號的方向，以及判斷接收到的是否是處理范圍的方向的信號，需要使用DOA算法對接收到的所有信號進行估計，確定信號的方向，處理范圍內接收信號的數(shù)目，信號的協(xié)方差矩陣等信息。智能天線基于陣列的DOA估計算法主要分為四大類：傳統(tǒng)法、子空間法、最大似然法、將特性恢復法和子空間

14、法結合的綜合法。其中傳統(tǒng)法需要大量的陣元才能獲得高分辨率，子空間法利用輸入數(shù)據(jù)矩陣的特征結構實現(xiàn)，是高分辨率的次最優(yōu)算法；最大似然法通過大計算量可以得到最佳估計值，即使在信噪比很低的情況下也可以得到相應估計值，而綜合法利用特性恢復方案區(qū)分多個信號，估計空間特征，進而采用子完成智能天線系統(tǒng)定位和下行波束形成的功能，從而提高智能天線系統(tǒng)的分辨率。七、 智能天線在TD-SCDMA中的應用智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣, 陣元間距1 /2波長(若陣元間距過大會使接收信號彼此相關程度降低, 太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣, 故一般取半波長)。智能天線采用數(shù)字信號處理技術判斷用戶信號到達方

15、向(即DO A估計) , 并在此方向形成天線主波束, 他根據(jù)用戶信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道,等同于有線傳輸時的線纜,從而可以有效的抑制干擾?？紤]到軟件無線電系統(tǒng)要求在中頻進行采樣, 然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計算表明, 即使采用最快的器件, 在DSP上用軟件實現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實的, 因為DSP只能完成基帶處理的功能。一個比較實用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來完成高速的濾波和處理, 以減輕DSP的壓力。由于實時處理時對處理速度的需求很高, 僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點DSP將片間并行

16、功能集成在單片DSP內部, 可以獲得很高的并行處理能力和并行效率, 因此在實際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來提高處理能力。理論上, N 個DSP并行可以提供N倍的處理能力, 但在實際系統(tǒng)中必須在算法設計上付出很大的代價。一個好的算法應該能夠盡量并行而且適合多個DSP同時實現(xiàn), 同時還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應盡可能少和盡可能快。智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線, 通過一組帶有可編程電子相位關系的固定天線單元獲取方向性, 并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。TD SCDM A智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性(無線環(huán)境和傳輸條件相同) 而獲得的。此外

17、, 智能天線可減少小區(qū)間干擾也可減少小區(qū)內干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。具體而言, TD SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的,直徑為25 cm。同全方向天線相比, 他可獲得8 dB的增益。其原理是使一組天線和對應的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵, 利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖, 使用DSP方法使主瓣自適應地指向移動臺方向, 就可達到提高信號的載干比, 降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復用, 使頻譜效率得以顯著地提高。由于每個用戶在小區(qū)內的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性, 另一方面則要求在每一獨立的方向上, 系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP控制用戶的方向測量使上述要求可以實現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量, 在TD SCDM A系統(tǒng)中,由于無線子幀的長度是5 ms, 則至少每秒可測量200次, 每個用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向, 通過智能天線的方向性和跟蹤性, 可獲得其最佳的性能。TDD模式的TD SCDM A的進一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的,使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低,從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。通過智能天線獲得的較高的頻譜利用率, 使高業(yè)務密度城市和城區(qū)所要