智能天線與抗干擾技術的研究

1、Oct. 2006, Volume 3, No.10 (Serial No.23 通訊和計算機 Journal of Communication and Computer, ISSN1548-7709, USA50智能天線與抗干擾技術的研究*吳慎山1，李希臣2，吳雪冰1(1. 河南師范大學物理與信息工程學院，新鄉(xiāng) 453007；2. 焦作大學現(xiàn)代教育技術中心，焦作 454003）摘 要：智能天線技術是第三代移動通信系統(tǒng)采用的抗干擾的關鍵技術之一。本文對智能天線技術抗干擾的作用原理進行了分析，就智能天線結合2D-RAKE 的性能進行了討論，指出了智能天線目前存在的問題，并對所能達到的目標進行了探

2、討。關鍵詞：移動通信；智能天線；抗干擾 *本文得到河南省自然科學基金（No. 0511015500）的資助。 【作者簡介】吳慎山（1949-），男，河南孟州人，教授，碩士生導師；研究方向：通信，電路與系統(tǒng)。 李希臣（1959-），男，河南焦作人，副教授；研究方向：信息與計算機技術。 吳雪冰（1980-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，助教；研究方向：通信技術。 1. 引 言 智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成。一般結構的智能天線只能完成空域處理，同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對要復雜些，每一個天線后面所接的加權器是一個延時抽頭加權網絡，由相加器合并輸出。自適應或智能的主要

3、含義是指這些加權系數(shù)可以根據(jù)自適應算法進行更新調整。智能天線的應用增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的容量和性能。2. 智能天線 2.1 智能天線的原理智能天線最初以自適應天線的形式被廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域。近二十年來，隨著移動通信的飛速發(fā)展，移動通信用戶增長，通信資源匱乏日益嚴重，通信容量不足、通信質量下降等成為亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多址干擾與多徑衰落的影響成為提高無線通信系統(tǒng)性能所要考慮的主要因素1,2。自20世紀80年代開始，即第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)開始，人們便開始探討如何利用自適應天線消除同信道干擾和多徑衰落的影響，及獲得多徑分集增益。到20世紀90年代初，這

4、一思路發(fā)展成為智能天線的概念。20世紀90年代末，隨著軟件無線電技術的發(fā)展，人們進一步提出了軟件天線的概念。近年來，由于數(shù)字信號處理技術的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術在基帶進行波束成形成為可能，由此代替了以往在射頻段利用模擬電路進行波束成形的方法，而且天線系統(tǒng)更加可靠和靈活。由于數(shù)字信號處理芯片的價格和性能，智能天線技術的研究開始從軍事領域向民用移動通信領域轉移，智能天線技術在移動通信中的應用研究迅速發(fā)展并顯示出了巨大的潛力3。智能天線的基本原理是：多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶。接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制；發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率

5、最大，同時能使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA ）、時分多址（TDMA ）和碼分多址（CDMA ），智能天線引入第4種多址方式：空分多址（SDMA ），即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。SDMA 是一種信道增容方式，與其51他多址方式完全兼容，可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空分碼分多址（SD-CDMA ）。智能天線的理論支撐是信號統(tǒng)計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術基礎是自適應天線和高分辨陣列信號處理4。2.2 智能天線的波束形成波束賦形的目

6、標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標，形成對基帶信號的最佳組合與分配。具體說，波束賦形的主要任務就是補償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應等引起的信號衰落與失真，同時降低用戶間的共信道干擾。智能天線均采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束形成，即數(shù)字波束形成（DBF ）天線，從而可以使用軟件設計完成自適應算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。3.3 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）。智能天線利用多個天線陣元的組合進行信號處理，以針對不同的信號環(huán)境達

7、到最優(yōu)性能。智能天線的空分多址（SDMA ）技術，主要包括兩個方面：空域濾波和使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA （Direction of Arrive），波達方向（DOA ）估計?？沼驗V波（也稱波束賦形）的主要思想是利用信號、干擾和噪聲在空間的分布，運用線性濾波技術盡可能地抑制干擾和噪聲，以獲得盡可能好的信號估計。智能天線通過自適應算法控制加權，自動調整天線的方向圖，在干擾方向形成零陷，抵消干擾信號，達到抑制干擾的目的。而在有用信號方向形成主波束，加權系數(shù)的自動調整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時也減少了小區(qū)間干擾。采用智能天線和上行同步技術后，可有效地提

8、高系統(tǒng)容量，從而明顯提高了頻譜利用率，也可有效地提高天線的增益。同時，由于智能天線可以采用多個小功率的線性功率放大器來代替單一的大功率放大器，而單一大功率線放大器的價格遠高于多個小功率線性放大器的價格，所以智能天線可大大降低基站的成本。智能天線帶來的另一好處是提高了設備的冗余度，因智能天線系統(tǒng)中8臺收發(fā)信機共同工作，任何一臺收發(fā)信機的損壞并不影響系統(tǒng)的基本工作特性4。智能天線的采用可大致定位用戶的方位和距離，因此，基站和基站控制器可采用接力切換方式，根據(jù)用戶的方位、距離信息來判斷手機用戶現(xiàn)在是否移動到了應該切換給另一基站的臨近區(qū)域，如果進入切換區(qū)，便可通過基站控制器通知另一基站做好切換的準備，

9、達到接力切換的目的。接力切換可提高切換的成功率，降低切換時對鄰近基站信道資源的占用。智能天線大大地提高了CDMA 系統(tǒng)的性能和覆蓋，可以在很大程度上降低干擾從而提高系統(tǒng)容量，成為第三代移動通信的關鍵技術之一。但在實際使用中，必須解決好智能天線帶來的各種問題，并盡量簡化系統(tǒng)的復雜性。第三代移動通信，以及后三代移動通信系統(tǒng)的提出是為了在提供話音服務的同時，也提供高質量的多媒體數(shù)據(jù)服務。高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的不斷增長，要求多用戶干擾的進一步減少從而提高移動通信系統(tǒng)的容量。同時，由于頻帶資源的限制，必須采用一些新的技術來提高頻帶利用率。智能天線就是能實現(xiàn)這個目標的技術之一。眾所周知，CDMA 無線通信系

10、統(tǒng)是一個干擾受限系統(tǒng)，多用戶干擾的存在嚴重影響了系統(tǒng)的性能，從而限制了系統(tǒng)中的用戶數(shù)。減小這種多用戶干擾或多徑干擾的一種方法就是小區(qū)的扇區(qū)化，但這并不能從根本上解決問題，但可以考慮使用智能天線來解決這一問題5。在無線通信系統(tǒng)中，若在基站端采用了多（N ）天線接收技術，則基站所接收到的信號是各天線單元和對應的接收機接收到的信號之和。在進一步對多天線的接收信號處理時如果采用最大比合并，在沒有多徑的情況下，總的接收信號將增加10lg N dB, N 為天線數(shù)量。如果存在多徑，則接收效果會隨著多徑傳播條件和波束賦形算法而改變，但即便如此，接收信號的增益也應該比單天線接收大的多。3. 智能天線技術的抗干

11、擾作用52 3.1 2D-RAKE 接收機原理智能天線抑制干擾的能力在多數(shù)情況下受天線陣元個數(shù)的限制，且當感興趣信號存在多個非相關多徑時，陣列只保留其中的一路信號，而把零陷對準其它信號，這樣，陣列能夠減小由非相關多徑帶來的干擾，但未能發(fā)揮路徑分集的優(yōu)勢，因而是次最優(yōu)的。為此，聯(lián)合時域和空域處理的接收技術成為研究的熱點6。自適應陣列天線主要是由天線陣、波束形成網絡和自適應處理器三部分組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它通過自適應算法控制加權，自動調整天線的方向圖。加權系數(shù)的自動調整就是波束的形成過程。在自適應天線陣中最重要的就是波束形成算法，常用的波束形成算法有三類：一是傳統(tǒng)的基于波到達方向（DOA ）估

12、計的算法，如MUSIC 算法和ESPRIT 算法，但在CDMA 系統(tǒng)中小區(qū)內的用戶數(shù)遠大于天線陣元數(shù)，這種算法在實際中無法應用；二是利用參考信號或訓練序列來形成最優(yōu)波束；還有一類是盲波束形成技術5。當信道存在多徑時延擴展，且時延大于一個碼片周期時，這些多徑信號既是多徑干擾，又是一些有價值的分集源，由此產生了2D-RAKE 接收機。目前2D-RAKE 接收機討論最多的是應用在WCDMA 上行鏈路7。空時RAKE 接收機首先對存在角度擴展的多個路徑分量進行波束成型，以降低DOA 可分辨的其它用戶信號產生的多址干擾或期望信號的非相關多徑分量，然后將經過空間濾波后的信號送入RAKE 合并器，以充分利用

13、延遲可分辨的期望信號的多個路徑的能量。空間波束形成旨在衰減干擾信號，而時間多徑合并旨在利用有用信號。與時域和空域一維干擾抑制不同的是，空時二維干擾抑制不再使用強迫置零條件，而是考慮噪聲的存在，使用優(yōu)化準則。空時處理有名的優(yōu)化準則有兩個，一個是空時最小均方誤差準則，另外一個是空時最大似然準則（習慣上稱作最大似然序列估計MLSE 準則）7。 3.2 智能天線技術的抗干擾作用在傳統(tǒng)RAKE 接收機前引入自適應陣列天線的空時2D-RAKE 接收機，能夠有效的抑制不同方向的MAI 并對抗多徑衰落，成為適應第三代系統(tǒng)要求的重要技術。智能天線在移動通信中的工作方式一般有兩種：自適應方式和多波束方式。前者是利

14、用陣列流形采用計算方法綜合出特定形狀的波束；后者就是采用某種準則（綜合方法和自適應方法兩種）形成波束，對不斷變化的環(huán)境做出響應。近年來，人們提出了一種新的時空二維的RAKE 接收機。到達接收機的各多徑分量不僅有不同的時延和衰耗，而且有不同的方向，即各多徑分量有不同的信道矢量。采用單天線的接收機無法利用接收信號的空間結構，而采用自適應陣列天線（智能天線），通過增加一個新的空間維數(shù)使得分離具有不同的陣列響應矢量的多徑信號成為可能。以上僅考慮了單用戶的情況，在多用戶環(huán)境下，利用智能天線的波束形成器，將波束指向有用信號方向，能夠有效地減少干擾源的數(shù)量，抑制多址干擾，同時也有效減輕了由于擴頻碼互相關特性

15、不理想所造成的遠近效應的影響。也可進一步在RAKE 接收機后附加多用戶檢測技術，如最佳的最大似然序列檢測，以及次最佳的解相關檢測，最小均方誤差（MMSE ）檢測和判決反饋檢測等等。4. 結 論可以看出，智能天線對無線通信系統(tǒng)的性能改善大有裨益。但在另一方面，智能天線也帶來了很多問題，在實際應用中，必須揚長避短，在產品和系統(tǒng)的設計上解決好這些問題。在移動通信系統(tǒng)中，自適應智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，但用戶在處于空閑狀態(tài)的時候，不會向基站發(fā)射上行信號，基站就不可能知道該用戶的方位，這時只能使用全向波束進行發(fā)射（如導頻、同步、尋呼等信道）。同時一個全向覆蓋的基站，其不同碼信道又會采用

16、不同的定向波束發(fā)射，所以基站必須提供全向和定向的賦形波束。對全信道而言，將要求高得多的發(fā)射功率。這也是系統(tǒng)設計時必須考慮的。目前，智能天線算法的復雜性使其在系統(tǒng)中實現(xiàn)存在著一定的問題。在實際的應用中，智能天線技術不能解決時延超過一個碼片的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應造成的信道惡化。所以，在多徑嚴重的高速移動環(huán)境中，必須將智能天53線和其它抗干擾的數(shù)字信號處理技術結合使用，才可能有更好的效果。目前智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結合已有實用算法，而和Rake 接收機的結合算法還在研究中。而另一方面，這些過于復雜的結合算法在實際接收機中如何應用、效果如何都是有待研究的問題2。國際研究領域已

17、將智能天線作為第三代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。同時對智能天線基站的開發(fā)也在緊鑼密鼓的進行。相信在未來的3G 以及beyond 3G中，智能天線能為我們提供一個領先的技術平臺，推動移動通信的不斷發(fā)展。參考文獻：1 吳慎山，張玉中，吳東芳 電子定向技術的研究河南師范大學學報（自然科學版），2003（1）：43-46. 2 吳慎山，龔慶. 軟件無線電系統(tǒng)的研究. 通訊和計算機，ISSN1548-7709, Vol. 2, No. 8, 2005: 78-81.3 Lal C.Godora.(1997. Application of Antenna Arrays toMobile Communica

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