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文檔簡(jiǎn)介
1、智能天線原名自適應(yīng)天線陣列(AAA,Adaptive Antenna Array),最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事方面,主要用來完成空間濾波和定位,大家熟悉的相控陣?yán)走_(dá)就是一種較簡(jiǎn)單的自適應(yīng)天線陣。移動(dòng)通信研究者給應(yīng)用于移動(dòng)通信的自適應(yīng)天線陣起了一個(gè)較吸引人的名字:智能天線,英文名為smart antenna或intelligent antenna。1基本結(jié)構(gòu)顧名思義自適應(yīng)天線陣由多個(gè)天線單元組成,每一個(gè)天線后接一個(gè)加權(quán)器(即乘以某一個(gè)系數(shù),這個(gè)系數(shù)通常是復(fù)數(shù),既調(diào)節(jié)幅度又調(diào)節(jié)相位,而在相控陣?yán)走_(dá)中只有相位可調(diào)),最后用相加器進(jìn)行合并。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理,同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力
2、的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜些,每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)(結(jié)構(gòu)上與時(shí)域FIR均衡器相同)。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以恰當(dāng)改變、自適應(yīng)調(diào)整。上面介紹的其實(shí)是智能天線用作接收天線時(shí)的結(jié)構(gòu),當(dāng)用它進(jìn)行發(fā)射時(shí)結(jié)構(gòu)稍有變化,加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前,也沒有相加合并器。2工作原理假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件,即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒有幅度變化,這些相位差異由入射信號(hào)到達(dá)各天線所走路線的長(zhǎng)度差決定。若入射信號(hào)為平面波(只有一個(gè)入射方向),則這些相位差由載波波長(zhǎng)、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值,一定的入射信號(hào)強(qiáng)度,不同入射角度的信號(hào)由于在天線
3、間的相位差不同,合并器后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。以入射角為橫坐標(biāo),對(duì)應(yīng)的智能天線輸出增益(dB)為縱坐標(biāo)所作的圖被稱為方向圖(天線術(shù)語),智能天線的方向圖不同于全向(omni-)天線(理想時(shí)為一直線),而更接近方向(directional)天線的方向圖,即有主瓣(main lobe)、副瓣(side lobe)等,但相比而言智能天線通常有較窄的主瓣,較靈活的主、副瓣大小、位置關(guān)系,和較大的天線增益(天線術(shù)語,天線的一項(xiàng)重要指標(biāo),是最強(qiáng)方向的增益與各方向平均增益之比),另外和固定天線的最大區(qū)別是:不同的權(quán)值通常對(duì)應(yīng)不同的方向圖,我們可以通過改變權(quán)值來選擇合適的方向圖,即天線模式(antenna
4、pattern)。下面來解釋一下何謂合適的方向圖,為了最大限度地放大有用信號(hào)、抑制干擾信號(hào),最直觀的是我們可以將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的入射方向,而將方向圖中的最低增益點(diǎn)(被稱之為零陷)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向。當(dāng)然這只是理想情況,實(shí)際的無線通信環(huán)境是很復(fù)雜的,干擾信號(hào)很多、存在多徑傳輸、天線陣元數(shù)不會(huì)很多(有限的自由度)、有用信號(hào)與干擾信號(hào)在入射方向上差異可能不大等都使前面的方案并不可行,但追求最大信干噪比SINR依然是最終目標(biāo)。智能天線的實(shí)際工作原理要比上面介紹的復(fù)雜,特別是當(dāng)進(jìn)行空、時(shí)聯(lián)合處理時(shí),這時(shí)最好是從信號(hào)處理、特別是自適應(yīng)濾波角度解釋,由于這需要較強(qiáng)的理論性、專業(yè)性背景知識(shí),這里不作介紹。3用
5、途移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣,多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間串?dāng)_ISI(Inter-Symbol Interference)、FDMA TDMA系統(tǒng)(如GSM)由于頻率復(fù)用引入的同信道干擾(CCI,Co-Channel Interference)、CDMA系統(tǒng)中的MAI(Multiple Access Interference)等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降,我們熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收、信道編譯碼技術(shù)等都是為了對(duì)抗或者減小它們的影響。這些技術(shù)實(shí)際利用的都是時(shí)、頻域信息,而實(shí)際上有用信號(hào)、其時(shí)延樣本(delay version)和干擾信號(hào)在時(shí)、頻域存在差異的同時(shí),在空域(入射角DOA
6、,Direction Of Arrival)也存在差異,分集天線(antenna diversity)、特別是扇形天線(sector antenna)可看作是對(duì)這部分資源的初步利用,而要更充分地利用它只有采用智能天線技術(shù)。智能天線是一種升縮性較好的技術(shù)。在移動(dòng)通信發(fā)展的早期,運(yùn)營(yíng)商為節(jié)約投資,總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域,這就意味著用戶的信號(hào)在到達(dá)BTS(基站收發(fā)信設(shè)備)前可能經(jīng)歷了較長(zhǎng)的傳播路徑,有較大的路徑損耗(path loss),為使接收到的有用信號(hào)不至于低于門限,要么增加移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率、要么增加基站天線的接收增益,由于移動(dòng)臺(tái)(特別是手機(jī))的發(fā)射功率通常是有限的,真正可
7、行的是增加天線增益,相對(duì)而言用智能天線實(shí)現(xiàn)較大增益比用單天線容易。而在移動(dòng)通信發(fā)展的中、晚期,為擴(kuò)大系統(tǒng)容量、支持更多用戶,需要收縮小區(qū)范圍、降低頻率復(fù)用系數(shù)提高頻率利用率,通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇區(qū)化,隨之而來的是干擾增加,原來被距離(其實(shí)是借助路徑損耗)有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線,借助有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射角度上的差異,選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值,形成正確的天線接收模式,即將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào),低增益副瓣對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào),從而可更有效地抑制干擾,更大比例地降低頻率復(fù)用因子(比如在GSM中使復(fù)用因子3成為可能),和同時(shí)支持更多用戶(CDMA中)。從某種角度我們可將
8、智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。智能天線的又一個(gè)好處是可減小多徑效應(yīng),CDMA中利用RAKE接收機(jī)可對(duì)時(shí)延差大于一個(gè)碼片的多徑進(jìn)行分離和相干合并,而借助智能天線可以對(duì)時(shí)延不可分但角度可分的多徑進(jìn)行進(jìn)一步分離,從而更有效減小多徑效應(yīng)。采用智能天線技術(shù)的主要目的是為了更有效地對(duì)抗移動(dòng)通信信道,而時(shí)分、碼分多址系統(tǒng)的信道傳輸環(huán)境從本質(zhì)上講是一樣的,所以除了具體算法上的差異外,智能天線可廣泛應(yīng)用于各種時(shí)分、碼分多址系統(tǒng),包括已商用的第二代系統(tǒng),即是一種廣泛適用的系統(tǒng)。智能天線另一個(gè)可能的用途是進(jìn)行緊急呼叫定位,并提供更高的定位精度,因?yàn)樵讷@得可用于定位的時(shí)延、強(qiáng)度等信息的同時(shí),它還可獲得波達(dá)
9、角信息。4主要的研究?jī)?nèi)容智能天線的研究?jī)?nèi)容可以按它在移動(dòng)通信中所扮演的角色來劃分,移動(dòng)臺(tái)(特別是手機(jī))在體積、電源上的限制使智能天線在移動(dòng)臺(tái)難于實(shí)現(xiàn)(一個(gè)例外是WLL無線本地環(huán)系統(tǒng)),所以目前主要研究的是在基站端的智能天線收與發(fā),即上行收與下行發(fā)。要實(shí)現(xiàn)智能天線的下行發(fā)相對(duì)較困難,這是因?yàn)橹悄芴炀€在設(shè)計(jì)發(fā)波束(transmitting beamforming)時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息(特別是主要傳播路徑的出射角度),而理想的天線工作模式應(yīng)是與信道相匹配的。一種方法是象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
10、利用上行信道信息來估計(jì)下行信道,在TDD(時(shí)分雙工)系統(tǒng)中這顯然行得通,這也是中國(guó)提交的TD-SCDMA第三代建議(TDD方式)得到較多注意的主要原因。但在FDD(頻分雙工)系統(tǒng)中情況卻并非如此,由于上、下行信道使用的是不同頻率(第三代系統(tǒng)相對(duì)第二代有更大的上、下行頻差),上、下行信道的相關(guān)性是很弱的,很多參數(shù)并不相同,目前較多研究者相信的是上、下行信道主要傳播路徑的入射、出射角基本相同,所以我們只可能獲得下行信道的部分信息,所形成的發(fā)波束也絕不會(huì)是最優(yōu)的。下行信道包括控制信道和業(yè)務(wù)信道,控制信道由于是大家共用的,應(yīng)該形成寬波束,而對(duì)應(yīng)各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)信道則應(yīng)用窄波束傳送,也就是說它們有不同的加
11、權(quán)系數(shù),這樣控制信道(如導(dǎo)頻信道)和業(yè)務(wù)信道實(shí)際經(jīng)歷了不同的傳輸環(huán)境,會(huì)有不同的衰落,而移動(dòng)臺(tái)在做下行接收時(shí)通常利用導(dǎo)頻信道來估計(jì)信道的幅度和相位畸變,以對(duì)業(yè)務(wù)信道進(jìn)行相干接收,但這建立在兩個(gè)信道有相同傳輸環(huán)境基礎(chǔ)上,顯然前者并不滿足這一條件,而非相干接收相對(duì)相干接收有較大的信噪比損失。一些建議(比如cdma-2000)已考慮這一點(diǎn),下行信道還有輔助導(dǎo)頻信道(auxiliary pilot channel),可將它也以窄波束發(fā)送,但由于數(shù)目有限,更為可行的是將它分配給一群用戶(此時(shí)形成的波束也應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)這群用戶,這可能發(fā)生在熱點(diǎn)地區(qū)和基于激活用戶數(shù)較多時(shí)進(jìn)行的智能扇區(qū)化中)或某一要求鏈路質(zhì)量較高
12、的用戶(如向他傳送高速數(shù)據(jù)時(shí))。用智能天線實(shí)現(xiàn)下行發(fā)面臨的另一難題是由于加權(quán)是在天線前端進(jìn)行的(實(shí)際中多在基帶或中頻實(shí)現(xiàn),因更容易更靈活),后級(jí)的濾波器、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、混頻器、天線陣元(各路的)特性變化必然使形成的發(fā)波束發(fā)生變化,而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來調(diào)整加權(quán)系數(shù)以抵消這種變化,一種可行但并不是很好的方法是周期性地對(duì)后級(jí)特性進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。由于目前智能天線技術(shù)并不很成熟,第三代移動(dòng)通信的各種后選方案除了中國(guó)的TD-SCDMA外都只將智能天線作為可選技術(shù),沒有寫入具體建議中,第二代系統(tǒng)也普遍未采用智能天線技術(shù),智能天線作上行收時(shí)由于對(duì)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)并未提出新的要求,很容易將其作
13、為全向天線、扇型天線的升級(jí)版本用于已有基站系統(tǒng),但當(dāng)智能天線用于下行發(fā)時(shí),通常會(huì)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的收也提出新要求,牽涉面大,靈活性較小。目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)(主要是窄帶CDMA系統(tǒng))存在下行容量超過上行的現(xiàn)象,即使考慮軟切換的損失情況依然如此,從表面看提高上行容量是當(dāng)務(wù)之急,但在第三代系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)更可能出現(xiàn)在下行信道中,考慮到這種非對(duì)稱需求,以后的瓶頸可能是下行,所以雖然存在上述的種種困難,研究智能天線的下行發(fā)依然是很必要和很迫切的。TDD方式下的下行發(fā)和上行收處理差別不大,這里不單獨(dú)論述。智能天線的上行收技術(shù)相對(duì)成熟些,自適應(yīng)天線陣最早引入移動(dòng)通信的目的也是為了改善上行信道的質(zhì)量和容量。
14、智能天線上行收主要有兩種方式:全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式,理論工作者對(duì)前者較感興趣,工程技術(shù)人員則更青睞于后者。在自適應(yīng)方式中,對(duì)應(yīng)空域或空、時(shí)域處理的各權(quán)值可依據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行任意調(diào)整,以對(duì)當(dāng)前的傳輸環(huán)境進(jìn)行最大可能匹配,相應(yīng)的智能天線接收波束可以是任意指向的。而在切換波束中各權(quán)值只能從預(yù)先計(jì)算好的幾組值中挑選,某一時(shí)刻的智能天線工作模式只能從預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾個(gè)波束中選擇,不是任意指向的,因而只可能對(duì)當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配,從理論角度講不是最優(yōu)的。全自適應(yīng)智能天線研究的核心是自適應(yīng)算法,目前已提出很多著名算法,概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號(hào)(
15、導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道)的算法,此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么,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(比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則zero forcing)確定各加權(quán)值,要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整勸值,以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān),常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào),判決反饋算法(Decision Feedback)是一類較特殊的盲算法,收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理,但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。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
16、,如恒模CM、子空間Subspace、有限符號(hào)集Finite Alphabet、循環(huán)平穩(wěn)Cycle-stationary等,并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性,常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非盲算法相對(duì)盲算法而言,通常誤差較小,收斂速度也較快,但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源,將二者結(jié)合的有一種半盲算法,即先用非盲算法確定初始權(quán)值,再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整,這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點(diǎn),一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的,因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻符不會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu),但相對(duì)而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量、計(jì)算量大,信道模型簡(jiǎn)單,收斂速度較慢,在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤收斂等缺點(diǎn),實(shí)際信道條件下當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重、特別是信道快速時(shí)變時(shí),很難對(duì)某一用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。正是在這一背景下,基于預(yù)多波束的切換波束工作方式被提出。此時(shí)全空域(各種可能的入射角)被一些預(yù)先計(jì)算好的波束分割覆蓋,各組權(quán)
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