移動(dòng)通信中的智能天線(xiàn)技術(shù)

1、移動(dòng)通信中的智能天線(xiàn)技術(shù)【摘要】對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用的智能天線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。介紹了智能天線(xiàn)技術(shù)的概念；闡述了智能天線(xiàn)的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用技術(shù)和類(lèi)型；列舉了智能天線(xiàn)技術(shù)采用算法，并重點(diǎn)說(shuō)明了現(xiàn)今智能天線(xiàn)技術(shù)采用較多的幾種自適應(yīng)算法；同時(shí)，還敘述了智能天線(xiàn)在TD-SCDMA 中的應(yīng)用,以及未來(lái)的發(fā)展前景。一、 概述智能天線(xiàn)又稱(chēng)為自適應(yīng)天線(xiàn)陣列，興起于20世紀(jì)60年代。智能天線(xiàn)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(xiàn)是專(zhuān)指用于移動(dòng)通信中的自適應(yīng)天線(xiàn)陣列。在移動(dòng)通信中引入智能天線(xiàn)技術(shù)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(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(lái)自其他用戶(hù)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（TDMA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(xiàn)、扇形天線(xiàn)等簡(jiǎn)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(wú)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

3、更有效地對(duì)抗衰落和抑制干擾。為了滿(mǎn)足人們不斷增長(zhǎng)的對(duì)移動(dòng)通信質(zhì)量和容量的要求，越來(lái)越多的研究者和工程技術(shù)人員將目光投向智能天線(xiàn)技術(shù)。在移動(dòng)通信中引入智能天線(xiàn)技術(shù)后，可以起到空域?yàn)V波作用：在用戶(hù)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。二、 智能天線(xiàn)的工作原理 移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用的智能天線(xiàn)技術(shù)在工作時(shí)引入了空分多址的概念，利用用戶(hù)空間位置的不同來(lái)區(qū)分用戶(hù)。系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)陣列中各個(gè)天線(xiàn)單元上的可編程器件，來(lái)改變各個(gè)天線(xiàn)單元的權(quán)值，從而將天線(xiàn)用于接收信號(hào)的波束導(dǎo)向具體某一方向，產(chǎn)生定向的空間波束，產(chǎn)生的天線(xiàn)波束的主波束對(duì)準(zhǔn)期望信

4、號(hào)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，有效地接收了期望信號(hào)，并消除了干擾；智能天線(xiàn)系統(tǒng)還利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)，在同一信道上實(shí)現(xiàn)了接收和發(fā)送多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)，而互不干擾的效果，使不同的移動(dòng)用戶(hù)可以使用同一段頻譜資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享。三、 智能天線(xiàn)結(jié)構(gòu)智能天線(xiàn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)形成了模塊化設(shè)計(jì)，大體分為天線(xiàn)陣列，模/數(shù)或者數(shù)/模轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)處理，波束成型網(wǎng)絡(luò)等四大部分。其中天線(xiàn)陣列用于在接收或發(fā)送模擬信號(hào)時(shí)形成期望的波束，主要分為線(xiàn)陣，面陣，圓陣，三角陣，不規(guī)則陣和隨機(jī)陣等；模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分在接收信號(hào)時(shí)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在發(fā)送信號(hào)時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；

5、自適應(yīng)處理部分根據(jù)自適應(yīng)算法和波達(dá)角估計(jì)算法來(lái)產(chǎn)生期望的權(quán)值；波束成型網(wǎng)絡(luò)部分通過(guò)得出的權(quán)值對(duì)各個(gè)天線(xiàn)陣元進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)處理，并利用天線(xiàn)陳列產(chǎn)生期望的自適應(yīng)波束。四、 智能天線(xiàn)的應(yīng)用技術(shù) 按照技術(shù)方向劃分，智能天線(xiàn)的技術(shù)主要可以分為智能天線(xiàn)的接收部分技術(shù)，發(fā)送部分技術(shù)，以及動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等三方面技術(shù)。其中智能天線(xiàn)的接收技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信中接收上行鏈路傳輸?shù)囊苿?dòng)用戶(hù)信號(hào)的過(guò)程，通過(guò)采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)抵抗在同一信道接收的不同用戶(hù)間的多址干擾和碼間串?dāng)_，分離出各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)，接收的同時(shí)，為了給系統(tǒng)發(fā)送信息提供相關(guān)參數(shù)，還需要估計(jì)出反映用戶(hù)空間位置信息的參量；發(fā)送部分技術(shù)，是系統(tǒng)利用下行鏈路發(fā)

6、送移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)的過(guò)程中使用的技術(shù)，主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)控制發(fā)射信號(hào)功率實(shí)現(xiàn)的，保證每個(gè)用戶(hù)只接收系統(tǒng)發(fā)給它的下行信號(hào)，不受同一信道中系統(tǒng)發(fā)送的其他用戶(hù)信號(hào)的干擾，減少其他移動(dòng)用戶(hù)對(duì)該用戶(hù)的干擾；動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)則是通過(guò)空分信道與時(shí)分信道、頻分信道、碼分信道以及切換技術(shù)相結(jié)合方式，保障通信質(zhì)量，有效利用信道資源。五、 智能天線(xiàn)的類(lèi)型 在智能天線(xiàn)的應(yīng)用過(guò)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(duì)應(yīng)兩種不同的工作方式，各個(gè)工作方式對(duì)應(yīng)的智能天線(xiàn)分別稱(chēng)為多波束切換智能天線(xiàn)和自適應(yīng)智能天線(xiàn)。其中多波束切換的智能天線(xiàn)采用固定的，預(yù)定義，有限數(shù)目的波束，每個(gè)波束的指向是固定的方向，波束寬度

7、也隨天線(xiàn)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(hù)發(fā)送信號(hào)，接收時(shí)從預(yù)定義的波束選擇進(jìn)行接收，其工作波束圖如圖所示。多波束切換的智能天線(xiàn)，接收的用戶(hù)信號(hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶(hù)位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束的智能天線(xiàn)，雖然實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)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(yīng)的智能天線(xiàn)采用自適應(yīng)算法進(jìn)行處理，其工作原理主要使用反饋控制的方法，改變天線(xiàn)陣列中各個(gè)天線(xiàn)單元的權(quán)值，從而改變天線(xiàn)陣元形成的波束方向圖：將接收的方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)信號(hào)接收方向，副瓣，零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向，從而接收有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，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(yīng)智能天線(xiàn)的接收是最佳接收，經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，在沒(méi)有多徑干擾和角度擴(kuò)展的情況下，其誤碼率為零。在現(xiàn)在應(yīng)用中自適應(yīng)智能天線(xiàn)雖然在理論上可實(shí)現(xiàn)最佳接收，但當(dāng)接收移動(dòng)用戶(hù)超過(guò)智能天線(xiàn)系統(tǒng)的容量，多頸干擾嚴(yán)重時(shí)，仍很難識(shí)別用戶(hù)信息，而自適應(yīng)智能天線(xiàn)通過(guò)自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整接收天線(xiàn)方向圖，雖然可以達(dá)到理論上的最佳接收效果，但因?yàn)樽赃m應(yīng)智能天線(xiàn)需要通過(guò)自適應(yīng)算法進(jìn)行大量計(jì)算，因此對(duì)實(shí)時(shí)性較差，在實(shí)際應(yīng)用中較少使用，但它是理術(shù)現(xiàn)在和未來(lái)主要的發(fā)展方向。六、 智能天線(xiàn)的算法 由于自適應(yīng)智能天線(xiàn)系統(tǒng)的核心是其使用的波束形成算法，因此對(duì)自適應(yīng)智能天線(xiàn)的波束形成算法的研究在使用智能天線(xiàn)技術(shù)的現(xiàn)代通信中占有重要地位。

9、通過(guò)對(duì)波束形成算法的研究并對(duì)其加以改進(jìn)，是未來(lái)改進(jìn)自適應(yīng)智能天線(xiàn)，以使其成為在實(shí)際中大規(guī)模應(yīng)用主要措施之一。智能天線(xiàn)的波束形成算法統(tǒng)計(jì)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(hào)分量功率與噪聲分量功率之比最大；LCMV 方案基于在某個(gè)線(xiàn)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(mǎn)足陣列輸出與期望響應(yīng)之差最小化的條件。以上三種方案都是基于使代價(jià)函數(shù)最小，從而使陣列輸出端的信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)原理，求出各個(gè)方案下權(quán)值的計(jì)算公式，從而得出期望波束，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。其中MMSE 準(zhǔn)則較多采用，由該準(zhǔn)則推導(dǎo)出的許多自適應(yīng)算

10、法在實(shí)際中得到很多應(yīng)用。MMSE 方案主要分為兩種準(zhǔn)則：a)LS 算法準(zhǔn)則。被稱(chēng)為最小二乘算法，基于時(shí)間平均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。LS 算法是在有限數(shù)目的時(shí)間采樣上使陣列輸出和期望響應(yīng)間的差值最小。在LS 算法中代價(jià)函數(shù)為：Jwk=m=0P-1wkHum-dk,m2通過(guò)計(jì)算得，LMS 算法使Jwk最小的得到的wk為wk=AhAAHdkb)MMSE 算法準(zhǔn)則。被稱(chēng)為最小均方差算法，基于集平均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。MMSE 算法從集平均的角度考慮，計(jì)算出一個(gè)權(quán)向量，在穩(wěn)態(tài)的所有可能實(shí)現(xiàn)的集合中是最優(yōu)的。在MMSE 算法中代價(jià)函數(shù)為：Jwk=EwkHui-dk,i2通過(guò)計(jì)算得，MMSE 算法使Jwk最小的得到的wk

11、為：wk=R-1p智能天線(xiàn)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(dòng)通信系統(tǒng)普及應(yīng)用造成了困難，因?yàn)闄?quán)向量必須隨著移動(dòng)環(huán)境進(jìn)行周期性自適應(yīng)調(diào)整，而每次調(diào)整的權(quán)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(quán)向量計(jì)算量很大；同時(shí)，估計(jì)的權(quán)向量數(shù)據(jù)可能會(huì)受到噪聲污染，需要對(duì)權(quán)向量進(jìn)行更新，以平滑對(duì)最優(yōu)響應(yīng)的估計(jì)，減少噪聲影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中自適應(yīng)智能天線(xiàn)系統(tǒng)大多采用自適應(yīng)算法進(jìn)行周期更新權(quán)向量，進(jìn)行周期處理。智能天線(xiàn)的自適應(yīng)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(yīng)算法需要系統(tǒng)提供訓(xùn)練序列，包含處理信號(hào)的相關(guān)信息參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行

12、自適應(yīng)處理，根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列可以確定信道響應(yīng)，并通過(guò)一定的準(zhǔn)則得出天線(xiàn)單元權(quán)值，從而改變智能天線(xiàn)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(yīng)算法和RLS 自適應(yīng)算法等；而盲自適應(yīng)算法不需要提供訓(xùn)練序列，通過(guò)與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征對(duì)接收信號(hào)的某些特性進(jìn)行恢復(fù)而進(jìn)行自適應(yīng)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(diǎn)，先用非盲算法確定初始的權(quán)值，然后再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，從而完成自適應(yīng)處理。三種智能天線(xiàn)的自適應(yīng)算法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，非盲算法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但需要參考信號(hào)，額外占用了相應(yīng)的頻譜資

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

14、法結(jié)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，是高分辨率的次最優(yōu)算法；最大似然法通過(guò)大計(jì)算量可以得到最佳估計(jì)值，即使在信噪比很低的情況下也可以得到相應(yīng)估計(jì)值，而綜合法利用特性恢復(fù)方案區(qū)分多個(gè)信號(hào)，估計(jì)空間特征，進(jìn)而采用子完成智能天線(xiàn)系統(tǒng)定位和下行波束形成的功能，從而提高智能天線(xiàn)系統(tǒng)的分辨率。七、 智能天線(xiàn)在TD-SCDMA中的應(yīng)用智能天線(xiàn)的布陣方式一般有直線(xiàn)陣、圓陣和平面陣, 陣元間距1 /2波長(zhǎng)(若陣元間距過(guò)大會(huì)使接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低, 太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵瓣, 故一般取半波長(zhǎng))。智能天線(xiàn)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)判斷用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方

15、向(即DO A估計(jì)) , 并在此方向形成天線(xiàn)主波束, 他根據(jù)用戶(hù)信號(hào)的不同空間傳輸方向提供不同的信道,等同于有線(xiàn)傳輸時(shí)的線(xiàn)纜,從而可以有效的抑制干擾?？紤]到軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)要求在中頻進(jìn)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(jì)算表明, 即使采用最快的器件, 在DSP上用軟件實(shí)現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實(shí)的, 因?yàn)镈SP只能完成基帶處理的功能。一個(gè)比較實(shí)用的方案是采用專(zhuān)業(yè)的可編程邏輯器件來(lái)完成高速的濾波和處理, 以減輕DSP的壓力。由于實(shí)時(shí)處理時(shí)對(duì)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(mǎn)足要求。而并行通用浮點(diǎn)DSP將片間并行

16、功能集成在單片DSP內(nèi)部, 可以獲得很高的并行處理能力和并行效率, 因此在實(shí)際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來(lái)提高處理能力。理論上, N 個(gè)DSP并行可以提供N倍的處理能力, 但在實(shí)際系統(tǒng)中必須在算法設(shè)計(jì)上付出很大的代價(jià)。一個(gè)好的算法應(yīng)該能夠盡量并行而且適合多個(gè)DSP同時(shí)實(shí)現(xiàn), 同時(shí)還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)盡可能少和盡可能快。智能天線(xiàn)是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線(xiàn), 通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線(xiàn)單元獲取方向性, 并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。TD SCDM A智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對(duì)稱(chēng)性(無(wú)線(xiàn)環(huán)境和傳輸條件相同) 而獲得的。此外

17、, 智能天線(xiàn)可減少小區(qū)間干擾也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。具體而言, TD SCDMA系統(tǒng)的智能天線(xiàn)是由8個(gè)天線(xiàn)單元的同心陣列組成的,直徑為25 cm。同全方向天線(xiàn)相比, 他可獲得8 dB的增益。其原理是使一組天線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵(lì), 利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖, 使用DSP方法使主瓣自適應(yīng)地指向移動(dòng)臺(tái)方向, 就可達(dá)到提高信號(hào)的載干比, 降低發(fā)射功率等目的。智能天線(xiàn)的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用, 使頻譜效率得以顯著地提高。由于每個(gè)用戶(hù)在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線(xiàn)具有多向性, 另一方面則要求在每一獨(dú)立的方向上, 系統(tǒng)都可以跟蹤個(gè)別的用戶(hù)。通過(guò)DSP控制用戶(hù)的方向測(cè)量使上述要求可以實(shí)現(xiàn)。每用戶(hù)的跟蹤通過(guò)到達(dá)角進(jìn)行測(cè)量, 在TD SCDM A系統(tǒng)中,由于無(wú)線(xiàn)子幀的長(zhǎng)度是5 ms, 則至少每秒可測(cè)量200次, 每個(gè)用戶(hù)的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向, 通過(guò)智能天線(xiàn)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(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)是用戶(hù)信號(hào)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(gè)方向中的傳輸條件是相同的或者說(shuō)是對(duì)稱(chēng)的,使得智能天線(xiàn)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(guò)智能天線(xiàn)獲得的較高的頻譜利用率, 使高業(yè)務(wù)密度城市和城區(qū)所要