移動通信系統(tǒng)的智能天線技術(shù)的工作原理分析

智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術(shù)開始在無線通信中廣泛應(yīng)用。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來幾乎所有先進(jìn)的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

智能天線提高系統(tǒng)性能的原理

智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘柌⒉灰欢ㄔ诓ㄊ行?，?dāng)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，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。

現(xiàn)在，簡要地介紹一下智能天線如何克服無線通信中的時延擴(kuò)展和多徑衰落來提高系統(tǒng)的性能和容量。設(shè)天線陣列的不同天線元對信號施以不同的權(quán)值，然后相加，產(chǎn)生一個輸出信號。如果定義“天線增益”為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號功率的降低，“分集增益”為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低，那么一般來說，M元的天線陣列可以提供M倍的天線增益加上一個分集增益，具體提高的值決定于天線陣元間的相關(guān)性。

首先我們考慮多波束天線。多波束天線是在一個扇區(qū)內(nèi)放置多個天線來覆蓋整個扇區(qū)，每個天線只覆蓋一部分角度范圍。扇區(qū)天線的另外一個優(yōu)點(diǎn)就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，這樣在下行方向也可以獲得M倍的天線增益。但扇區(qū)天線由于其自身的構(gòu)成形式，有下面缺點(diǎn)：相鄰天線之間重疊的部分由于天線增益比較小，會有2dB的降低;當(dāng)由于多徑或干擾而錯誤地鎖定天線波束時，多波束天線能提供的增益很小。

自適應(yīng)天線陣列中，各天線元的放置形式可有多種，相鄰天線元間距為一特定值。在接收信號到達(dá)天線陣時，每個陣元上的信號經(jīng)過不同的加權(quán)，然后再疊加產(chǎn)生一個輸出信號，加權(quán)系數(shù)和疊加可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則。需要注意的是，自適應(yīng)天線的陣元必須具有相似的波束，而在多波束天線中則沒有這樣的要求。與多波束天線相似，一個M元自適應(yīng)天線陣可以提供M倍的天線增益，但它沒有波束之間部分重疊的缺點(diǎn)。M元自適應(yīng)天線陣列可以完全抑制N(N〈M)個干擾用戶，即使在N>M時也可以獲得很大的增益。盡管自適應(yīng)天線較多波束天線有更多優(yōu)點(diǎn)，但自適應(yīng)天線計算加權(quán)系數(shù)的速度必須與衰落速率相當(dāng)才能跟蹤用戶(注意到3G中衰落速率將達(dá)到1000Hz)。然而，多波束天線波束之間的切換只要幾秒鐘一次即可。

自適應(yīng)天線陣列用在無線系統(tǒng)中一個關(guān)鍵問題是在視距(LOS)和非視距(NLOS)情況下的性能差異。在視距情況下，對接收到的信號進(jìn)行加權(quán)、合并后產(chǎn)生一個天線圖案，它的主波束方向就指向目標(biāo)用戶，而在其它方向上抑制干擾用戶。此時，若天線陣元數(shù)大于到達(dá)的信號數(shù)，可以用信號處理中MU?SIC、ESPRIT等現(xiàn)代譜估計算法來估計信號的到達(dá)角度，這樣一個陣列至少可以在M-1個方向上形成方向圖零點(diǎn)。在非視距情況下，無線信號的到達(dá)經(jīng)由了多次反射和多個途徑(兩條不同路徑之間的相對時延大的必須作為兩條獨(dú)立的路徑)。自適應(yīng)天線在多徑環(huán)境的一個重要特點(diǎn)就是能夠抑制干擾用戶而不管其到達(dá)的方向，也就是說，即使干擾用戶和所有用戶只相距幾英寸，自適應(yīng)天線陣也能抑制干擾用戶。這是由于在多徑環(huán)境中天線周圍的物體就是一個巨大的反射天線，使得接收天線陣列能夠區(qū)分不同用戶的信號。特別是若接收陣元間距足夠大，陣列能夠形成比擴(kuò)展角度小的波束。能夠區(qū)分的信號數(shù)隨天線陣元數(shù)、角度擴(kuò)展，在擴(kuò)展角度內(nèi)多徑反射密度的增加而增加。從這個意義上來說，多徑是一個有利的因素。但由于時延擴(kuò)展，自適應(yīng)天線把時延信號作為干擾信號而進(jìn)行抑制。M元的自適應(yīng)天線可以抑制M-1時延信號，這是一個很不利的因素。為了充分利用接收到的信號，我們可以在每個天線陣元上加一個時域的處理，比如自適應(yīng)均衡或RAKE接收，然后再進(jìn)行自適應(yīng)波束形成。

天線波束的實(shí)現(xiàn)方式

智能天線對陣元接收信號加權(quán)處理形成天線波束，使主波束對準(zhǔn)用戶信號方向，而在干擾信號方向形成天線方向圖零陷或較低的功率方向圖增益，達(dá)到抑制干擾的目的。根據(jù)天線波束形成的不同過程，實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩類：組件空間處理方式與波束空間處理方式。其中，組件空間處理方式直接對陣元接收信號支路加權(quán)，調(diào)整信號振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶信號到達(dá)方向。在波束空間處理方式下，信號從陣元組件接收并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，需經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)字信號處理過程(如FFT)得到相互正交的一組空間波束，再經(jīng)過波束選擇，根據(jù)需要取其中部分或全部波束來合成陣列輸出方向圖。因?yàn)橛脩粜盘柾盥裼谠肼曅盘柵c干擾信號中，不易得到陣元接收信號的最佳加權(quán)。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強(qiáng)的幾個波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號，在滿足陣列接收效果的前提下減少運(yùn)算量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

波束賦型算法概況

智能天線技術(shù)研究的核心是波束賦型的算法。從是否需要參考信號(導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道)的角度來劃分，這些算法可分為盲算法、半盲算法和非盲算法三類。非盲算法是指須借助參考信號的算法。由于發(fā)送時的參考信號是預(yù)先知道的，對接收到的參考信號進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準(zhǔn)則(如著名的迫零準(zhǔn)則)確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值(也即算法模型的抽頭系數(shù))，以使輸出誤差盡量減小或穩(wěn)定在可預(yù)知的范圍內(nèi)。常用的準(zhǔn)則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和RLS(遞歸最小二乘)等等;而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法，最常見的就是最大梯度下降法。盲算法則無須發(fā)送參考信號或?qū)ьl信號，而是充分利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征(如恒包絡(luò)、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等)來調(diào)整權(quán)值以使輸出誤差盡量小。常見的算法有常數(shù)模算法(CMA)、子空間算法、判決反饋算法等等。常數(shù)模算法利用了調(diào)制信號具有恒定的包絡(luò)這一特點(diǎn)，具體又分最小二乘CMA算法、解析CMA算法、多目標(biāo)LS-CMA算法等;子空間算法則將接收端包含有其它用戶干擾及信道噪聲的混合空間劃分為信號子空間和噪聲子空間，對信號子空間進(jìn)行處理;判決反饋算法則由收端自己估計發(fā)送的信號，通過多次的迭代，使智能天線輸出向最優(yōu)結(jié)果不斷逼近。非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但發(fā)送參考信號浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)帶寬。為此，學(xué)者們又發(fā)展了半盲算法，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)頻信息不是時時發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時分復(fù)用的。

智能天線的優(yōu)點(diǎn)

智能天線可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面：

提高頻譜利用率。采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運(yùn)營商成本。

迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量。

抑制干擾信號。智能天線對來自各個方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過對各天線元的激勵進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點(diǎn)對準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。

抗衰落。高頻無線通信的主要問題是信號的衰落，普通全向天線或定向天線都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。

實(shí)現(xiàn)移動臺定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向。通過此方法，用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)，因此移動臺定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動運(yùn)營商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競爭力的必然手段。