智能天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及問題解決方案分析

隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個(gè)人通信主要手段的無線移動(dòng)通信技術(shù)引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾（CCI）、多址干擾（MAI）與多徑衰落的影響成為人們?cè)谔岣邿o線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能時(shí)考慮的主要因素。智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。

1 智能天線技術(shù)的起源和發(fā)展

智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時(shí)，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。另一方面移動(dòng)通信用戶數(shù)目增加迅速，人們對(duì)移動(dòng)通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下滿足擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號(hào)發(fā)射功率，降低了信號(hào)全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式：空分多址（SDMA）方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動(dòng)通信系統(tǒng)性能：（1）擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；（2）提高系統(tǒng)容量；（3）提高頻譜利用效率；（4）降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染。

2 智能天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

智能天線分為兩大類：多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應(yīng)陣天線。

多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動(dòng)，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接受信號(hào)最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在固定波束的中心處，當(dāng)用戶位于波束邊緣，干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需判定用戶信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。

自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號(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。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實(shí)現(xiàn)全向天線，完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號(hào)有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

智能天線采用數(shù)字方法對(duì)陣元接收信號(hào)加權(quán)處理形成天線波束，使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)方向，而在干擾信號(hào)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，以下分別討論。

2.1 組件空間處理方式

組件空間處理方式直接對(duì)陣元接收信號(hào)支路加權(quán)，調(diào)整信號(hào)振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向。因?yàn)槭顷囋M件信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）后不經(jīng)其它處理直接加權(quán)，故又稱組件空間處理方式。

2.2 波束空間處理方式

與組件空間處理方式的不同之處在于，信號(hào)從陣元組件接收并模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）后，需經(jīng)相應(yīng)處理（如快速付立葉變換），得到彼此正交的一組空間波束，再經(jīng)過波束選擇，從中根據(jù)需要選取部分或全部波束合成陣列輸出方向圖。

因?yàn)橛脩粜盘?hào)往往深埋于噪聲信號(hào)與干擾信號(hào)中，不易得到陣元接收信號(hào)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(hào)最強(qiáng)的幾個(gè)波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號(hào)，這樣可以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。

智能天線技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中可以采用不同算法，主要有最小均方算法（LMS）、遞歸最小平方算法（RLS）和恒模算法（CMA）。其中最小均方算法（LMS）、遞歸最小平方算法（RLS）需要系統(tǒng)提供與用戶信號(hào)相關(guān)的參考信號(hào)，用以計(jì)算誤差，控制陣列加權(quán)。恒模（CMA）算法利用陣列輸出信號(hào)恒包絡(luò)原理，不需要參考信號(hào)，屬于盲均衡方法。從通信系統(tǒng)整體考慮，智能天線技術(shù)獨(dú)立于傳統(tǒng)的多址方式和調(diào)制類型，可以應(yīng)用于TDMA、FDMA或CDMA多址系統(tǒng)。但是，在具體實(shí)現(xiàn)過程中，天線接收結(jié)果是有差別的。

作為提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的重要手段，智能天線主要在基站作用。對(duì)于收發(fā)共用類型全向智能天線，采用時(shí)分雙工（TDD）方式的自適應(yīng)天線更為合適。頻分雙工（FDD）方式由于上行（從用戶到基站）與下行鏈路（從基站到用戶）有45MHz或80MHz頻率間隔，信號(hào)傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響各不相同，故根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路。在TDD方式中上行與下行鏈路間隔時(shí)間短，使用相同頻率傳輸信號(hào)，上、下行鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權(quán)值，故TDD方式優(yōu)于FDD方式。未來移動(dòng)通信系統(tǒng)工作頻率更高，在滿足半波長陣元間隔條件下，天線尺寸可以做得更小，使在移動(dòng)用戶端使用智能天線也成為可能。

3 智能天線的研究進(jìn)展

目前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí)，歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動(dòng)通信方案中的地位與作用。已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。

3.1 歐洲

歐洲通信委員會(huì)（CEC）在RACE（Research into Advanced Communication in Europe）計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱之為TSUNAMI（The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure），由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。

項(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?995年初開始現(xiàn)場試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線，采用ERA技術(shù)有限公司的專用ASIC芯片DBF1108完成波束形成，使用TMS320C40芯片作為中央控制。研究方案包括波束空間處理方式和組件空間處理方式。組件處理方式天線是收發(fā)全向類型，采用TDD雙工方式。系統(tǒng)評(píng)估了識(shí)別信號(hào)到達(dá)方向的MUSIC算法，采用的自適應(yīng)算法有NLMS（Normalized Least Mean Squares）算法和RLS（Recursive Least Square）算法。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了智能天線的功能，在兩個(gè)用戶四個(gè)空間信道（包括上行和下行鏈路）下，試驗(yàn)系統(tǒng)比特差錯(cuò)率（BER）優(yōu)于10－3。實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)了采用MUSIC算法判別用戶信號(hào)方向的能力，同時(shí)，通過現(xiàn)場測(cè)試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。

歐洲通信委員會(huì)（CEC）準(zhǔn)備在ACTS（Advanced Communication Technologies and Services）計(jì)劃中繼續(xù)進(jìn)行第二階段智能天線技術(shù)研究，具體問題集中于以下方面：最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)協(xié)議研究與系統(tǒng)性能評(píng)估、多用戶檢測(cè)與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時(shí)空信道特性估計(jì)及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗(yàn)。

3.2 日本

ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號(hào)在模數(shù)變換后，進(jìn)行快速付氏變換（FFT）處理，形成正交波束后，分別采用恒模（CMA）算法或最大比值合并分集算法。天線數(shù)字信號(hào)處理部分由10片FPGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。

野外移動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模（CMA）算法的多波束天線功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法（MRC）可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。上述兩種方案在所形成波束內(nèi)，選用最大電平接收信號(hào)，不用判別用戶信號(hào)到達(dá)方向及反饋控制機(jī)構(gòu)等硬件跟蹤裝置。

ATR研究人員提出了如圖5所示的基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素（如噪聲、同信道干擾或符號(hào)間干擾）也不同，利用軟件方法實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法，比如當(dāng)噪聲是主要因素時(shí)，則使用多波束最大比值合并（MRC）算法，而當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)則使用多波束恒模算法（CMA），以此提供算法分集，利用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線配置，完成智能處理。

3.3 美國及其他

ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路（WLL）智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列，射頻工作于1785MHz～1805MHz，采用TDD雙工方式，收發(fā)間隔10ms，接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。

此外，德州大學(xué)奧斯汀SDMA小組建立了一套智能天線試驗(yàn)環(huán)境，著手理論于實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合。加拿大McMaster大學(xué)研究開發(fā)了4元陣列天線，采用恒模（CMA）算法。國內(nèi)部分大學(xué)也正在進(jìn)行相關(guān)的研究。

4 結(jié)語

智能天線對(duì)提高系統(tǒng)容量具有巨大潛力，近年來備受關(guān)注。但是由于自適應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)中影響因素復(fù)雜，難于動(dòng)態(tài)捕獲并跟蹤用戶信號(hào)，再加之移動(dòng)多用戶及多徑情況下的時(shí)空信道盲辨識(shí)也是難點(diǎn)，所以在移動(dòng)環(huán)境中采用自適應(yīng)陣列智能天線尚有困難。從目前情況看來，智能天線正逐步應(yīng)用在固定無線接入系統(tǒng)中，以適應(yīng)用戶固定而無線傳播環(huán)境不斷變化的情況。同時(shí)，多波束天線也是一種相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)的折衷方案?？傊磥硪苿?dòng)通信系統(tǒng)中所用智能天線應(yīng)該是基于高性能數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)下，且不顯著增加現(xiàn)有系統(tǒng)復(fù)雜度的方案折衷。

根據(jù)自適應(yīng)天線與多波束天線各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們提出了一種利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的天線接收方案。在基站采用多波束天線（波束數(shù)為N），可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少反向鏈路基站接收的干擾信號(hào)數(shù)目至1／N，避免當(dāng)基站天線跟蹤大量移動(dòng)用戶時(shí)出現(xiàn)的實(shí)時(shí)測(cè)向問題。在移動(dòng)臺(tái)采用自適應(yīng)天線，比如兩個(gè)陣元的自適應(yīng)天線，提供一個(gè)方向自由度，可以利用基站發(fā)射的用于移動(dòng)臺(tái)相干接收的導(dǎo)頻信號(hào)來測(cè)向。由于對(duì)于每一個(gè)移動(dòng)用戶，僅需跟蹤一個(gè)所在小區(qū)的基站信號(hào)方向，大大簡化了信號(hào)方向測(cè)定的難度。在移動(dòng)臺(tái)采用TDD方式收發(fā)信號(hào)，則接收時(shí)的陣元加權(quán)可以直接用于發(fā)射，使得移動(dòng)用戶發(fā)射信號(hào)集中在基站的接收波束之內(nèi)，信號(hào)利用率提高，可以降低移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率，減少電磁污染，同時(shí)補(bǔ)償了基站接收的用戶信號(hào)不處于基站接收天線波束最大增益處時(shí)的衰減。關(guān)于此問題，我們將進(jìn)一步研究該方案對(duì)提高系統(tǒng)容量的作用。

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