移動(dòng)通信系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)

袁　翔

摘要：

文章簡(jiǎn)述了智能天線的概念、原理和分類(lèi)，包括預(yù)多波束和自適應(yīng)波束兩種智能天線的原理和算法，論述了智能天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的影響。

關(guān)鍵詞：

智能天線；波束形成；預(yù)多波束；自適應(yīng)波束；自適應(yīng)算法

ABSTRACT:

The basic concept, working principle and technical classification of smart antenna are introduced, including the description of principles and algorithms of the switched beam and tracking-beam smart antennas. The impact of the smart antenna technology on the cellular wireless communication system is also discussed.

KEY WORDS:

Smart antenna; Beamforming; Switched-beam; Tracking-beam; Adaptive algorithm

隨著移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量迅速增加，頻譜資源越來(lái)越緊張，如何利用現(xiàn)有頻譜資源進(jìn)一步擴(kuò)展容量已成為移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。智能天線技術(shù)利用陣列天線替代常規(guī)天線，能夠降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，因此智能天線技術(shù)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納相控陣天線，完成空間濾波和定位等。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力的提高和價(jià)格的降低，以及ASIC技術(shù)的日益成熟，智能天線技術(shù)不久即將應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。

1 智能天線原理

從方向圖來(lái)區(qū)分，天線主要有全向天線和定向天線兩種：全向天線在各個(gè)方向的發(fā)射和接收均相同，應(yīng)用于360°覆蓋小區(qū)；當(dāng)采用小區(qū)分裂技術(shù)后，應(yīng)采用僅覆蓋部分小區(qū)的定向天線。后者與前者相比，提高了信道復(fù)用率。上述兩種方式的覆蓋區(qū)域形狀是固定的。智能天線可以產(chǎn)生多個(gè)空間定向波束，動(dòng)態(tài)改變覆蓋區(qū)域形狀，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，并且自動(dòng)跟蹤用戶和應(yīng)用環(huán)境的變化，從而有效抑制干擾，提取用戶信號(hào)，提高鏈路性能和系統(tǒng)性能。

與時(shí)分多址、頻分多址或碼分多址相對(duì)應(yīng)，智能天線為一種空分多址(SDMA)技術(shù)。它與其他的多址方式相配合，增加了自由度，因此可以有效地增加系統(tǒng)容量、減小干擾和衰落、降低系統(tǒng)成本。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

2 智能天線分類(lèi)

波束形成是智能天線的關(guān)鍵技術(shù)，是提高信干比、增加用戶容量的保證。波束形成對(duì)陣列天線的波束幅度、波束指向和波束零點(diǎn)位置進(jìn)行控制，在期望方向保證高增益波束指向的同時(shí)，在干擾方向形成波束零點(diǎn)，并通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和加權(quán)相位來(lái)改變方向圖形狀。智能天線可以分為預(yù)多波束和自適應(yīng)波束兩大類(lèi)。

2.1 預(yù)多波束形成

預(yù)多波束預(yù)先生成多個(gè)固定波束覆蓋某個(gè)小區(qū)。根據(jù)接收到的用戶信號(hào)，確定用戶所在的波束，用戶在小區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)用戶和波束的切換。下行波束采用與上行波束相對(duì)應(yīng)的權(quán)值。預(yù)多波束切換類(lèi)的關(guān)鍵在于確定與用戶對(duì)應(yīng)的波束。

預(yù)多波束對(duì)于處于非主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，可以通過(guò)控制旁瓣來(lái)抑制。對(duì)于處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，系統(tǒng)將無(wú)法抑制。應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)的預(yù)多波束原理框圖如圖1所示。

預(yù)多波束所帶來(lái)的增益推導(dǎo)如下：

相對(duì)于1個(gè)120°扇區(qū)傳統(tǒng)天線系統(tǒng)接收載干比而言，由４個(gè)30°波束組成的120°預(yù)多波束智能天線系統(tǒng)接收載干比的增益為：

CC

G=101og(——/——=101og(I₁₂₀/ I₃₀=101og(4I₃₀/ I₃₀

I₃₀I₁₂₀

其中，G為載干比增益，C為載波的信號(hào)電平，II₃₀、I₁₂₀分別為30°、120°天線的干擾電平。

在TDMA和FDMA系統(tǒng)中的計(jì)算和模擬顯示，利用30°的預(yù)多波束智能天線系統(tǒng)平均有7.6 dB的增益，系統(tǒng)頻率復(fù)用系數(shù)為4時(shí)可達(dá)到頻率復(fù)用系數(shù)為7的容量。波束處理系統(tǒng)由預(yù)多波束形成子系統(tǒng)和預(yù)多波束切換子系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)基帶處理部分包括：Rake合并、功率控制指令產(chǎn)生、解交織、信道解碼等等。

2.2 自適應(yīng)波束形成

自適應(yīng)波束形成通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和加權(quán)相位，來(lái)改變陣列的方向圖，使陣列天線的主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶；同時(shí)陣列天線的零點(diǎn)和副瓣對(duì)準(zhǔn)其他用戶，從而提高接收信噪比，滿足某一準(zhǔn)則下的最佳接收。它同預(yù)多波束的區(qū)別在于：某一用戶的波束要隨著用戶移動(dòng)而移動(dòng)。自適應(yīng)波束的結(jié)構(gòu)有許多種。圖2為一種典型的基于CDMA的自適應(yīng)波束形成原理框圖。

主要的自適應(yīng)算法有如下幾種。

(1)基于波達(dá)方向估計(jì)(DOA)

經(jīng)典DOA估計(jì)方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改進(jìn)算法，還有最大似然估計(jì)、基于高階累計(jì)量、基于特征值分解的次最優(yōu)估計(jì)等方法。該類(lèi)算法要解決的問(wèn)題是計(jì)算復(fù)雜、自由度小、矩陣分解等等。(2)非盲自適應(yīng)處理

自適應(yīng)處理中的期望信號(hào)對(duì)自適應(yīng)處理結(jié)果影響很大。在CDMA系統(tǒng)中，由于提供了導(dǎo)頻信道，因此完全有條件進(jìn)行非盲自適應(yīng)處理。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是該算法的具體實(shí)例。

以LS-DRMTA算法為例。假設(shè)第i個(gè)用戶的第n個(gè)數(shù)據(jù)位被正確檢測(cè)。在(n－1)Tb和nTb中(Tb為符號(hào)寬度)，將數(shù)據(jù)位重新擴(kuò)頻，即可獲得第i個(gè)用戶在(n－1)Tb和nTb之間的傳輸信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以被用于第i個(gè)用戶的自適應(yīng)波束形成。用戶i的重?cái)U(kuò)頻延遲信號(hào)為：

r_I(t)＝b_inc_I(t－τ_I)， (n－1)T_b≤t≤nT_b

LS-DRMTA算法的代價(jià)函數(shù)為：

迭代公式為：w_I(l＋1)＝［xx^H］^-1xr_I(l )^*，其中，x為輸入信號(hào)，r_I(l )為用戶i的第l次迭代的估計(jì)信號(hào)，H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置，*表示復(fù)共軛算子。

(3)盲自適應(yīng)波束形成

盲自適應(yīng)是無(wú)法提供自適應(yīng)算法中要求的期望信號(hào)，只能利用傳輸信號(hào)的特性進(jìn)行波束形成，實(shí)現(xiàn)盲自適應(yīng)算法。這種方法不是最優(yōu)估計(jì)，典型的代表有CMA(恒模算法)。CMA有許多變形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

該類(lèi)算法假設(shè)用戶信號(hào)到達(dá)基站時(shí)幅度恒定，其代價(jià)函數(shù)是：

J(wk)＝E［||w_kHx_kk|^p－|α|^p|^q］

其中，x_k為k時(shí)刻陣列天線輸入向量，α為期望值，w_k為k時(shí)刻權(quán)值，p、q為指數(shù)因子。

如果采用LMS(Least Mean Square)迭代運(yùn)算，則有：

w(k＋1)＝w(k)－μ▽_wJ(w_k),

其中，w(k)為k時(shí)刻的權(quán)系數(shù)向量，J(wk)為代價(jià)函數(shù)，μ▽為迭代因子，_w為梯度算子。

3 智能天線對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響

3.1 智能天線的優(yōu)點(diǎn)

智能天線對(duì)系統(tǒng)性能的改善如下：

(1)提高系統(tǒng)容量

智能天線采用窄波束接收和發(fā)射移動(dòng)用戶信號(hào)，降低了其他用戶的干擾，因此對(duì)于自干擾系統(tǒng)如CDMA系統(tǒng)，可以有效地提高系統(tǒng)容量；同時(shí)，采用空分技術(shù)復(fù)用信道，也增加了系統(tǒng)容量。

(2)增大覆蓋范圍

波束形成是多根天線的矢量疊加，等效為天線增益的增加，也就是提高了基站接收機(jī)的靈敏度和基站發(fā)射機(jī)的EIRP(有效全向輻射功率)。這意味著在同樣的接收和發(fā)射條件下可以達(dá)到更遠(yuǎn)的通信距離，因此增大了覆蓋范圍。

(3)降低系統(tǒng)干擾

采用窄波束的主瓣接收和發(fā)射信號(hào)，旁瓣和零點(diǎn)抑制干擾信號(hào)，可以降低系統(tǒng)干擾，提高陣列的輸出信噪比，即提高系統(tǒng)的抗干擾能力。除外，它對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)中的多徑干擾也有一定的削弱作用。

(4)降低系統(tǒng)成本

由于波束形成的增益可以減小對(duì)功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同時(shí)可以減小移動(dòng)臺(tái)的體積和重量，延長(zhǎng)了移動(dòng)臺(tái)的電池使用壽命，降低移動(dòng)臺(tái)的成本。

(5)增加增值業(yè)務(wù)

智能天線可以獲得移動(dòng)用戶的方位信息，同其他技術(shù)配合可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的無(wú)線定位。無(wú)線定位目前是移動(dòng)通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，將來(lái)的市場(chǎng)潛力巨大，這是一項(xiàng)很有實(shí)用價(jià)值的增值業(yè)務(wù)。

3.2 智能天線存在的問(wèn)題

(1)增加了系統(tǒng)復(fù)雜度

智能天線需要高效的算法、高速的DSP器件，滿足實(shí)時(shí)性處理要求。智能天線的算法結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量能夠兼容常規(guī)的處理結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)靈活配置，降低成本。采用智能天線的基站要能夠和常規(guī)基站混合組網(wǎng)，兼容網(wǎng)絡(luò)側(cè)的管理和維護(hù)。

(2)增加了通道校正

如果要在基帶完成波束形成，則需要進(jìn)行通道校正，提高了通道要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能天線技術(shù)是近年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。它在PHS中已經(jīng)得到商用，在第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中更倍受關(guān)注，WCDMA和cdma 2000都不同程度地對(duì)智能天線技術(shù)給予支持，TS-SCDMA明確表示使用智能天線?？梢哉f(shuō)，智能天線是未來(lái)移動(dòng)通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)在其他的無(wú)線系統(tǒng)中也有著光明的發(fā)展前景?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期：2002-08-28)

作者簡(jiǎn)介

袁翔，深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所高級(jí)工程師，碩士。主要研究方向?yàn)椋宏嚵行盘?hào)處理、自適應(yīng)信號(hào)處理、移動(dòng)通信、數(shù)字通信等。