移動(dòng)通信系統(tǒng)中的寬帶智能天線技術(shù)

梁奐暉

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的寬帶智能天線技術(shù)

梁奐暉

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

自適應(yīng)信號(hào)處理是下一代高性能移動(dòng)通信技術(shù)中一項(xiàng)重要的必不可少的技術(shù)。而寬帶智能天線的自適應(yīng)處理技術(shù)則是自適應(yīng)技術(shù)中一個(gè)重要的研究分支。本文對無線通信中的智能天線自適應(yīng)處理技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，針對寬帶智能天線優(yōu)化算法高復(fù)雜性，提出了一種新的基于頻不變理論的波束優(yōu)化，并對算法性能進(jìn)行分析。

自適應(yīng)；寬帶智能天線；頻不變

1．引言

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶數(shù)量以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的急劇上升，對于移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量以及性能有了越來越高的要求。用戶數(shù)量的增加，通信環(huán)境的復(fù)雜化，使得接收端接到的干擾信號(hào)對移動(dòng)通信系統(tǒng)性能如通信質(zhì)量、系統(tǒng)容量等方面性能的影響越來越大。

國內(nèi)外多年來大量的研究成果表明，在復(fù)雜多變的無線移動(dòng)傳輸信道下，智能天線技術(shù)可以有效地降低干擾，提高系統(tǒng)容量以及通信質(zhì)量等方面的性能[1]。從20世紀(jì)70年代開始，如何降低智能天線優(yōu)化算法的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)收斂速度，一直是智能天線研究領(lǐng)域中一個(gè)熱點(diǎn)問題。尤其是隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶乃至超寬帶無線通信將會(huì)成為未來通信技術(shù)發(fā)展的趨向[2]，近年來大量的研究文章可以充分說明智能天線技術(shù)得到了研究人員大量的研究和關(guān)注[3，4]。

但遺憾的是對多年來的研究結(jié)果進(jìn)行分析比較可以發(fā)現(xiàn)，智能天線技術(shù)的研究，絕大多數(shù)都是集中于窄帶通信系統(tǒng)，也就是說假定入射信號(hào)為窄帶信號(hào)，入射信號(hào)的能量集中于載頻，不考慮信號(hào)帶寬對系統(tǒng)性能的影響[1]，忽略了信號(hào)帶寬對系統(tǒng)的影響。而實(shí)際上對于寬帶通信系統(tǒng)，信號(hào)能量集中于中心載頻的假設(shè)不再成立，需要考慮信號(hào)頻率對系統(tǒng)的影響。寬帶智能天線采用空時(shí)聯(lián)合結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)問題，但空時(shí)聯(lián)合結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致了智能天線算法的高復(fù)雜性，低收斂速度，難以實(shí)際應(yīng)用到移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

在寬帶無線系統(tǒng)中，智能天線要想獲得與在窄帶環(huán)境下相類的效果，頻率因素是不能忽略的，國內(nèi)外的研究都表明，智能天線在寬帶環(huán)境下所形成的波束圖不僅與信號(hào)的入射角，還與入射信號(hào)的頻率有關(guān)[5]。這也就意味著智能天線系統(tǒng)要想能獲得所期望的空域響應(yīng)，必須還要針對不同頻率的入射信號(hào)作出頻率補(bǔ)償。

本文在現(xiàn)有的窄帶優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，針對寬帶系統(tǒng)，基于頻不變原理提出了一種新的寬帶智能天線優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)，并對算法的性能進(jìn)行了初步的分析。

2．寬帶智能天線優(yōu)化算法

對于智能天線的優(yōu)化算法，如果沒有特別說明的話，都是基于窄帶假設(shè)，也就是假定入射信號(hào)能量集中于中心載頻。但實(shí)際上，隨著寬帶乃至超寬帶無線通信技術(shù)的提出，入射信號(hào)的窄帶假設(shè)不再成立，那這也就是意味著需要對寬帶無線通信系統(tǒng)中的智能天線優(yōu)化算法進(jìn)行修正。

但實(shí)際上，寬帶智能天線所涉及到的寬帶陣列自適應(yīng)信號(hào)處理從20世紀(jì)60年代開始在雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中就已經(jīng)得到研究與應(yīng)用[7]。而在個(gè)人通信領(lǐng)域，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)由窄帶向?qū)拵到y(tǒng)演化發(fā)展，信號(hào)的窄帶假設(shè)不再成立，這也意味著智能天線技術(shù)必須由窄帶轉(zhuǎn)化為寬帶結(jié)構(gòu)。寬帶系統(tǒng)中，天線陣列的輸出輸出會(huì)隨著輸入信號(hào)頻率的變化而變化。上個(gè)世紀(jì)90年代中期開始人們開始關(guān)注起寬帶智能天線陣列[6]。寬帶智能天線陣列輸出波束的形成主要有時(shí)域和頻域兩種實(shí)現(xiàn)形式[7]，傳統(tǒng)的寬帶智能天線是在M元陣列的每個(gè)陣元后面加上一個(gè)長度為K的抽頭延時(shí)線結(jié)構(gòu)。這使得需要優(yōu)化的系數(shù)個(gè)數(shù)從M轉(zhuǎn)變?yōu)镸*K，需要優(yōu)化的系數(shù)的倍數(shù)增加直接導(dǎo)致了天線優(yōu)化算法計(jì)算復(fù)雜度急劇上升。對寬帶智能天線系統(tǒng)來說，頻域?qū)崿F(xiàn)形式是根據(jù)不同頻率上的設(shè)計(jì)波束與期望波束之間的誤差，建立優(yōu)化準(zhǔn)則，進(jìn) 而設(shè)計(jì)相應(yīng)的FIR濾波器組，從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)頻段范圍內(nèi)恒 定的波束輸出[8]。

FFT變換能將時(shí)域上的延時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)[9]，為了降低傳統(tǒng)寬帶智能天線優(yōu)化算法的運(yùn)算復(fù)雜度，人們提出 了一種新的結(jié)構(gòu)子帶自適應(yīng)天線技術(shù)[10]。而這些年來寬帶智能天線的研究多數(shù)也是集中在子帶結(jié)構(gòu)的智能天線實(shí)現(xiàn)上。子帶結(jié)構(gòu)的寬帶智能天線陣列可以采用濾波器組利用FFT變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，也可以采用頻率濾波器分頻。如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V波器組，如何選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算 法，使得在有效帶寬范圍內(nèi)寬帶陣列能獲得頻不變的輸出波束，達(dá)到系統(tǒng)的性能最優(yōu)，這也得到了很多的關(guān)注，但是寬帶陣列的計(jì)算復(fù)雜度問題還是沒有得到解決[11]。

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)利用IFFT變換，將寬頻帶劃分為相互正交的子頻帶，單獨(dú)使用窄帶自適應(yīng)算法對子頻帶上的信號(hào)進(jìn)行處理[12]，需要大量的導(dǎo)頻信息，甚至有可能會(huì)要求將一些子載波利用為專用導(dǎo)頻信道，從而導(dǎo)致載波的利用率下降。

3．頻不變的寬帶天線優(yōu)化算法

針對寬帶智能天線的空時(shí)聯(lián)合結(jié)構(gòu)的運(yùn)算高度的復(fù)雜性，本文提出了一種新型的優(yōu)化算法，利用作者以前提出一種應(yīng)用于窄帶智能天線系統(tǒng)的波束綜合算法[13]，來實(shí)現(xiàn)一種較低計(jì)算復(fù)雜度的寬帶智能天線優(yōu)化算法，使得智能天線能獲得一個(gè)寬帶頻不變的波束。

該波束綜合算法[13]能在給定一個(gè)任意的參考波束的前提下，獲得一個(gè)權(quán)矢量，使得天線陣列的輸出波束與給定的參考波束之間的差異最小。該算法對寬帶智能天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的參考意義。因?yàn)橥ㄟ^該算法能夠根據(jù)參考波束，在不同的頻點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行波束合成，也就是說獲得對應(yīng)于該頻點(diǎn)的一個(gè)最優(yōu)權(quán)矢量，從而使得在該頻點(diǎn)的輸出能夠與參考波束基本一致，那么這樣組合操作的結(jié)構(gòu)就使得寬帶智能天線系統(tǒng)在整個(gè)有效頻帶內(nèi)的陣列輸出不會(huì)隨頻率的變化而發(fā)生變化了。

根據(jù)參考波束，引入虛擬干擾，能有效地調(diào)節(jié)目標(biāo)波束形狀。在不同頻點(diǎn)的單獨(dú)處理中，優(yōu)化算法在迭代過程中，可以通過調(diào)整陣列權(quán)矢量進(jìn)行優(yōu)化，最終使得陣列輸出的目標(biāo)波束與參考波束兩者之間差異逐漸趨于最小化。

本算法借鑒自交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的智能天線概念以及子帶自適應(yīng)濾波器的理念，首先寬帶的時(shí)域信號(hào)將被轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，那復(fù)雜的空時(shí)聯(lián)合結(jié)構(gòu)則被拆分成為頻域上多個(gè)相互獨(dú)立的窄帶結(jié)構(gòu)。再根據(jù)參考波束，利用新的波束綜合算法，對相互獨(dú)立的各個(gè)子帶結(jié)構(gòu)分別并行處理，可以獲得相應(yīng)頻點(diǎn)的一組權(quán)系數(shù)。

本論文所提出的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的寬帶智能天線結(jié)構(gòu)相比，首先是分別在空域、時(shí)域、頻域依次進(jìn)行，原來復(fù)雜的聯(lián)合優(yōu)化過程被分解成多個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)并行進(jìn)行，子系統(tǒng)間的優(yōu)化運(yùn)算互不干擾，因而整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)的復(fù)雜度明顯下降。

對于這種結(jié)構(gòu)，在分解的子帶結(jié)構(gòu)中，不管是輸入信號(hào)還是輸出信號(hào)都被分割成多個(gè)子帶，對各個(gè)不同子帶進(jìn)行自適應(yīng)處理，相對而言，這種算法將可以得到比全頻帶優(yōu)化算法更快的收斂速度。在優(yōu)化寬帶智能天線結(jié)構(gòu)算法的同時(shí)，如果要進(jìn)一步降低優(yōu)化算法的運(yùn)算量，將相鄰子帶進(jìn)行分組，每個(gè)分組中只需要對其中一個(gè)子帶自適應(yīng)陣列結(jié)構(gòu)的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[14]，每組采用相同的權(quán)值。通過分組得到的權(quán)值為次優(yōu)解，相對每個(gè)子系統(tǒng)都進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算求得的最優(yōu)解，系統(tǒng)性能會(huì)有下降，但是整體的計(jì)算量將隨著分組數(shù)目的增加而線性減少。

4．結(jié)束語

寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)不再滿足能量信號(hào)的窄帶假設(shè)，能量不能認(rèn)為集中于中心載頻，這導(dǎo)致智能天線算法結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性大幅度上升。本文針對寬帶智能天線優(yōu)化算法的高復(fù)雜性，將復(fù)雜的寬帶智能天線結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化到空時(shí)頻域依次處理。原來復(fù)雜的優(yōu)化過程被分解到相互獨(dú)立的多個(gè)空頻子系統(tǒng)中并行處理，大大降低了寬帶智能天線系統(tǒng)優(yōu)化算法的運(yùn)算量，有效地提高了寬帶智能天線系統(tǒng)的性能。

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The Wideband SmartAntenna Technology in Mobile Communication System

Liang Huanhui
(Guangzhou Science Vocational Technology College,Guangzhou 510275,Guangdong)

The technology of smart antenna signal processing is an essential technology in mobile communication.In the paper, the development and present status of smart antenna technology are introduced.For the high complexity of wideband smart antenna optimal algorithms,a novel optimization algorithm based on the frequency-invariant synthesis is presented.

adaptive signal processing;wideband smart antenna;frequency-invariant

梁奐暉，男，廣東陽江人，研究生，高級工程師。研究方向：自適應(yīng)陣列算法優(yōu)化。

廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2014ZR08。