未來(lái)移動(dòng)通信系統中的智能天線(xiàn)技術(shù)

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：深圳市彼達通訊設備有限公司   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月28日

　　隨著(zhù)全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的無(wú)線(xiàn)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在提高無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統性能時(shí)考慮的主要因素。智能天線(xiàn)利用數字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準用戶(hù)信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號并刪除或抑制干擾信號的目的。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線(xiàn)技術(shù)在移動(dòng)通信中的應用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。

1　智能天線(xiàn)技術(shù)的起源和發(fā)展

　　智能天線(xiàn)通常包括多波束智能天線(xiàn)和自適應陣智能天線(xiàn)。智能天線(xiàn)最初廣泛應用于
雷達、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(lái)，現代數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現代通信系統所接受。同時(shí)，利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線(xiàn)波束方法，提高了天線(xiàn)系統的可靠性與靈活程度，智能天線(xiàn)技術(shù)因此開(kāi)始在移動(dòng)通信中得到應用。另一方面移動(dòng)通信用戶(hù)數目增加迅速，人們對移動(dòng)通話(huà)質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區在大容量下仍有高的話(huà)音質(zhì)量。使用智能天線(xiàn)可以在不顯著(zhù)增加系統復雜度情況下滿(mǎn)足擴充容量的需要。不同于常規的扇區天線(xiàn)和天線(xiàn)分集方法，通過(guò)在基站使用全向收發(fā)智能天線(xiàn)，可以為每個(gè)用戶(hù)提供一個(gè)窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染與相互干擾。不同于傳統的時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式，智能天線(xiàn)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(hù)仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分。智能天線(xiàn)相當于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶(hù)的并行天線(xiàn)波束控制下，可以顯著(zhù)降低用戶(hù)信號彼此間干擾。具體而言，智能天線(xiàn)將在以下方面提高未來(lái)移動(dòng)通信系統性能：(1)擴大系統的覆蓋區域；(2)提高系統容量；(3)提高頻譜利用效率；(4)降低基站發(fā)射功率，節省系統成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。

　　智能天線(xiàn)可以通過(guò)模擬電路方式實(shí)現：首先根據天線(xiàn)方向圖確定饋源的激勵系數，然后確定饋源的饋電網(wǎng)絡(luò )即波束形成網(wǎng)絡(luò )。由于饋電布線(xiàn)呈矩陣狀，實(shí)現很復雜，隨著(zhù)陣元數目增加，更增加電路復雜度。為此，未來(lái)移動(dòng)通信智能天線(xiàn)采用數字方法實(shí)現波束成形，即所謂數字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天線(xiàn)。使用軟件設計完成自適應算法更新，可以在不改變系統硬件配置前提下，增加系統靈活性。

2　智能天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現方案

　　智能天線(xiàn)分為兩大類(lèi)：多波束智能天線(xiàn)與自適應陣智能天線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)多波束天線(xiàn)和自適應陣天線(xiàn)。

　　多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數目的確定而確定。隨著(zhù)用戶(hù)在小區中的移動(dòng)，基站選擇不同的相應波束，使接受信號最強。因為用戶(hù)信號并不一定在固定波束的中心處，當用戶(hù)位于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線(xiàn)不能實(shí)現信號最佳接收，一般只用作接收天線(xiàn)。但是與自適應陣天線(xiàn)相比，多波束天線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)需判定用戶(hù)信號到達方向的優(yōu)點(diǎn)。

　　自適應陣天線(xiàn)一般采用4～16天線(xiàn)陣元結構，陣元間距1／2波長(cháng)，若陣元間距過(guò)大，則接收信號彼此相關(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(cháng)。陣元分布方式有直線(xiàn)型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線(xiàn)是智能天線(xiàn)的主要類(lèi)型，可以實(shí)現全向天線(xiàn)，完成用戶(hù)信號接收和發(fā)送。自適應陣天線(xiàn)系統采用數字信號處理技術(shù)識別用戶(hù)信號到達方向，并在此方向形成天線(xiàn)主波束。自適應陣天線(xiàn)根據用戶(hù)信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號有線(xiàn)傳輸的線(xiàn)纜，有效克服了干擾對系統的影響。

　　智能天線(xiàn)采用數字方法對陣元接收信號加權處理形成天線(xiàn)波束，使主波束對準用戶(hù)信號方向，而在干擾信號方向形成天線(xiàn)方向圖零陷或較低的功率方向圖增益，達到抑制干擾的目的。根據天線(xiàn)波束形成的不同過(guò)程，實(shí)現智能天線(xiàn)的方式又分為兩類(lèi)：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陣元接收信號支路加權，調整信號振幅與相位，使天線(xiàn)輸出方向圖主瓣方向對準用戶(hù)信號到達方向。因為是陣元組件信號，模數轉換(ADC)后不經(jīng)其它處理直接加權，故又稱(chēng)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，信號從陣元組件接收并模數轉換(ADC)后，需經(jīng)相應處理(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(guò)波束選擇，從中根據需要選取部分或全部波束合成陣列輸出方向圖。

　　因為用戶(hù)信號往往深埋于噪聲信號與干擾信號中，不易得到陣元接收信號的最佳加權。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強的幾個(gè)波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號，這樣可以在滿(mǎn)足陣列接收效果的前提下減少運算量和降低系統復雜度。

　　智能天線(xiàn)技術(shù)在實(shí)現過(guò)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)需要系統提供與用戶(hù)信號相關(guān)的參考信號，用以計算誤差，控制陣列加權。恒模(CMA)算法利用陣列輸出信號恒包絡(luò )原理，不需要參考信號，屬于盲均衡方法。從通信系統整體考慮，智能天線(xiàn)技術(shù)獨立于傳統的多址方式和調制類(lèi)型，可以應用于TDMA、FDMA或CDMA多址系統。但是，在具體實(shí)現過(guò)程中，天線(xiàn)接收結果是有差別的。

　　作為提高移動(dòng)通信系統容量的重要手段，智能天線(xiàn)主要在基站作用。對于收發(fā)共用類(lèi)型全向智能天線(xiàn)，采用時(shí)分雙工(TDD)方式的自適應天線(xiàn)更為合適。頻分雙工(FDD)方式由于上行(從用戶(hù)到基站)與下行鏈路(從基站到用戶(hù))有45MHz或80MHz頻率間隔，信號傳播的無(wú)線(xiàn)環(huán)境受頻率選擇性衰落影響各不相同，故根據上行鏈路計算得到的權值不能直接應用于下行鏈路。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，上、下行鏈路無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權值，故TDD方式優(yōu)于FDD方式。未來(lái)移動(dòng)通信系統工作頻率更高，在滿(mǎn)足半波長(cháng)陣元間隔條件下，天線(xiàn)尺寸可以做得更小，使在移動(dòng)用戶(hù)端使用智能天線(xiàn)也成為可能。

3　智能天線(xiàn)的研究進(jìn)展

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

3.1　歐洲

　　歐洲通信委員會(huì )(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計劃中實(shí)施了第一階段智能天線(xiàn)技術(shù)研究，稱(chēng)之為T(mén)SUNAMI(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。

　　項目組在DECT基站基礎上構造智能天線(xiàn)試驗模型，于1995年初開(kāi)始現場(chǎng)試驗。天線(xiàn)由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調，陣元分布分別有直線(xiàn)型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數字波束成形的方法實(shí)現智能天線(xiàn)，采用ERA技術(shù)有限公司的專(zhuān)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(xiàn)是收發(fā)全向類(lèi)型，采用TDD雙工方式。系統評估了識別信號到達方向的MUSIC算法，采用的自適應算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。

　　實(shí)驗系統驗證了智能天線(xiàn)的功能，在兩個(gè)用戶(hù)四個(gè)空間信道(包括上行和下行鏈路)下，試驗系統比特差錯率(BER)優(yōu)于10－3。實(shí)驗評測了采用MUSIC算法判別用戶(hù)信號方向的能力，同時(shí)，通過(guò)現場(chǎng)測試，表明圓環(huán)和平面天線(xiàn)適于室內通信環(huán)境使用，而像市區環(huán)境則采用簡(jiǎn)單的直線(xiàn)陣更合適。

　　歐洲通信委員會(huì )(CEC)準備在A(yíng)CTS(Advanced Communication Technologies and Services)計劃中繼續進(jìn)行第二階段智能天線(xiàn)技術(shù)研究，具體問(wèn)題集中于以下方面：最優(yōu)波束形成算法、系統協(xié)議研究與系統性能評估、多用戶(hù)檢測與自適應天線(xiàn)結構、時(shí)空信道特性估計及微蜂窩優(yōu)化與現場(chǎng)試驗。

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(xiàn)。天線(xiàn)陣元布局為間距半波長(cháng)的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在模數變換后，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(xiàn)數字信號處理部分由10片FPGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。

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

　　ATR研究人員提出了如圖5所示的基于智能天線(xiàn)的軟件天線(xiàn)概念：根據用戶(hù)所處環(huán)境不同，影響系統性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號間干擾)也不同，利用軟件方法實(shí)現不同環(huán)境應用不同算法，比如當噪聲是主要因素時(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)現實(shí)時(shí)天線(xiàn)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用于無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路(WLL)智能天線(xiàn)系統。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現場(chǎng)實(shí)驗表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統容量提高四倍。信威公司智能天線(xiàn)采用八陣元環(huán)形自適應陣列，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(xiàn)試驗環(huán)境，著(zhù)手理論于實(shí)際系統相結合。加拿大McMaster大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了4元陣列天線(xiàn)，采用恒模(CMA)算法。國內部分大學(xué)也正在進(jìn)行相關(guān)的研究。

4　結　語(yǔ)

　　智能天線(xiàn)對提高系統容量具有巨大潛力，近年來(lái)備受關(guān)注。但是由于自適應過(guò)程實(shí)現中影響因素復雜，難于動(dòng)態(tài)捕獲并跟蹤用戶(hù)信號，再加之移動(dòng)多用戶(hù)及多徑情況下的時(shí)空信道盲辨識也是難點(diǎn)，所以在移動(dòng)環(huán)境中采用自適應陣列智能天線(xiàn)尚有困難。從目前情況看來(lái)，智能天線(xiàn)正逐步應用在固定無(wú)線(xiàn)接入系統中，以適應用戶(hù)固定而無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境不斷變化的情況。同時(shí)，多波束天線(xiàn)也是一種相對易于實(shí)現的折衷方案?？傊?，未來(lái)移動(dòng)通信系統中所用智能天線(xiàn)應該是基于高性能數字信號處理技術(shù)下，且不顯著(zhù)增加現有系統復雜度的方案折衷。

　　根據自適應天線(xiàn)與多波束天線(xiàn)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)現復雜度的天線(xiàn)接收方案。在基站采用多波束天線(xiàn)(波束數為N)，可以提高系統的穩定性，減少反向鏈路基站接收的干擾信號數目至1／N，避免當基站天線(xiàn)跟蹤大量移動(dòng)用戶(hù)時(shí)出現的實(shí)時(shí)測向問(wèn)題。在移動(dòng)臺采用自適應天線(xiàn)，比如兩個(gè)陣元的自適應天線(xiàn)，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)臺相干接收的導頻信號來(lái)測向。由于對于每一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)，僅需跟蹤一個(gè)所在小區的基站信號方向，大大簡(jiǎn)化了信號方向測定的難度。在移動(dòng)臺采用TDD方式收發(fā)信號，則接收時(shí)的陣元加權可以直接用于發(fā)射，使得移動(dòng)用戶(hù)發(fā)射信號集中在基站的接收波束之內，信號利用率提高，可以降低移動(dòng)臺發(fā)射功率，減少電磁污染，同時(shí)補償了基站接收的用戶(hù)信號不處于基站接收天線(xiàn)波束最大增益處時(shí)的衰減。關(guān)于此問(wèn)題，我們將進(jìn)一步研究該方案對提高系統容量的作用。

智能天線(xiàn)系統（smart antenna system）

目前移動(dòng)通信基站的天線(xiàn)大部分是全向性的天線(xiàn)，在尋呼移動(dòng)通信用戶(hù)時(shí)是在覆蓋的整個(gè)小區尋找，天線(xiàn)的功率和信號強度大部分消耗在傳輸之中。新型的天線(xiàn)采取分區尋呼的方式，就是把天線(xiàn)的波束分成多個(gè)不同角度的分區。智能天線(xiàn)就是在分區傳輸路徑（sectorized transmission path）的概念上發(fā)展出來(lái)的。智能天線(xiàn)應用了先進(jìn)的技術(shù)，把無(wú)線(xiàn)電的信號導向具體的方向，使無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。使用的先進(jìn)技術(shù)主要是波束轉換技術(shù)（switched beam technology）和自適應空間數字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology）。

應用波束轉換技術(shù)的智能天線(xiàn)是在分區的基礎上向用戶(hù)方向發(fā)送多個(gè)波束，根據測量各個(gè)波束的信號強度跟蹤移動(dòng)用戶(hù)，能在移動(dòng)用戶(hù)移動(dòng)時(shí)逐個(gè)轉換波束。因此也稱(chēng)為波束轉換天線(xiàn)（switched beam antennas）。把波束分成許多窄波束能使信號增強，并且能較好地抑制干擾，可以使干擾降低很多，提高服務(wù)質(zhì)量。

波束轉換的智能天線(xiàn)系統主要用于模擬移動(dòng)通信。用于數字移動(dòng)通信網(wǎng)的是應用自適應數字處理技術(shù)的智能天線(xiàn)。

自適應數字處理技術(shù)的智能天線(xiàn)是利用數字信號處理的算法去測量不同波束的信號強度，因而能動(dòng)態(tài)地改變波束使天線(xiàn)的傳輸功率集中。應用空間處理技術(shù)（spatial processing technology）可以增強信號能力，使多個(gè)用戶(hù)共同使用一個(gè)信道。

RAD/RASP天線(xiàn)陣（RAD/RASP antenna array）

RAD是遠程天線(xiàn)激勵器（Remote Antenna Driver）的縮寫(xiě)；RASP是遠程天線(xiàn)信號處理（Remote Antenna Signal Processing）技術(shù)的縮寫(xiě)。RAD/RASP天線(xiàn)陣是以RAD和RASP技術(shù)為基礎開(kāi)發(fā)出來(lái)的天線(xiàn)陣系統（Antenna Array System）。

這種天線(xiàn)陣系統可以設置在先進(jìn)的HFC（混合光纖/同軸）網(wǎng)中。在HFC網(wǎng)的前端（headend）或運營(yíng)中心（operation center）中設置一個(gè)RASP轉換設備。用來(lái)將電話(huà)信號轉換為無(wú)線(xiàn)傳輸的信號。RAD收發(fā)器（transceiver）和接收等則是裝設在網(wǎng)的遠端，用來(lái)把收到的無(wú)線(xiàn)電信號傳送給移動(dòng)通信用戶(hù)，是天線(xiàn)陣的遠端單元?？梢匝杆俚財U大移動(dòng)通信的覆蓋面。特別是許多有線(xiàn)電視的經(jīng)營(yíng)者，認為這種天線(xiàn)陣系統是他們能在有線(xiàn)電視網(wǎng)上開(kāi)通移動(dòng)電話(huà)業(yè)務(wù)的最迅速、最省錢(qián)的最佳途徑。