基于软件无线电的智能天线技术研究

基于软件无线电的智能天线技术研究
摘要:针对无线通信领域中存在的多种通信体系共存,各种标准竞争激烈等问题提出基于软件无线电的智能天线技术。

简述了目前软件无线电的研究状况及无线电的关键技术之一——智能天线,采用软件无线电和智能天线融合的方法研究,较好地解决了体系共存和频带资源使用问题。

基于软件无线电技术的智能天线采用开放式结构，系统可重构，通过同时对信号在时间和空间上进行采样和处理，可以更充分地开发信号中蕴含的有用信息。

关键词:软件无线电;智能天线
1. 引言
智能天线是一种用于个人移动通信，能够根据所处的电磁环境智能地调节自身参数，从而使通信系统保持最佳性能的阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，从而对干扰信号进行抑制，提高所需信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。

2. 智能天线的基本特点
2.1智能天线与通常的自适应天线的不同点
1）首先，两者的应用目的不同。

自适应天线阵是采用迭代自适应算法，应用于军事抗干扰通信的阵列天线，主要用于雷达系统的目标跟踪和干扰抵消;而发展智能天线的初衷是通过抑制干扰和抵抗衰落来增加移动系统的容量，提高频谱利用率，进而实现SDMA。

2）常规自适应天线阵一般接收到的干扰信号具有很强的功率电平，并且干扰源数目与天线阵列单元数相当。

而在无线通信系统中，由于多用户通信以及多径传播环境，使得到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数，同时其功率电平一般都小于直射信号。

3）自适应天线只是从干扰中捕获一个源的期望信号，而智能天线是多用户系统，需要从同一信道中提取出各个用户的信号，不仅包括智能化接收，还包括多用户多波束智能化发射。

考虑到用户的移动将带来信道的时变性，因此智能天线实现起来更复杂，技术要求更高。

2.2.智能天线应用于移动通信具有以下优势:
1）可以大大减少电波传播中的多径衰落。

由于无线通信系统的性能很大程度上取决于衰落的深度和速度，因此，降低信号在传播中的变化可以提高通信系统的性能。

2）可以大大提高系统容量。

采用智能天线可以提高信号干扰比SlR，而系统容量取决于SIR，SIR的提高意味着容量的增加。

3）可以延长移动台电池的使用寿命。

天线波束赋形的结果等效于提高天线的增益，因此
移动台的发射功率也可以相应降低。

4）采用智能天线较全向天线具有更大的覆盖区。

智能天线可以提高天线的增益，这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度或增加了基站发射机的等效全向辐射功率(EIRP)。

在同等条件下，天线方向增益增加9dB等效于增加通信距离50%(按4次方律衰落计算)。

5）可以放松对功率控制的要求。

CDMA系统是一自干扰系统，它必须通过功率控制来克服远近效应和抑制系统的干扰。

而在实际系统中，信号的实时衰落特性是未知的，信号不仅经受阴影衰落，还要经受瑞利衰落，因此，系统必须严格进行功率控制，采用智能天线可以放松这一要求。

3.智能天线的功能结构与主要技术
智能天线利用用户空间位置差异，通过上行空域滤波和下行选择性发送来提高系统容量。

主要途径有:
1)利用智能天线的波束形成和自适应测向跟踪能力，实时地形成窄的主波束对准期望信号，在其它方向尽量压低付瓣增益，从而降低同信道干扰(CCI)以及因多径引起的衰落和码间串扰(ISI)来提高接收信号的信干噪比、提高系统容量。

2)把智能天线等效为空域滤波器，实现空分多址传输(SDMA)。

在SDMA中，各用户可以共享同一常规信道(频道、时隙、码道)，但各用户信号是经历了不同的空间路径到达基站阵列的，即具有不同的“空间信道”，因此能使通信容量得到成倍提高。

3.1 智能天线的系统实现框图。

智能天线的关键技术包括智能化接收和智能化发射两个方面。

系统实现框图如图3-1所示。

图3-1智能天线的系统实现框图
3.2智能化接收
智能化接收的研究可以分为两种类型，一类是空域处理，主要关心阵列输出，不涉及具体的接收机技术;另一类属于空时二维信号处理，即将接收机时域处理与空域处理相结合进行研究。

在智能天线系统中，由于各用户占用同一信道，信道共享带来的CCI和多径信道带来的ISI将会使到达基站的用户信号发生畸变，因此必须采用一些自适应算法、利用信道估计和均衡技术将各用户精确分离和恢复。

完成智能化接收的方法主要分为盲算法和非盲算法。

非盲算法使用训练序列或导引信号，占用了一定的信息资源，所以，目前盲算法倍受重视。

在盲算法中，波束形成以及多用户分离是一种全盲的辨识过程，整个上行信道等效为一个“多重单输入多输出系统”(MSIMO系统) ，唯一可以利用的是信号的时域信息和先验特征，这些特征包括:
a. 恒模特性
在移动通信中，许多传输波形具有恒定的包络。

1980年Godard提出了一种无需借助训练序列的自适应恒模算法，其基本思想是:恒模信号在经历多径衰落或受到干扰时会产生幅度扰动，因此可定义一种“恒模准则”控制权矢量迭代，使自适应滤波器的输出恢复成恒模信号。

特点:是所依靠的先验知识只是信号的恒模特性，不需要额外的参考信号(自身生成参考信号)，对阵列模型误差不敏感。

缺陷:是当存在多径时有可能收敛到局部最优点，即意味着捕获了非期望信号或选择了信噪比差的路径。

b. 循环平衡特性
统计特性随时间变化的随机过程统称为非平衡过程。

非平衡过程中有一个重要的子类:它们的非平衡性表现为循环平衡特性。

通信中的信号由于经过人工调制均具有循环平衡特性，即使对于基带数字码流，当对其进行时间或空间过采样后也会表现出循环平衡性。

与平衡信号不同，循环平稳信号的二阶统计量包含有相位信息，因此可以进行信道辨识而无需借助复杂的高阶统计量(如累积量)方法。

另外，在阵列信号处理中可以利用循环平稳信号的谱相关性使算法具有较强的信号选择能力、过载能力、抗干扰能力和对各种带宽信号的适应能力。

此外，为了给智能下行提供依据，以便在下行传输时形成物理波束，在上行时还需要估计出一些反映用户空间位置的参量，如DOA、空域特征(SS)等。

高分辨阵列处理技术近年在无线通信和智能天线研究中常常被用来获取空间信号的参数(主要是DOA和SS)，基于这些参数可以按最优化准则设计出阵元加权矩阵，从阵元输出中滤出各用户信号，同时实现下行多波束形成。

与智能天线有关的高分辨阵列处理方法可分为两大类:子空间方法(如MUSIC、ESPRIT 等)和基于参数估计准则的方法(如最大似然方法等)。

3.3智能化发射
智能化发射又叫下行选择性发送，即利用用户的空间差异，保证每个用户只接收到基站发给它自己的下行信号而不受同一信道中基站发给其它用户信号的干扰。

下行链路采用智能天线的最大优点是：
把基站盲目的、广播式的传播变为定向的信号传递。

采用智能天线后，一方面可能简化基站的设备，例如:过去基站要发射10OW的功率则需要10Ow的功放，当采用十单元的天线阵列后，每单元只需IW的功放来激励。

另一方面，定向传播将极大地减少基站对其他用户的人为的干扰，净化了电磁环境，提高了系统容量。

3.4当前实现智能化发射主要方法:
1）基于反馈的方法。

其主要思想是，基站通过下行信道周期性地向各移动台发射训练信号，根据移动台通过上行链路反馈的信号，可以估计最佳的下行链路加权矢量。

该方法的最大缺点是既浪费上行信道又浪费下行信道的带宽，实际上属于传统训练序列信道辨识方法。

2）基于上行链路估计的方法。

该方法是利用一些特征参量(如DOA，空域特征)相对于上下链路的不变性，通过对各用户上行信号的盲估计确定下行链路的波束形成方案。

当上下链路同频(如时分双工)时，根据互易原理，可以认为上下行链路的信道响应相同，上行链路的信道估计可以直接用于下行链路。

然而，对现行通信标准，上下行的载波的频率不同(移动通信系统中一般相差45MHZ)所以上下行链路的信道特征差异很大，只能利用上下行链路之间某些几何参数的不变性来形成下行波束，即认为下行链路具有相同的传播路径。

因此，可以基于对上行信号的DOA估计构造下行发送的加权矢量，然后针对各用户的下行路径同时形成波束。

4. 基于软件无线电技术的智能天线
软件无线电核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用A/D和D/A转换器，在通用的硬件平台上，尽最大的可能通过软件来定义无线电的功能。

智能天线作为通信中接收和发射电磁波的空间信号处理器件，客观上要求它必须与软件无线电的发展进行技术上的兼容。

要求A/D，D/A尽量靠近前端，用数字信号处理的方法进行波束合成。

美国1995年在DAMPS系统中首次将软件无线电技术应用于智能天线系统，用软件完成算法更新。

所以说，智能天线系统是软件无线电技术的一个成功的应用实例。

随着DSP处理
速度的提高，智能天线技术与软件无线电技术的融合具有必然性，而且基于软件无线电基站的智能天线系统己经得到实验验证和广泛的研究。

基于软件无线电技术的智能天线的基本思想:核心是使用高速的数字信号处理器完成中频采样之后的所有数字运算，其具有智能的、可编程的数字信号处理核心可以对固定阵列天线接收下来的信号进行加权、优化组合，实现数字波束形成;其灵活的个性化配置可以引入软件模块、算法库、空时二维信号处理等技术，构成了可以动态配置的智能天线。

4.1基于软件无线电技术的智能天线结构
图4-1软件无线电系统的智能天线功能框图
基于软件无线电系统的智能天线功能框图如图4-1所示。

在这个图中，天线部分是由M 个全向天线阵元组成的天线阵。

每一个天线阵元有它自己的下变频和宽带A/D采样，接收信号通过下变频器将射频信号搬移到中频，再通过A/D采样送入软件处理部分。

在软件处理部分，首先要对信号进行参数估计，包括信号个数、信号到达角(DOA)、信号到达时间(TOA)、极化形式、功率、带宽等，如有必要还要对信号环境进行识别。

根据这些参数的估计，然后进行算法的选择，选择最佳算法对信号进行信道分离，并进行波束形成。

4.2 基于软件无线电技术的智能天线的优点
1）软件无线电技术智能天线系统采用模块结构提供了条件，可以将天线阵的功能单元分为模块结构，各模块间通过标准的接口进行消息的传递，而不必知道其内部是如何实现的，所以每个模块都可以独立地进行开发，而不影响其它模块的功能，从而实现自适应天线阵的开放式结构，保证该天线阵在技术上的不断升级。

2）由于使用了软件无线电技术的基站和终端设备都采用高速数字信号处理器和高速A/D 变换器，全部基带信号处理和变换都用软件来完成，也能有效保证智能天线的实现；在抑制
中干扰方面，难以有一种普遍适用的最佳算法，软件无线电中的智能天线可以汇集多种算法于同一系统，能做到通过改变软件来实现算法的更换。

3）基于软件无线电结构的智能天线系统可以引入算法库的思想。

依据现实经验以及理论结果，将不同信号形式、通信环境对应的最佳算法组成算法库;并且该算法库可以动态刷新，在算法库中将不同信号形式对应的高分辨率估计方法及自适应波束形成、自适应调零算法建立一种表对应关系。

并在系统中预设一种信号参数估计算法，由该算法估计信号参数的初步结果，由该结果查表寻找最佳的波束形成、调零算法及信号估计算法。

若在算法库中没有对应的算法，则按照某种原则依次试用各算法，并根据天线输出的性能指标测试结果找出最佳算法，同时刷新算法数据库，使得该天线阵具有学习功能。

4.3 基于软件无线电技术的智能天线的实现方案
a. 基于软件无线电的软扩容智能天线系统
软扩容智能天线通常使用在码分多址CDMA系统中。

在CDMA系统中，系统所具有的码分信道数远大于系统实际能够支持的用户数，所以CDMA系统的容量完全由系统的信噪比决定。

智能天线可以提高系统的信噪比，所以对于给定的信噪比门限值，采用智能天线的系统可以利用空余的码分信道容纳更多的用户，达到扩容的目的。

在CDMA系统中，所有的用户共用同一个物理信道，每个用户使用不同的伪噪声序列进行区分，具有不同的“码道”。

理论上，有取之不尽的码资源，但由于各个码序列之间不可能完全正交，所以存在码间干扰，又称为多址干扰。

而且，由于每个用户发射的信号又经过多次反射后进入接收机，即每一个用户有N个多径信号被接收，有多径干扰。

基于软件无线电的软扩容智能天线系统。

每一个阵元接收的信号经过信道的分离，分别得到多个信道的信号。

换句话说，每一个信道的信号现在都有多个阵元接收的信号，这样就可以利用波束形成算法对接收信号进行处理，每一个信道使用一个波束形成模块。

每个码道(用户)对应一套权值，根据设定的接送准则和智能算法，自适应调整波束形成算法中的权矢量，使天线阵产生的定向波束指向移动用户，减少了多址干扰的影响;如果对每一接收天线加上若干抽头延时线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多径干扰的影响，可以得到一个最佳的接收信号。

从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。

b. 基于软件无线电的硬扩容智能天线系统
硬扩容智能天线主要用于FDMA，TDMA系统。

与CDMA系统不同，FDMA、TDMA系统的信道数和能支持的用户数完全相同，所以在这类系统中智能天线必须利用其空域滤波的能力，使空间角度不同的多个用户能够使用同一传统信道(FDMA信道、TDMA信道)。

硬容
量扩容实际是一个传统信道再分为若干个空分信道，实现SDMA，从而成倍地提高系统容量。

图4-2 基于软件无线的硬扩容智能天线的框图
图4-2为基于软件无线的硬扩容智能天线的实现方案。

它的独特之处在于将简单的波束形成算法改为波束形成与信道分配算法，它充分利用了智能天线可以调节权矢量，任意放置方向图主瓣方向和零点位置的特点，可以在同一个常规信道(频道、时隙、码道)调节方向图主瓣分别对准K个方向，这样就可以在同一个常规信道中同时接收K个用户的信号，使得各用户信号经历了不同的空间路径到达天线阵列，即具有不同的“空间信道”，实现了空分址(SDMA)。

从图中可以看出，“信道11”至“信道IK”代表在信道1中扩充的K个信道，这K 个信道分别由信道分配算法形成不同方向的主瓣来构成，如果在信道1中同时有K个用户在通话，而每个用户在基站的不同方向上，在这种情况下，波束形成与信道分配算法可以将一个波束指向用户1的方向，而在其它方向上设置零点，构成了用户1在“空间信道11”上通话:同样“空间信道12”在用户2的方向上设置主波束，可以负责基站与用户2之间的通话。

因此，在同一常规信道上同时产生了K个“空间信道”，即一个具有L个常规物理信道的系统可以为最多KL个用户服务，使得通信信道得到“倍增”。

4.4 软件无线电基站的智能天线系统
理想的软件无线电基站的系统中，调制与解调、均衡、协议等都是以软件在DSP中实现，“理想”的环行器具有宽带特性，且与天线以及放大器之间完全匹配，所以避免了使用通常具有固定频率的收发共用器，这样的基站可以进行多波段甚至多模式的无线通信。

框图如图4-3所示。

图4-3 理想的软件无线电基站的系统框图
理想的软件无线电结构应使A/D转换器尽量靠近射频器，由于现有硬件水平的限制，加入下变频器后可以使系统采样率降低，在现有技术条件下可以达到实用化的目的，如下图4-4所示。

该图为一单波段接收器，采用正交下变频器直接将射频变为基带信号，实现零中频，用软件实现数字滤波，不需要在中频用硬件进行滤波，具有更好的信道选择特性，而且节省了费用。

图4-4 单波段接收器的系统框图
软件无线电基站的智能天线由天线阵、射频接收模块、数字下变频和智能处理器几个部分组成。

经天线阵元接收到的射频信号通过低噪声放大、下变频成中频信号，然后经A/D变换将其转变为数字信号，再进行数字下变频，输出基带IQ信号，最后送入智能处理器，在系统的控制下对IQ信号进行加权处理、达到数字波束形成的目的。

4.5 一个具体的智能天线实验系统(设频率为2GHz)：
4.5.1 射频接收模块
射频接收模块通过下变频把2GHz的射频信号变换到中频70MHz，射频前端接收到达的信号，完成从射频到中频的频谱搬移，信号的正交分解及带通滤波，框图如图4-5所示。

图4-5 射频接收模块的系统框图
下变频前，首先将天线收到的射频信号进行低噪声放大，一般在50dB左右，噪声控制在ldB以内。

为了达到良好匹配，低噪声放大器的输入和输出口需要接隔离器。

隔离器的插损要求在O.4dB以下，隔离度在28dB左右，驻波比要小于1.3。

下变频器将射频信号变换至70MHz的中频，可选用双栅FET混频器，因为该混频器所需本振功率小，信号一本振隔离度高。

为了抑制谐波及混频杂波，下变频器的射频输入端口和中频输出端口都要加滤波网络。

4.5.2 数字下变频器
由于DSP的速度限制，只能放弃在中频使用DSP，代之在基带进行数字信号处理。

所以数字下变频器的主要功能是完成中频的AD变换，并利用数字技术完成变频功能，输出基带IQ信号，如图4-6所示。

图4-6数字下变频器的系统框图
数字下变频器可采用专用的数字下变频器件，也可以采用可编程逻辑器件实现。

对数字下变频的要求是应具有一定的灵活性和可编程性，例如可以对本振频率进行调整、实现对采样速率灵活转换、定时调整功能及具有可编程的基带滤波器等等。

系统控制器除完成系统的初始配置、提供解调数据与接口模块相互之间的接口外，由于CUP处理速度的飞速发展，还可以用来完成一些实时性要求不高的计算。

4.5.3 设计方案
图4-7所示为智能天线设计方案框图，该方案利用8个天线单元构成的直线阵列接收信号，接收到的信号为载频2GHz的QPSK信号。

将该信号本振信号混频后，经滤波输出70MHZ 的中频信号。

70MHz的中频信号经由数字下变频器后输出基带信号，送入数字波束形成器、由IQ正交加权模块进行信号的矢量合成，IQ正交加权模块可独立地对输入的8路基带信号进行加权叠加，形成等效的空间方向图，从而将具有某一空间到达角的信号选取出来。

如果具有多套正交加权模块，可以独立地分辨多个空间到达角不同的信号。

智能天线系统中的波束形成器由控制器进行控制，可用计算机CPU完成。

图4-7 智能天线设计方案框图
5 结论
目前,第三代移动通信标准中都把智能天线技术作为其具体实现的后备技术之一,虽然智能天线的应用研究还只是停留在实验平台的开发上,真正走向实用的智能天线还存在许多困难需要克服。

但是可以相信,智能天线一定会随着高效简单算法的提出,高速数字信号处理芯片的推出,逐渐从理论研究走向实用阶段,特别是软件无线电技术的应用,将极大地加速智能天线走向实用化的进程。

参考文献:
[1] Joseph C Liberti Jr ,et al . Smart Antennas For Wireless Communications : Is-95 and Third Generation CDMA Applications[M] . Prentice Hall ,19991.
[2] Ahmed EL Zooghby. Potentials of Smart Antenna in CDMA Systems and U-plink Improvements[J] . IEEE Antennas and Propagation Magazine ,2001 , 43 (5) :17221771.
[3] Jinho Choi . A Receiver of Simple Structure of Antenna Array CDMA Systems[J] . IEEE Trans on V eh Tec ,1999 ,48 (5) :1332213401.
[4] Mitola J . The Software Radio Architecture[J] . IEEE Communication Magazine ,1995 (5) :261.
[5] 杨小牛,楼才义,徐建良. 软件无线电原理与应用[M] . 北京:电子工业出版社,20011.
[6] 吴伟陵. 移动通信中的关键技术[M] . 北京:北京邮电大学出版社, 20001.。