移动通信中的智能天线技术

移动通信中的智能天线技术【摘要】对现代移动通信系统中采用的智能天线技术进行了研究。

介绍了智能天线技术的概念；阐述了智能天线的工作原理，基本结构，应用技术和类型；列举了智能天线技术采用算法，并重点说明了现今智能天线技术采用较多的几种自适应算法；同时，还叙述了智能天线在TD-SCDMA 中的应用,以及未来的发展前景。

一、概述智能天线又称为自适应天线阵列，兴起于20世纪60年代。

智能天线技术的核心是阵列信号处理，早期应用集中于雷达和声纳检测领域，70年代后期被引入军事通信，而应用于民用蜂窝通信则是近10年的事情。

一般而言，智能天线是专指用于移动通信中的自适应天线阵列。

在移动通信中引入智能天线技术的目的是为了充分利用空域资源，提高系统的性能和容量。

移动通信中信道传输条件较恶劣，信号在到达接收端前会经历衰减、衰落和时延扩展，另外还有来自其他用户的干扰，它们是限制系统通信质量和容量的重要因素。

为了对抗这些影响，在第2代系统中广泛采用了诸如调制、信道编码、均衡（TDMA系统）、RAKE接收（CDMA 系统）等时频域信号处理技术，以及分集天线、扇形天线等简单空间处理技术，在发挥各自功效的同时，它们有共同的不足，即无法对空域资源进行有效利用。

理论研究和实测结果均表明，有用信号、其延时样本和干扰信号往往具有不同的DOA（波达角）和空间信号结构，利用这一空域信息可以使我们获得附加的信号处理自由度，从而能更有效地对抗衰落和抑制干扰。

为了满足人们不断增长的对移动通信质量和容量的要求，越来越多的研究者和工程技术人员将目光投向智能天线技术。

在移动通信中引入智能天线技术后，可以起到空域滤波作用：在用户信号方向形成高的接收增益，而在干扰方向形成“零陷”或较低的接收增益，提高信号噪声干扰比，进而提高系统性能和容量。

二、智能天线的工作原理移动通信系统中采用的智能天线技术在工作时引入了空分多址的概念，利用用户空间位置的不同来区分用户。

系统通过调整天线阵列中各个天线单元上的可编程器件，来改变各个天线单元的权值，从而将天线用于接收信号的波束导向具体某一方向，产生定向的空间波束，产生的天线波束的主波束对准期望信号方向，旁瓣或零陷对准干扰信号，有效地接收了期望信号，并消除了干扰；智能天线系统还利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术，在同一信道上实现了接收和发送多个移动用户信号，而互不干扰的效果，使不同的移动用户可以使用同一段频谱资源，实现了资源共享。

三、智能天线结构智能天线系统在结构上已经形成了模块化设计，大体分为天线阵列，模/数或者数/模转换，自适应处理，波束成型网络等四大部分。

其中天线阵列用于在接收或发送模拟信号时形成期望的波束，主要分为线阵，面阵，圆阵，三角阵，不规则阵和随机阵等；模/数或数/模转换部分在接收信号时将模拟信号转换成数字信号，在发送信号时将数字信号转换成模拟信号；自适应处理部分根据自适应算法和波达角估计算法来产生期望的权值；波束成型网络部分通过得出的权值对各个天线阵元进行动态自适应加权处理，并利用天线陈列产生期望的自适应波束。

四、智能天线的应用技术按照技术方向划分，智能天线的技术主要可以分为智能天线的接收部分技术，发送部分技术，以及动态信道分配技术等三方面技术。

其中智能天线的接收技术应用于移动通信中接收上行链路传输的移动用户信号的过程，通过采用信道估计和均衡技术抵抗在同一信道接收的不同用户间的多址干扰和码间串扰，分离出各个移动用户，接收的同时，为了给系统发送信息提供相关参数，还需要估计出反映用户空间位置信息的参量；发送部分技术，是系统利用下行链路发送移动用户信号的过程中使用的技术，主要是通过动态控制发射信号功率实现的，保证每个用户只接收系统发给它的下行信号，不受同一信道中系统发送的其他用户信号的干扰，减少其他移动用户对该用户的干扰；动态信道分配技术则是通过空分信道与时分信道、频分信道、码分信道以及切换技术相结合方式，保障通信质量，有效利用信道资源。

五、智能天线的类型在智能天线的应用过程中，系统的波束形成方案按照形成的波束的方向图是否是固定不变，将对应两种不同的工作方式，各个工作方式对应的智能天线分别称为多波束切换智能天线和自适应智能天线。

其中多波束切换的智能天线采用固定的，预定义，有限数目的波束，每个波束的指向是固定的方向，波束宽度也随天线阵元的数目而确定，在同一信道采用不同波束给不同用户发送信号，接收时从预定义的波束选择进行接收，其工作波束图如图所示。

多波束切换的智能天线，接收的用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束的智能天线，虽然实现较为简单，已为许多工程使用，但其在理论上并不是最佳接收。

自适应的智能天线采用自适应算法进行处理，其工作原理主要使用反馈控制的方法，改变天线阵列中各个天线单元的权值，从而改变天线阵元形成的波束方向图：将接收的方向图主瓣对准信号接收方向，副瓣，零陷对准干扰方向，从而接收有用信号，抑制干扰信号，提高了系统工作的信噪比，其工作波束图如图所示。

自适应智能天线的接收是最佳接收，经实验论证，在没有多径干扰和角度扩展的情况下，其误码率为零。

在现在应用中自适应智能天线虽然在理论上可实现最佳接收，但当接收移动用户超过智能天线系统的容量，多颈干扰严重时，仍很难识别用户信息，而自适应智能天线通过自适应算法自动调整接收天线方向图，虽然可以达到理论上的最佳接收效果，但因为自适应智能天线需要通过自适应算法进行大量计算，因此对实时性较差，在实际应用中较少使用，但它是理术现在和未来主要的发展方向。

六、智能天线的算法由于自适应智能天线系统的核心是其使用的波束形成算法，因此对自适应智能天线的波束形成算法的研究在使用智能天线技术的现代通信中占有重要地位。

通过对波束形成算法的研究并对其加以改进，是未来改进自适应智能天线，以使其成为在实际中大规模应用主要措施之一。

智能天线的波束形成算法统计的最优波束形成方案主要有SNR、LCMV 和MMSE 三种。

其中SNR 方案要求在系统阵列的输出端使期望信号分量功率与噪声分量功率之比最大；LCMV 方案基于在某个线性约束的条件下，使阵列输出的方差最小的原理工作；MMSE 方案则要求满足阵列输出与期望响应之差最小化的条件。

以上三种方案都是基于使代价函数最小，从而使阵列输出端的信号质量最优原理，求出各个方案下权值的计算公式，从而得出期望波束，实现自适应调整。

其中MMSE 准则较多采用，由该准则推导出的许多自适应算法在实际中得到很多应用。

MMSE 方案主要分为两种准则：a)LS 算法准则。

被称为最小二乘算法，基于时间平均进行统计运算。

LS 算法是在有限数目的时间采样上使阵列输出和期望响应间的差值最小。

在LS 算法中代价函数为：J(w k)=|∑w k H u m−d k,mP−1m=0| 2通过计算得，LMS 算法使J(w k)最小的得到的w k为w k=(A h A)A H d kb)MMSE 算法准则。

被称为最小均方差算法，基于集平均进行统计运算。

MMSE 算法从集平均的角度考虑，计算出一个权向量，在稳态的所有可能实现的集合中是最优的。

在MMSE 算法中代价函数为：J(w k)=E|w k H u i−d k,i|2通过计算得，MMSE 算法使J(w k)最小的得到的w k为：w k=R−1p智能天线的三种最优波束形成方案虽然是系统的最优波束形成方式，但需要求解正规方程，为其在移动通信系统普及应用造成了困难，因为权向量必须随着移动环境进行周期性自适应调整，而每次调整的权向量值照原值仅有很小变化，但每次求解正规方程得出权向量计算量很大；同时，估计的权向量数据可能会受到噪声污染，需要对权向量进行更新，以平滑对最优响应的估计，减少噪声影响，因此在实际应用中自适应智能天线系统大多采用自适应算法进行周期更新权向量，进行周期处理。

智能天线的自适应算法，主要分为盲算法、非盲算法、半盲算法三种。

其中非盲自适应算法需要系统提供训练序列，包含处理信号的相关信息参数，通过这些参数来进行自适应处理，根据接收到的训练序列可以确定信道响应，并通过一定的准则得出天线单元权值，从而改变智能天线的波束方向图，提高了系统信噪比，减少出现误差几率。

现在主要有：LMS 自适应算法和RLS 自适应算法等；而盲自适应算法不需要提供训练序列，通过与具体承载信息比特无关的一些特征对接收信号的某些特性进行恢复而进行自适应的，主要有恒模算法，最小二乘恒模算法，Bussgang 算法等；而半盲算法则是综合了盲算法和非盲算法特点，先用非盲算法确定初始的权值，然后再用盲算法进行跟踪和调整，从而完成自适应处理。

三种智能天线的自适应算法都有相应的优缺点，非盲算法实现比较简单，但需要参考信号，额外占用了相应的频谱资源；盲自适应算法不需要参考信号，不额外占用频带资源，但它们需要计算的数据量比较大，且容易受到强干扰的影响。

非盲自适应算法综合了盲自适应算法和非盲自适应算法优点，但实现起来比较复杂。

实际应用中主要采用的盲自适应算法和非盲自适应算法，再配以波束方向角估计进行工作。

计算权值的所采用的自适应算法都是基于某个方向性进行工作的，为了确定接收到的信号的方向，以及判断接收到的是否是处理范围的方向的信号，需要使用DOA算法对接收到的所有信号进行估计，确定信号的方向，处理范围内接收信号的数目，信号的协方差矩阵等信息。

智能天线基于阵列的DOA估计算法主要分为四大类：传统法、子空间法、最大似然法、将特性恢复法和子空间法结合的综合法。

其中传统法需要大量的阵元才能获得高分辨率，子空间法利用输入数据矩阵的特征结构实现，是高分辨率的次最优算法；最大似然法通过大计算量可以得到最佳估计值，即使在信噪比很低的情况下也可以得到相应估计值，而综合法利用特性恢复方案区分多个信号，估计空间特征，进而采用子完成智能天线系统定位和下行波束形成的功能，从而提高智能天线系统的分辨率。

七、智能天线在TD-SCDMA中的应用智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵, 阵元间距1 /2波长(若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低, 太小则会在方向图形成不必要的栅瓣, 故一般取半波长)。

智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向(即DO A估计) , 并在此方向形成天线主波束, 他根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道,等同于有线传输时的线缆,从而可以有效的抑制干扰。

考虑到软件无线电系统要求在中频进行采样, 然后用软件完成中频处理。

每秒几十兆的采样速率要求DSP必须有足够快的速度完成操作。

但是粗略的计算表明, 即使采用最快的器件, 在DSP上用软件实现下变频功能还是不现实的, 因为DSP只能完成基带处理的功能。