智能天线在移动通信中的应用概要

智能天线在移动通信中的应用

摘要：介绍了移动通信中关键技术之一的智能天线技术，并就它的结构、算法以及在第三代移动通信中的应用进行了较全面的阐述。

关键词：移动通信；智能天线；天线阵列；自适应算法

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍａｒｔａｎｔｅｎｎａｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｆｏｃｕｓｏｎｉｔｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏ 3Ｇｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｍａｒｔａｎｔｅｎｎａＡｒｒａｙＳｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ

0 前言

随着移动通信的发展，人们不仅从时域和频域的角度来探讨提高移动通信系统数量和质量的各种手段，而且进一步研究信号在空域的处理方法。智能天线技术就是典型的代表。

智能天线技术起源于20世纪40年代的自适应天线组合技术，在当时采用了锁相环技术进行天线的跟踪。1965年，Ｈｏｗｅｌｌｓ提出了自适应陷波的旁瓣对消器技术用于阵列信号处理，之后，又陆续出现了等一系列技术，后来，Ｇａｂｒｉｅｌ将自适应波束形成技术上升到“智能阵列”概念。早在1978年，智能天线就在军事通信中得到了应用，进入20世纪90年代后，才在民用移动通信系统中开始研究应用。该项技术主要应用于以下方面：ａ）信号源定位，确定天线阵列到信号源的方位角；

ｂ）信号源分离，确定各个信号源发射信号的波形；

ｃ）信道估计，确定信号源与天线阵列间传输信道的参数。

1 智能天线的组成

智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的目的。它主要包括天线阵列部分、模数转换、波束形成网络以及自适应信号处理，其结构框图如图1所示。

1．1 天线阵列部分

天线阵列即在空间分开设置一系列天线阵元，并将各阵元接收到的信号作加权处理，通过改变阵列的权值。可使波束形状发生改变。天线阵列相当于在空域对空间信号做离散采样，如同时域中自适应滤波器处理方法一样，也进行诸如滤波、分离及参数估计等。通过信号处理，可使阵列在有效信号方向上产生的波束得到加强，而在干扰信号方向上产生“陷点”（Ｎｕｌｌ），从而提高系统容量、降低系统干扰、扩大系统覆盖范围。图2给出了示意图。

1．2 波束形成网络

智能天线所形成的波束可实现空间滤波的作用，它对期望信号方向具有高增益，而对不希望的干扰信号实现陷波作用。智能天线波束成形的基本方法是：通过将各天线单元输出信号进行加权求和，将天线阵列波束指向到一个方向，使期望的信号得到最大的输出。理想情况下天线单元的加权值如下：

式中：

μ——与相关阵最大特征根有关的比例常数

Ｒ——输入信号相关矩阵

ａ（θ

）——方向矢量

ｄ

1．2 自适应信号处理

自适应信号处理是智能天线智能体现的一个重要方面，它以自适应算法为核心，动态地调整最优加权系数。

2 常用智能算法及其性能比较

自适应算法是智能天线的核心，目前国际上已提出许多算法，归纳起来主要分为盲算法和非盲算法。

所谓盲算法是指发送端不需发送导频信号，训练序列等，接收端可自行估计发送信号，并以此作为参考信号进行接收端的信号处理。盲算法一般是利用调制信号本身固有的一些特征来进行接收处理，这些特征有循环平稳、子空间法等。

非盲算法需要参考信号，利用这些参考信号实现自适应算法。如在3Ｇ中就有专门发送导频信道的信号。

应该说非盲算法相对盲算法而言误差较小，收敛速度较快，但它需要额外的参考信息，而盲算法的优缺点正好相反。现在又有人提出将非盲算法和盲算法相结合的半盲算法，即先利用非盲算法确定初始值，再利用盲算法进行跟踪与调整，这样就可以结合两者的优点更好地进行信号处理。

3 智能天线在3Ｇ中的应用

智能天线技术在3Ｇ中的应用主要体现在2个方面，即基站的收和发，具体而言就是上行收与下行发。

智能天线的上行收技术研究较早，因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中，可根据一定的自适应算法，对空、时域处理的各组权值系数进行调整，并与当前传输环境进行最大限度的匹配，从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值。但在实际工程中，由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时，更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式。因为波束切换中的各权值系数只能从预先计算好的几组中挑选，因此计算量、收敛速度等方面较全自适应方式有优势。然而在这种方式下由于智能天线的工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择，因而它不能完全实现自适应性的任意指向，在理论上只是准最优的。

实现基站智能天线下行发难度相对较大，这主要因为智能天线在设计波束时很难准确获知下行信道的特征信息。目前在这方面主要有下述两种方案：ａ）利用类似第二代移动通信的ＩＳ－95中的上行功率控制技术，形成闭环反馈测试结构形式，也就是说基站通过正向链路周期性地向移动台发射训练序列，而移动台通过反向链路反馈信号，从而估计最佳正向链路加权系数；

ｂ）利用上行信道信息估计下行信道。

对于ＦＤＤ方式，由于上下行频率间隔相差90 ＭＨｚ，衰落特性完全独立因而不能使用。但对ＴＤＤ方式，只要上下行的帧长较短完全可以实现。

4 智能天线的优点

ａ）动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户，能起到空间隔离、消除干扰的作用，动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线；

ｂ）增加系统容量；

ｃ）增加覆盖范围，改善建筑物中的和高速运动时的信号接收质量；

ｄ）提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量；

ｅ）减少发射功率，延长移动台电池寿命；

ｆ）提高系统设计时的灵活性。

参考文献

1 王大庆等．ＣＤＭＡ中智能天线的接收准则及自适应算法．通信学报．1998，（6）

2．郭梯云等．数字移动通信．北京：人民邮电出版社

3 向卫东，姚彦．智能天线及其在无线通信中的应用．无线通信技术．1999，（2）