未來移動通信系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)

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

　　隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個(gè)人通信主要手段的無線移動通信技術(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線移動通信系統(tǒng)性能時(shí)考慮的主要因素。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶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，智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。

1　智能天線技術(shù)的起源和發(fā)展

　　智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于
雷達(dá)、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，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)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(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時(shí)，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)目增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下滿足擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)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)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式，智能天線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，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)性能：(1)擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；(2)提高系統(tǒng)容量；(3)提高頻譜利用效率；(4)降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。

　　智能天線可以通過模擬電路方式實(shí)現(xiàn)：首先根據(jù)天線方向圖確定饋源的激勵系數(shù)，然后確定饋源的饋電網(wǎng)絡(luò)即波束形成網(wǎng)絡(luò)。由于饋電布線呈矩陣狀，實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，隨著陣元數(shù)目增加，更增加電路復(fù)雜度。為此，未來移動通信智能天線采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)波束成形，即所謂數(shù)字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天線。使用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新，可以在不改變系統(tǒng)硬件配置前提下，增加系統(tǒng)靈活性。

2　智能天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

　　智能天線分為兩大類：多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應(yīng)陣天線。

　　多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接受信號最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘柌⒉灰欢ㄔ诠潭úㄊ闹行奶?，?dāng)用戶位于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需判定用戶信號到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。

　　自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實(shí)現(xiàn)全向天線，完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。

　　智能天線采用數(shù)字方法對陣元接收信號加權(quán)處理形成天線波束，使主波束對準(zhǔn)用戶信號方向，而在干擾信號方向形成天線方向圖零陷或較低的功率方向圖增益，達(dá)到抑制干擾的目的。根據(jù)天線波束形成的不同過程，實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩類：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(quán)，調(diào)整信號振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶信號到達(dá)方向。因?yàn)槭顷囋M件信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后不經(jīng)其它處理直接加權(quán)，故又稱組件空間處理方式。

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(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后，需經(jīng)相應(yīng)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)過波束選擇，從中根據(jù)需要選取部分或全部波束合成陣列輸出方向圖。

　　因?yàn)橛脩粜盘柾盥裼谠肼曅盘柵c干擾信號中，不易得到陣元接收信號的最佳加權(quán)。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強(qiáng)的幾個(gè)波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號，這樣可以在滿足陣列接收效果的前提下減少運(yùn)算量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

　　智能天線技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過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(tǒng)提供與用戶信號相關(guān)的參考信號，用以計(jì)算誤差，控制陣列加權(quán)。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(tǒng)整體考慮，智能天線技術(shù)獨(dú)立于傳統(tǒng)的多址方式和調(diào)制類型，可以應(yīng)用于TDMA、FDMA或CDMA多址系統(tǒng)。但是，在具體實(shí)現(xiàn)過程中，天線接收結(jié)果是有差別的。

　　作為提高移動通信系統(tǒng)容量的重要手段，智能天線主要在基站作用。對于收發(fā)共用類型全向智能天線，采用時(shí)分雙工(TDD)方式的自適應(yīng)天線更為合適。頻分雙工(FDD)方式由于上行(從用戶到基站)與下行鏈路(從基站到用戶)有45MHz或80MHz頻率間隔，信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響各不相同，故根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)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、下行鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權(quán)值，故TDD方式優(yōu)于FDD方式。未來移動通信系統(tǒng)工作頻率更高，在滿足半波長陣元間隔條件下，天線尺寸可以做得更小，使在移動用戶端使用智能天線也成為可能。

3　智能天線的研究進(jìn)展

　　目前正處于確立第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí)，歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動通信方案中的地位與作用。已經(jīng)開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(yàn)平臺。

3.1　歐洲

　　歐洲通信委員會(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱之為TSUNAMI(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(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?995年初開始現(xiàn)場試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線，采用ERA技術(shù)有限公司的專用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。組件處理方式天線是收發(fā)全向類型，采用TDD雙工方式。系統(tǒng)評估了識別信號到達(dá)方向的MUSIC算法，采用的自適應(yīng)算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了智能天線的功能，在兩個(gè)用戶四個(gè)空間信道(包括上行和下行鏈路)下，試驗(yàn)系統(tǒng)比特差錯率(BER)優(yōu)于10－3。實(shí)驗(yàn)評測了采用MUSIC算法判別用戶信號方向的能力，同時(shí)，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。

　　歐洲通信委員會(CEC)準(zhǔn)備在ACTS(Advanced Communication Technologies and Services)計(jì)劃中繼續(xù)進(jìn)行第二階段智能天線技術(shù)研究，具體問題集中于以下方面：最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)協(xié)議研究與系統(tǒng)性能評估、多用戶檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時(shí)空信道特性估計(jì)及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗(yàn)。

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。天線陣元布局為間距半波長的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(shù)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。天線數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。

　　野外移動試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模(CMA)算法的多波束天線功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。上述兩種方案在所形成波束內(nèi)，選用最大電平接收信號，不用判別用戶信號到達(dá)方向及反饋控制機(jī)構(gòu)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的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)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(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法，比如當(dāng)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(dāng)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(xiàn)實(shí)時(shí)天線配置，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(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環(huán)形自適應(yīng)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(jī)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試驗(yàn)環(huán)境，著手理論于實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合。加拿大McMaster大學(xué)研究開發(fā)了4元陣列天線，采用恒模(CMA)算法。國內(nèi)部分大學(xué)也正在進(jìn)行相關(guān)的研究。

4　結(jié)　語

　　智能天線對提高系統(tǒng)容量具有巨大潛力，近年來備受關(guān)注。但是由于自適應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)中影響因素復(fù)雜，難于動態(tài)捕獲并跟蹤用戶信號，再加之移動多用戶及多徑情況下的時(shí)空信道盲辨識也是難點(diǎn)，所以在移動環(huán)境中采用自適應(yīng)陣列智能天線尚有困難。從目前情況看來，智能天線正逐步應(yīng)用在固定無線接入系統(tǒng)中，以適應(yīng)用戶固定而無線傳播環(huán)境不斷變化的情況。同時(shí)，多波束天線也是一種相對易于實(shí)現(xiàn)的折衷方案。總之，未來移動通信系統(tǒng)中所用智能天線應(yīng)該是基于高性能數(shù)字信號處理技術(shù)下，且不顯著增加現(xiàn)有系統(tǒng)復(fù)雜度的方案折衷。

　　根據(jù)自適應(yīng)天線與多波束天線各自的優(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(xiàn)復(fù)雜度的天線接收方案。在基站采用多波束天線(波束數(shù)為N)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少反向鏈路基站接收的干擾信號數(shù)目至1／N，避免當(dāng)基站天線跟蹤大量移動用戶時(shí)出現(xiàn)的實(shí)時(shí)測向問題。在移動臺采用自適應(yīng)天線，比如兩個(gè)陣元的自適應(yīng)天線，提供一個(gè)方向自由度，可以利用基站發(fā)射的用于移動臺相干接收的導(dǎo)頻信號來測向。由于對于每一個(gè)移動用戶，僅需跟蹤一個(gè)所在小區(qū)的基站信號方向，大大簡化了信號方向測定的難度。在移動臺采用TDD方式收發(fā)信號，則接收時(shí)的陣元加權(quán)可以直接用于發(fā)射，使得移動用戶發(fā)射信號集中在基站的接收波束之內(nèi)，信號利用率提高，可以降低移動臺發(fā)射功率，減少電磁污染，同時(shí)補(bǔ)償了基站接收的用戶信號不處于基站接收天線波束最大增益處時(shí)的衰減。關(guān)于此問題，我們將進(jìn)一步研究該方案對提高系統(tǒng)容量的作用。

智能天線系統(tǒng)（smart antenna system）

目前移動通信基站的天線大部分是全向性的天線，在尋呼移動通信用戶時(shí)是在覆蓋的整個(gè)小區(qū)尋找，天線的功率和信號強(qiáng)度大部分消耗在傳輸之中。新型的天線采取分區(qū)尋呼的方式，就是把天線的波束分成多個(gè)不同角度的分區(qū)。智能天線就是在分區(qū)傳輸路徑（sectorized transmission path）的概念上發(fā)展出來的。智能天線應(yīng)用了先進(jìn)的技術(shù)，把無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，使無線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(zhuǎn)換技術(shù)（switched beam technology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology）。

應(yīng)用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)的智能天線是在分區(qū)的基礎(chǔ)上向用戶方向發(fā)送多個(gè)波束，根據(jù)測量各個(gè)波束的信號強(qiáng)度跟蹤移動用戶，能在移動用戶移動時(shí)逐個(gè)轉(zhuǎn)換波束。因此也稱為波束轉(zhuǎn)換天線（switched beam antennas）。把波束分成許多窄波束能使信號增強(qiáng)，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(zhuǎn)換的智能天線系統(tǒng)主要用于模擬移動通信。用于數(shù)字移動通信網(wǎng)的是應(yīng)用自適應(yīng)數(shù)字處理技術(shù)的智能天線。

自適應(yīng)數(shù)字處理技術(shù)的智能天線是利用數(shù)字信號處理的算法去測量不同波束的信號強(qiáng)度，因而能動態(tài)地改變波束使天線的傳輸功率集中。應(yīng)用空間處理技術(shù)（spatial processing technology）可以增強(qiáng)信號能力，使多個(gè)用戶共同使用一個(gè)信道。

RAD/RASP天線陣（RAD/RASP antenna array）

RAD是遠(yuǎn)程天線激勵器（Remote Antenna Driver）的縮寫；RASP是遠(yuǎn)程天線信號處理（Remote Antenna Signal Processing）技術(shù)的縮寫。RAD/RASP天線陣是以RAD和RASP技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)出來的天線陣系統(tǒng)（Antenna Array System）。

這種天線陣系統(tǒng)可以設(shè)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(yùn)營中心（operation center）中設(shè)置一個(gè)RASP轉(zhuǎn)換設(shè)備。用來將電話信號轉(zhuǎn)換為無線傳輸?shù)男盘枴AD收發(fā)器（transceiver）和接收等則是裝設(shè)在網(wǎng)的遠(yuǎn)端，用來把收到的無線電信號傳送給移動通信用戶，是天線陣的遠(yuǎn)端單元?？梢匝杆俚?cái)U(kuò)大移動通信的覆蓋面。特別是許多有線電視的經(jīng)營者，認(rèn)為這種天線陣系統(tǒng)是他們能在有線電視網(wǎng)上開通移動電話業(yè)務(wù)的最迅速、最省錢的最佳途徑。