无线通信系统中的智能天线技术

  如何消除同信道干扰（ＣＣＩ）、多址干扰（ＭＡＩ）、码间串扰（ＩＳＩ）与多径衰落信道等影响成为提高无线通信系统性能的主要课题，更是第３代移动通信急需解决的问题。当时延扩展较小时，使用传统的时域均衡器就可以解决这些问题，但时延扩展较大时，均衡器的复杂性就急剧增加。天线阵可根据信号到达角度（ＡＯＡ）或到达方向（ＤＯＡ）来减小干扰，而系统的复杂性也不会明显增加。将天线阵和均衡器组合可以取长补短，提高系统性能。天线阵不仅涉及时域而且涉及空域，因此基于天线阵的空时信号处理的智能天线技术成为第３代移动通信系统的一项关键技术。

     智能天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰到达方向，达到充分高效利用有用信号，并抑制甚至删除干扰的目的。使用智能天线可提高移动通信系统性能，包括： 扩大系统覆盖区域，提高系统容量，提高数据传输速率，提高频谱利用效率，降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染等等。

１ 智能天线技术

    智能天线技术分成两大类：多波束智能天线与自适应智能天线阵，简称多波束天线和自适应天线阵。

    与常规的扇区天线和天线分集方法不同，通过智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域内发送和接收，充分利用信号的有效发射功率，降低信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。

１．１ 多波束天线

    多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收。但是与自适应天线阵相比，多波束天线具有结构简单，无需判定用户信号到达方向的优点。

    一个Ｍ波束的多波束天线通常产生Ｍ重的天线增益，将不同波束（不同角度）的接收信号进行合并来提供分集增益，或者通过使用垂直极化或离第一个天线阵距离足够远的第二个天线阵获得双重的分集。更主要的是，上行链路中的同一波束也可用于下行链路，从而在下行链路上也能提供天线增益。由于扇形失真（如波束间方向图的区别使其增益有所下降），多波束天线获得的增益与角度成非均匀分布。它在波束间的区别有时会达到２ｄＢ，还有可能由于多径或干扰的影响，他们锁定在错误的波束上，因为他们无法抑制和有用信号处在同一波束内的干扰信号。

１．２ 自适应天线阵

    自适应天线阵是通过反馈控制方式连续调整本身方向图的天线阵。一般采用４～１６天线阵元结构，阵元间距１／２波长。若阵元间距过大，则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删瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号的接收和发送。它采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束，根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道，有效地克服了干扰的影响。

    将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，使信号与干扰加噪声比最大。自适应天线阵的所有分支都应具有相近的方向图，而多波束天线的每个天线方向图都不相同。自适应天线阵的优点是有Ｍ重的天线增益而不受扇形失真的影响，并且其Ｍ重的分集增益相关性足够低。这些阵列在理论上用Ｍ个天线可完全消除Ｎ个干扰源的影响（Ｍ＞Ｎ），而获得Ｍ－Ｎ重的增益。对Ｎ＞Ｍ时的干扰也能进行明显的抑制。但是，它的代价是每个天线需要一个接收机，并需要以衰落速率（在２ＧＨｚ工作频率和移动速度为６０ｍｐｈ时大于１７９Ｈｚ）跟踪天线的加权，而多波束天线最多只需每几秒钟在波束间切换一下。

    天线阵有Ｎ个阵元，每个阵元有Ｍ个抽头和一个数字滤波器，可以控制自己的频率响应。在信号加权合并之前，通过调整各阵元信号的幅度和相位来控制天线阵的方向图。一个自适应抽头延迟线天线阵可以在时域和空域作为接收、均衡和检测的工具。

    无线系统自适应天线阵的关键问题是它们在多径和视距（ＬＯＳ）环境下的性能。

     视距环境下，天线之间的距离是λ／２，在有用信号方向上形成主瓣，而在干扰方向形成零陷。当天线数目远远超过到达信号数目时，在天线上用一组数量较少的到达角度去表示天线阵的响应要比用多个天线上接收信号的相位去表示要更简单。其常用的算法是ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法。Ｍ个天线能够形成（Ｍ－１）个零陷，可以消除（Ｍ－１）个干扰，适合应用在平坦乡村环境的基站上，这种基站有较高的天线。

    多径环境下，由于干扰的数量超过天线的数量，无法用ＤＯＡ进行估算，可以分析所到达信号，而不是到达的方向，所以对天线阵的性能进行估算，是在信号空域而不是在角度域，它使用的条件是时延扩展比较小。多径环境下自适应天线阵的重要特点是其消除干扰的特性与ＤＯＡ没有关系。而在ＬＯＳ环境下，要分开距离很近的信号是不可能的。但在多径环境下，天线周围的物体就像一个巨大的反射天线（实际的天线看作是馈线），从而允许接收阵列去分离信号。如果天线距离足够远，波束可以变得比角度扩展还要小，从两间距很小的天线发射来的信号通常可以利用自适应天线阵合并技术分离出来。可分离的信号的数目随着接收天线的数目的增加及角度扩展、多径扩展中多径的反射密度的增加而增加，因而在此种情况下，多径效应是有益的。

    在时延扩展的情况下，天线阵将延时后到达的信号当成不同的信号。Ｍ个天线的天线阵可以消除（Ｍ－１）／２个符号间的时延扩展或者丢弃（Ｍ－１）个任何时延的延时信号。但为了不用空间上的处理技术去处理时间上的失真，可以将时域均衡器和天线阵合并使用。例如，在每个分支天线上使用一个线性均衡器，在天线阵上进行最大似然序列估计（ＭＬＳＥ）都是有效的方法。

１．３智能天线技术的实现方案

    智能天线可以通过模拟电路方式实现。首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，然后确定馈源的馈电网络及波束形成网络。由于馈电布线呈矩形状，实现很复杂，随着阵元数目增加，更增加了的电路复杂度。未来移动通信智能天线采用数字方法实现波束成形，即数字波束形成（ＤＢＦ）。由于通信技术的快速发展，其基本过程（如调制、均衡和解调制等）可集成到一起，用软件实现。由于自适应天线阵能形成不同的天线方向图，并且可以用软件设计完成自适应算法更新，自适应地调整方向图，可以在不改变系统硬件配置前提下，增加系统灵活性，所以也被称为智能天线或软件天线。通常一个智能天线是一个数字波束形成器，它由相位天线、下变频器、Ａ／Ｄ转换器和现场可编程阵列或ＤＳＰ组成。

根据天线波束形成的不同过程，智能天线的实现方式分为两类：组件空间处理与波束空间处理方式。

（１） 组件空间处理方式

     组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权，调整信号振幅与相位，使天线输出方向图主瓣对准用户信号到达方向。

（２）波束空间处理方式

     与组件空间处理方式不同的是，波束空间处理方式的信号从阵元组件接收并模数转换后，需经相应处理（如快速付立叶变换），得到彼此正交的一组空间波束，在经过波束选择，从中根据需要选出部分或全部波束合成阵列输出方向图。因为用户信号往往深埋于噪声信号与干扰信号中，不易得到阵元接收信号的最佳加权。采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束，来取得符合质量要求的信号，这样可以在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度。

２ 智能天线的研究进展和智能算法的比较

    欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来的移动通信方案中的地位与作用，已经进行了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。

欧洲通信委员会（ＣＥＣ）在ＲＡＣＥ计划中实施了第一阶段智能天线技术研究——ＴＳＵＮＡＭＩ，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。

    项目组在ＤＥＣＴ基站基础上构造智能天线试验模型，于１９９５年初开始现场试验。天线由８个阵元组成，射频工作频率为１．８９ＧＨｚ，阵元间距可调，阵元分布分别为直线型、圆环型和平面型３种形式。模型用数字波束成型的方法实现智能天线，采用ＥＲＡ技术有限公司的专用ＡＳＩＣ芯片ＤＢＦ１１０８完成波束形成，使用ＴＭＳ３２０Ｃ４０芯片作为中央控制。研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理方式。组件处理方式天线时收发全向类型，采用ＴＤＤ双工方式。系统评估了识别信号到达方向的ＭＵＳＩＣ算法，采用的自适应算法有ＮＬＭＳ算法和ＲＬＳ算法。

    实验系统验证了智能天线的功能，两个用户４个空间信道（包括上行和下行链路）的比特差错率（ＢＥＲ）优于１０－３。试验评测了采用ＭＵＳＩＣ算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而市区环境则采用简单的直线阵更合适。

    ＣＥＣ准备在ＡＣＴＳ计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于以下方面：最优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。

    日本ＡＴＲ光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。美国ＡｒｒａｙＣｏｍｍ公司研制出应用于无线本地环路（ＷＬＬ）智能天线系统。此外，德州大学奥斯汀ＳＤＭＡ小组建立了一套智能天线实验环境，着手理论与实际系统相结合。加拿大ＭｃＭａｓｔｅｒ大学研究开发了四元阵列天线，采用恒模（ＣＭＡ）算法。

    我国信威公司的智能天线系统由８只全向的天线组成环形天线阵，再连接至８只相干接收机，构成全部射频电路。国防科技大学１９９６年研制成功扩频－自适应接收机，应用于微波接力通信中，主要用于对抗较强的人为或环境干扰。清华大学研制成功一套完整的八元智能天线阵实验系统，并能够对数个移动目标进行跟踪。邮电部ＣＤＭＡ中心研制成功采用多波束控制进行固定点间通信的多媒体基站控制器。

    智能算法决定着阵暂态响应的速率和实现电路的复杂程度。通过算法来自动调整权值以便实现所需的空间和频率滤波，智能算法是智能天线系统中的核心部分。必须对各种智能算法进行分析比较，选择最合适有效的算法。智能天线中的智能算法可以分成两大类：

（１） 时域获得天线最优加权

      最小均方算法（ＬＭＳ）：这是一种基于梯度估计的最陡下降法，适用于工作环境信号的统计特性平稳但未知的情况。

      取样协方差矩阵的直接求逆（ＤＭＩ）：由于在实际中通常信号、干扰和噪声都是先验未知的，通过在有限的观察期内对协方差进行估计可以获得所需权矢量的估计。这种估计基于最大似然原理，给出最小方差的似然估计，收敛速度较快，但计算量较大。

     递归最小均方误差（ＲＬＳ）算法：假设天线阵信号为数据取样形式，并使用数字处理器调整权值，在每一取样瞬间根据最小二乘准则计算权值的最佳值。它基于递归采样计算协方差矩阵，具有ＬＭＳ算法和ＤＭＩ算法的优点，应用前景广泛。

     恒模（ＣＭ）算法：参考被调制信号的一个恒定包络来更新权重，只有在恒定幅度调制时才可以使用。

（２）空域对频谱进行分析获得ＤＯＡ的估计

     通过使用瞬时空间取样，空间谱估计算法可以得到最优的权重。如果处理速度足够快，可以跟踪信道的时变，所以空间谱估计算法在快衰落信道上优于时域算法。

    通过对空间取样信号进行离散傅立叶变换（ＤＦＴ）或最大熵估计（ＭＥＭ），可以从空间频谱中估计到达角度。权重因子可以利用维纳方法从估计出的空间谱中得出。多信号分类法（ＭＵＳＩＣ）可以从噪声子空间中估计到达角度，噪声子空间由空间取样信号协方差矩阵的本征矢量确定。而ＤＦＴ和ＭＥＭ从信号子空间估计到达角度，如果噪声子空间大于信号子空间，ＭＵＳＩＣ算法比ＭＥＭ算法有更好的估计性能。旋转不变技术信号参数估计法（ＥＳＰＲＩＴ）和ＭＵＳＩＣ算法都是基于特征分解法的谱估计算法。由矩阵的特征元来进行运算，它们的统计特性依赖于这些特征元的随机波动变换，两种估计法具有相同幅值的方差。

３ 智能天线的空时通信信号模型

    随着天线阵在干扰消除和位置跟踪中的应用，需要更深入地了解无线通信信道的空间特性。 信道的空间特性对天线阵系统的性能有很大的影响，因此更好地了解这些特性可以有效地设计系统和提高系统性能。建立可以有效而精确地预测无线系统性能的信道模型是一个棘手的问题。经典的模型仅考虑接收信号的功率水平分布和多普勒频移。现代的空间信道模型建立在衰落和多普勒扩展的基础上，又结合了时延扩展、到达角度和自适应天线阵的几何特性。空间信道模型分为三大类：以统计为基础的一般模型、以测量数据为基础的特定地点模型、完全特定地点模型。

    在空时处理应用中建立无线信道的信号模型也是非常重要的。在此主要考虑基站使用天线阵，移动台使用单一天线的ＴＤＭＡ系统。一般分４种情况讨论：反向链路——单用户发送，基站多天线接收；反向链路——多用户发送，基站多天线接收；前向链路——基站多天线发送，单用户接收；前向链路——基站多天线发送，多用户接收。

    使用适当的通信结构，多径可以大幅度地提高数据率。建立多输入多输出（ＭＩＭＯ）分散性空间选择性信道模型进行分析，使用空时矢量编码（ＳＴＶＣ）可以达到ＭＩＭＯ信道的容量。但是ＳＴＶＣ太复杂，离散矩阵多音空间频率编码（ＤＭＭＴ）可以降低复杂性。

４ 结束语

    智能天线对提高系统容量具有巨大潜力，近年来备受关注。但是由于自适应过程实现中影响因素复杂，难于动态捕获并跟踪用户信号，再加之移动多用户及多径情况下的时空信道盲辨识也是难点，所以在移动环境中采用自适应阵列智能天线尚有困难。从目前情况看来，智能天线正逐步应用在固定无线接入系统中，以适应用户固定而无线传播环境不断变化的情况。同时，多波束天线也是一种相对易于实现的折衷方案。总之，未来移动通信系统中所用智能天线应该是基于高性能数字信号处理技术，且不显著增加现有系统复杂度的方案折衷。

参考文献

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５ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｂ Ｅｒｔｅｌ,ｅｔ ａｌ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｐａｔｉａｌ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ａｎ-ｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＩＥＥＥ Ｐｅｒｓ Ｃｏｍｍｕｎ，１９９８,５（１）：１０～２２

（收稿日期：２０００－０３－０３）

[摘要] 文章就智能天线的两大类，多波束天线和自适应天线阵，阐明了智能天线的定义、组成和实现方式，比较了智能天线中智能算法，进而分析了智能天线在视距和多径环境下的性能。最后结合应用进展，文章探讨了实现智能天线的难点和发展前景。

[关键词] 智能天线 移动通信系统 数字波束形成

[Abstract] Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍａｉｎ ｃａｔｅ-ｇｏｒｉｅｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ，ｍｕｌ-ｔｉ－ｂｅａｍ ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉ-ｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎ-ｔａｔｉｏｎ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ａｎ-ｔｅｎｎａ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｌ-ｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒ-ｍａｎｃｅ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｒａｙ ｉｎ ＬＯＳ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｉｓ-ｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ａｎｄ ｄｉｆ-ｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａ-ｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ．

[Keywords] Ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｄｉｇｉ-ｔａｌ ｂｅａｍ－ｆｏｒｍｉｎｇ