移动通信系统中的智能天线技术

随着移动通信的蓬勃发展，用户数量迅速增加，频谱资源越来越紧张，如何利用现有频谱资源进一步扩展容量已成为移动通信发展的关键问题。智能天线技术利用阵列天线替代常规天线，能够降低系统干扰，提高系统容量和频谱效率，因此智能天线技术受到业界的广泛关注。

　　最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳相控阵天线，完成空间滤波和定位等。近年来，随着现代数字信号处理技术的发展，数字信号处理芯片处理能力的提高和价格的降低，以及ASIC技术的日益成熟，智能天线技术不久即将应用于移动通信系统。

　1 智能天线原理

　　从方向图来区分，天线主要有全向天线和定向天线两种：全向天线在各个方向的发射和接收均相同，应用于360°覆盖小区；当采用小区分裂技术后，应采用仅覆盖部分小区的定向天线。后者与前者相比，提高了信道复用率。上述两种方式的覆盖区域形状是固定的。智能天线可以产生多个空间定向波束，动态改变覆盖区域形状，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信号到达方向，并且自动跟踪用户和应用环境的变化，从而有效抑制干扰，提取用户信号，提高链路性能和系统性能。

　　与时分多址、频分多址或码分多址相对应，智能天线为一种空分多址(SDMA)技术。它与其他的多址方式相配合，增加了自由度，因此可以有效地增加系统容量、减小干扰和衰落、降低系统成本。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

　　2 智能天线分类

　　波束形成是智能天线的关键技术，是提高信干比、增加用户容量的保证。波束形成对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置进行控制，在期望方向保证高增益波束指向的同时，在干扰方向形成波束零点，并通过调节各阵元的加权幅度和加权相位来改变方向图形状。智能天线可以分为预多波束和自适应波束两大类。

　　2.1 预多波束形成

　　预多波束预先生成多个固定波束覆盖某个小区。根据接收到的用户信号，确定用户所在的波束，用户在小区内移动时，实现用户和波束的切换。下行波束采用与上行波束相对应的权值。预多波束切换类的关键在于确定与用户对应的波束。

　　预多波束对于处于非主瓣区域内的干扰，可以通过控制旁瓣来抑制。对于处于主瓣区域内的干扰，系统将无法抑制。应用于CDMA系统的预多波束原理框图如图1所示。

图1 预多波束原理框图

　　预多波束所带来的增益推导如下：

　　相对于1个120°扇区传统天线系统接收载干比而言，由４个30°波束组成的120°预多波束智能天线系统接收载干比的增益为：

　　其中，G为载干比增益，C为载波的信号电平，I30、I120分别为30°、120°天线的干扰电平。

　　在TDMA和FDMA系统中的计算和模拟显示，利用30°的预多波束智能天线系统平均有7.6 dB的增益，系统频率复用系数为4时可达到频率复用系数为7的容量。波束处理系统由预多波束形成子系统和预多波束切换子系统组成。传统基带处理部分包括：Rake合并、功率控制指令产生、解交织、信道解码等等。

　　2.2 自适应波束形成

　　自适应波束形成通过调节各阵元的加权幅度和加权相位，来改变阵列的方向图，使阵列天线的主瓣对准期望用户；同时阵列天线的零点和副瓣对准其他用户，从而提高接收信噪比，满足某一准则下的最佳接收。它同预多波束的区别在于：某一用户的波束要随着用户移动而移动。自适应波束的结构有许多种。图2为一种典型的基于CDMA的自适应波束形成原理框图。

图2 自适应波束原理框图

　　主要的自适应算法有如下几种。

　　(1)基于波达方向估计(DOA)

　　经典DOA估计方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改进算法，还有最大似然估计、基于高阶累计量、基于特征值分解的次最优估计等方法。该类算法要解决的问题是计算复杂、自由度小、矩阵分解等等。

　　(2)非盲自适应处理

　　自适应处理中的期望信号对自适应处理结果影响很大。在CDMA系统中，由于提供了导频信道，因此完全有条件进行非盲自适应处理。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是该算法的具体实例。

　　以LS-DRMTA算法为例。假设第i个用户的第n个数据位被正确检测。在(n－1)Tb和nTb中(Tb为符号宽度)，将数据位重新扩频，即可获得第i个用户在(n－1)Tb和nTb之间的传输信号，这个信号可以被用于第i个用户的自适应波束形成。用户i的重扩频延迟信号为：

　　ri(t)＝binci(t－τi)， (n－1)Tb≤t≤nTb

　　LS-DRMTA算法的代价函数为：

　　迭代公式为：wi(l＋1)＝［xx H］-1xri (l )* ，其中，x为输入信号，ri (l )为用户i的第l次迭代的估计信号，H表示复共轭转置，*表示复共轭算子。

　　(3)盲自适应波束形成

　　盲自适应是无法提供自适应算法中要求的期望信号，只能利用传输信号的特性进行波束形成，实现盲自适应算法。这种方法不是最优估计，典型的代表有CMA(恒模算法)。CMA有许多变形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

　　该类算法假设用户信号到达基站时幅度恒定，其代价函数是：

　　J(wk)＝E［ wkHxk p－ α p ］

　　其中，xk为k时刻阵列天线输入向量，α为期望值，wk为k时刻权值，p、q为指数因子。

　　如果采用LMS(Least Mean Square)迭代运算，则有：

　　w(k＋1)＝w(k)－μ?荦w J(wk),

　　其中，w(k)为k时刻的权系数向量，J(wk)为代价函数，μ为迭代因子，?荦w 为梯度算子。

　　3 智能天线对移动通信系统的影响

　　3.1 智能天线的优点

　　智能天线对系统性能的改善如下：

　　(1)提高系统容量

　　智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。

　　(2)增大覆盖范围

　　波束形成是多根天线的矢量叠加，等效为天线增益的增加，也就是提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的EIRP(有效全向辐射功率)。这意味着在同样的接收和发射条件下可以达到更远的通信距离，因此增大了覆盖范围。

　　(3)降低系统干扰

　　采用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力。除外，它对于移动系统中的多径干扰也有一定的削弱作用。

　　(4)降低系统成本

　　由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同时可以减小移动台的体积和重量，延长了移动台的电池使用寿命，降低移动台的成本。

　　(5)增加增值业务

　　智能天线可以获得移动用户的方位信息，同其他技术配合可以实现移动用户的无线定位。无线定位目前是移动通信领域的热点技术，将来的市场潜力巨大，这是一项很有实用价值的增值业务。

　　3.2 智能天线存在的问题

　　(1)增加了系统复杂度

　　智能天线需要高效的算法、高速的DSP器件，满足实时性处理要求。智能天线的算法结构应该尽量能够兼容常规的处理结构，便于系统灵活配置，降低成本。采用智能天线的基站要能够和常规基站混合组网，兼容网络侧的管理和维护。

　　(2)增加了通道校正

　　如果要在基带完成波束形成，则需要进行通道校正，提高了通道要求。

　　4 结束语

　　智能天线技术是近年来移动通信领域的研究热点。它在PHS中已经得到商用，在第3代移动通信系统中更倍受关注，WCDMA和cdma 2000都不同程度地对智能天线技术给予支持，TS-SCDMA明确表示使用智能天线。可以说，智能天线是未来移动通信的一项关键技术，该技术在其他的无线系统中也有着光明的发展前景。□

　　参考文献

　　1 Adrian Boukalov, Sven-Gustav. System Aspects of Smart Antennas Technology in Cellular Wireless Communications. IEEE Radio and Wireless Conference (RAWCON 99). Denver, Colorado, USA,August 1—4 1999: 17—22
　　2 Liberti J C, Rappaport T S. Smart Antennas for Wireless Communications:IS-95 and Third Generation CDMA Applications. Prentice Hall，NJ, USA, 1999
　　3 Lehne Per H, Pettersen Magne. An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems. IEEE Communications Surveys Fourth Quarter, 1999, 2(4)
　　4 张贤达.现代信号处理.北京:清华大学出版社，1995

[摘要] 文章简述了智能天线的概念、原理和分类，包括预多波束和自适应波束两种智能天线的原理和算法，论述了智能天线技术对移动通信系统性能的影响。

[关键词] 智能天线；波束形成；预多波束；自适应波束；自适应算法

[Abstract] The basic concept, working principle and technical classification of smart antenna are introduced, including the description of principles and algorithms of the switched beam and tracking-beam smart antennas. The impact of the smart antenna technology on the cellular wireless communication system is also discussed.

[Keywords] Smart antenna; Beamforming; Switched-beam; Tracking-beam; Adaptive algorithm