智能天線與抗干擾技術(shù)的研究

1、Oct. 2006, Volume 3, No.10 (Serial No.23 通訊和計(jì)算機(jī) Journal of Communication and Computer, ISSN1548-7709, USA50智能天線與抗干擾技術(shù)的研究*吳慎山1，李希臣2，吳雪冰1(1. 河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007；2. 焦作大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，焦作 454003）摘 要：智能天線技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對(duì)智能天線技術(shù)抗干擾的作用原理進(jìn)行了分析，就智能天線結(jié)合2D-RAKE 的性能進(jìn)行了討論，指出了智能天線目前存在的問題，并對(duì)所能達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行了探

2、討。關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；智能天線；抗干擾 *本文得到河南省自然科學(xué)基金（No. 0511015500）的資助。 【作者簡介】吳慎山（1949-），男，河南孟州人，教授，碩士生導(dǎo)師；研究方向：通信，電路與系統(tǒng)。 李希臣（1959-），男，河南焦作人，副教授；研究方向：信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)。 吳雪冰（1980-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，助教；研究方向：通信技術(shù)。 1. 引 言 智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成。一般結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理，同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)要復(fù)雜些，每一個(gè)天線后面所接的加權(quán)器是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，由相加器合并輸出。自適應(yīng)或智能的主要

3、含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)自適應(yīng)算法進(jìn)行更新調(diào)整。智能天線的應(yīng)用增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的容量和性能。2. 智能天線 2.1 智能天線的原理智能天線最初以自適應(yīng)天線的形式被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。近二十年來，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信用戶增長，通信資源匱乏日益嚴(yán)重，通信容量不足、通信質(zhì)量下降等成為亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多址干擾與多徑衰落的影響成為提高無線通信系統(tǒng)性能所要考慮的主要因素1,2。自20世紀(jì)80年代開始，即第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)開始，人們便開始探討如何利用自適應(yīng)天線消除同信道干擾和多徑衰落的影響，及獲得多徑分集增益。到20世紀(jì)90年代初，這

4、一思路發(fā)展成為智能天線的概念。20世紀(jì)90年代末，隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，人們進(jìn)一步提出了軟件天線的概念。近年來，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶進(jìn)行波束成形成為可能，由此代替了以往在射頻段利用模擬電路進(jìn)行波束成形的方法，而且天線系統(tǒng)更加可靠和靈活。由于數(shù)字信號(hào)處理芯片的價(jià)格和性能，智能天線技術(shù)的研究開始從軍事領(lǐng)域向民用移動(dòng)通信領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究迅速發(fā)展并顯示出了巨大的潛力3。智能天線的基本原理是：多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶。接收模式下，來自窄波束之外的信號(hào)被抑制；發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號(hào)功率

5、最大，同時(shí)能使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA ）、時(shí)分多址（TDMA ）和碼分多址（CDMA ），智能天線引入第4種多址方式：空分多址（SDMA ），即在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分。SDMA 是一種信道增容方式，與其51他多址方式完全兼容，可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式，例如空分碼分多址（SD-CDMA ）。智能天線的理論支撐是信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測與估計(jì)理論、信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理4。2.2 智能天線的波束形成波束賦形的目

6、標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶信號(hào)的最佳組合與分配。具體說，波束賦形的主要任務(wù)就是補(bǔ)償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等引起的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低用戶間的共信道干擾。智能天線均采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)波束形成，即數(shù)字波束形成（DBF ）天線，從而可以使用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。3.3 智能天線在TD-SCDMA 中的應(yīng)用智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距1/2波長（若陣元間距過大會(huì)使接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長）。智能天線利用多個(gè)天線陣元的組合進(jìn)行信號(hào)處理，以針對(duì)不同的信號(hào)環(huán)境達(dá)

7、到最優(yōu)性能。智能天線的空分多址（SDMA ）技術(shù)，主要包括兩個(gè)方面：空域?yàn)V波和使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA （Direction of Arrive），波達(dá)方向（DOA ）估計(jì)。空域?yàn)V波（也稱波束賦形）的主要思想是利用信號(hào)、干擾和噪聲在空間的分布，運(yùn)用線性濾波技術(shù)盡可能地抑制干擾和噪聲，以獲得盡可能好的信號(hào)估計(jì)。智能天線通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，自動(dòng)調(diào)整天線的方向圖，在干擾方向形成零陷，抵消干擾信號(hào)，達(dá)到抑制干擾的目的。而在有用信號(hào)方向形成主波束，加權(quán)系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時(shí)也減少了小區(qū)間干擾。采用智能天線和上行同步技術(shù)后，可有效地提

8、高系統(tǒng)容量，從而明顯提高了頻譜利用率，也可有效地提高天線的增益。同時(shí)，由于智能天線可以采用多個(gè)小功率的線性功率放大器來代替單一的大功率放大器，而單一大功率線放大器的價(jià)格遠(yuǎn)高于多個(gè)小功率線性放大器的價(jià)格，所以智能天線可大大降低基站的成本。智能天線帶來的另一好處是提高了設(shè)備的冗余度，因智能天線系統(tǒng)中8臺(tái)收發(fā)信機(jī)共同工作，任何一臺(tái)收發(fā)信機(jī)的損壞并不影響系統(tǒng)的基本工作特性4。智能天線的采用可大致定位用戶的方位和距離，因此，基站和基站控制器可采用接力切換方式，根據(jù)用戶的方位、距離信息來判斷手機(jī)用戶現(xiàn)在是否移動(dòng)到了應(yīng)該切換給另一基站的臨近區(qū)域，如果進(jìn)入切換區(qū)，便可通過基站控制器通知另一基站做好切換的準(zhǔn)備，

9、達(dá)到接力切換的目的。接力切換可提高切換的成功率，降低切換時(shí)對(duì)鄰近基站信道資源的占用。智能天線大大地提高了CDMA 系統(tǒng)的性能和覆蓋，可以在很大程度上降低干擾從而提高系統(tǒng)容量，成為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。但在實(shí)際使用中，必須解決好智能天線帶來的各種問題，并盡量簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性。第三代移動(dòng)通信，以及后三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出是為了在提供話音服務(wù)的同時(shí)，也提供高質(zhì)量的多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)。高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長，要求多用戶干擾的進(jìn)一步減少從而提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量。同時(shí)，由于頻帶資源的限制，必須采用一些新的技術(shù)來提高頻帶利用率。智能天線就是能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的技術(shù)之一。眾所周知，CDMA 無線通信系

10、統(tǒng)是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)，多用戶干擾的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能，從而限制了系統(tǒng)中的用戶數(shù)。減小這種多用戶干擾或多徑干擾的一種方法就是小區(qū)的扇區(qū)化，但這并不能從根本上解決問題，但可以考慮使用智能天線來解決這一問題5。在無線通信系統(tǒng)中，若在基站端采用了多（N ）天線接收技術(shù)，則基站所接收到的信號(hào)是各天線單元和對(duì)應(yīng)的接收機(jī)接收到的信號(hào)之和。在進(jìn)一步對(duì)多天線的接收信號(hào)處理時(shí)如果采用最大比合并，在沒有多徑的情況下，總的接收信號(hào)將增加10lg N dB, N 為天線數(shù)量。如果存在多徑，則接收效果會(huì)隨著多徑傳播條件和波束賦形算法而改變，但即便如此，接收信號(hào)的增益也應(yīng)該比單天線接收大的多。3. 智能天線技術(shù)的抗干

11、擾作用52 3.1 2D-RAKE 接收機(jī)原理智能天線抑制干擾的能力在多數(shù)情況下受天線陣元個(gè)數(shù)的限制，且當(dāng)感興趣信號(hào)存在多個(gè)非相關(guān)多徑時(shí)，陣列只保留其中的一路信號(hào)，而把零陷對(duì)準(zhǔn)其它信號(hào)，這樣，陣列能夠減小由非相關(guān)多徑帶來的干擾，但未能發(fā)揮路徑分集的優(yōu)勢，因而是次最優(yōu)的。為此，聯(lián)合時(shí)域和空域處理的接收技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)6。自適應(yīng)陣列天線主要是由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器三部分組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，自動(dòng)調(diào)整天線的方向圖。加權(quán)系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整就是波束的形成過程。在自適應(yīng)天線陣中最重要的就是波束形成算法，常用的波束形成算法有三類：一是傳統(tǒng)的基于波到達(dá)方向（DOA ）估

12、計(jì)的算法，如MUSIC 算法和ESPRIT 算法，但在CDMA 系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)遠(yuǎn)大于天線陣元數(shù)，這種算法在實(shí)際中無法應(yīng)用；二是利用參考信號(hào)或訓(xùn)練序列來形成最優(yōu)波束；還有一類是盲波束形成技術(shù)5。當(dāng)信道存在多徑時(shí)延擴(kuò)展，且時(shí)延大于一個(gè)碼片周期時(shí)，這些多徑信號(hào)既是多徑干擾，又是一些有價(jià)值的分集源，由此產(chǎn)生了2D-RAKE 接收機(jī)。目前2D-RAKE 接收機(jī)討論最多的是應(yīng)用在WCDMA 上行鏈路7?？諘r(shí)RAKE 接收機(jī)首先對(duì)存在角度擴(kuò)展的多個(gè)路徑分量進(jìn)行波束成型，以降低DOA 可分辨的其它用戶信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾或期望信號(hào)的非相關(guān)多徑分量，然后將經(jīng)過空間濾波后的信號(hào)送入RAKE 合并器，以充分利用

13、延遲可分辨的期望信號(hào)的多個(gè)路徑的能量?？臻g波束形成旨在衰減干擾信號(hào)，而時(shí)間多徑合并旨在利用有用信號(hào)。與時(shí)域和空域一維干擾抑制不同的是，空時(shí)二維干擾抑制不再使用強(qiáng)迫置零條件，而是考慮噪聲的存在，使用優(yōu)化準(zhǔn)則?？諘r(shí)處理有名的優(yōu)化準(zhǔn)則有兩個(gè)，一個(gè)是空時(shí)最小均方誤差準(zhǔn)則，另外一個(gè)是空時(shí)最大似然準(zhǔn)則（習(xí)慣上稱作最大似然序列估計(jì)MLSE 準(zhǔn)則）7。 3.2 智能天線技術(shù)的抗干擾作用在傳統(tǒng)RAKE 接收機(jī)前引入自適應(yīng)陣列天線的空時(shí)2D-RAKE 接收機(jī)，能夠有效的抑制不同方向的MAI 并對(duì)抗多徑衰落，成為適應(yīng)第三代系統(tǒng)要求的重要技術(shù)。智能天線在移動(dòng)通信中的工作方式一般有兩種：自適應(yīng)方式和多波束方式。前者是利

14、用陣列流形采用計(jì)算方法綜合出特定形狀的波束；后者就是采用某種準(zhǔn)則（綜合方法和自適應(yīng)方法兩種）形成波束，對(duì)不斷變化的環(huán)境做出響應(yīng)。近年來，人們提出了一種新的時(shí)空二維的RAKE 接收機(jī)。到達(dá)接收機(jī)的各多徑分量不僅有不同的時(shí)延和衰耗，而且有不同的方向，即各多徑分量有不同的信道矢量。采用單天線的接收機(jī)無法利用接收信號(hào)的空間結(jié)構(gòu)，而采用自適應(yīng)陣列天線（智能天線），通過增加一個(gè)新的空間維數(shù)使得分離具有不同的陣列響應(yīng)矢量的多徑信號(hào)成為可能。以上僅考慮了單用戶的情況，在多用戶環(huán)境下，利用智能天線的波束形成器，將波束指向有用信號(hào)方向，能夠有效地減少干擾源的數(shù)量，抑制多址干擾，同時(shí)也有效減輕了由于擴(kuò)頻碼互相關(guān)特性

15、不理想所造成的遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。也可進(jìn)一步在RAKE 接收機(jī)后附加多用戶檢測技術(shù)，如最佳的最大似然序列檢測，以及次最佳的解相關(guān)檢測，最小均方誤差（MMSE ）檢測和判決反饋檢測等等。4. 結(jié) 論可以看出，智能天線對(duì)無線通信系統(tǒng)的性能改善大有裨益。但在另一方面，智能天線也帶來了很多問題，在實(shí)際應(yīng)用中，必須揚(yáng)長避短，在產(chǎn)品和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上解決好這些問題。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，但用戶在處于空閑狀態(tài)的時(shí)候，不會(huì)向基站發(fā)射上行信號(hào)，基站就不可能知道該用戶的方位，這時(shí)只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射（如導(dǎo)頻、同步、尋呼等信道）。同時(shí)一個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼信道又會(huì)采用

16、不同的定向波束發(fā)射，所以基站必須提供全向和定向的賦形波束。對(duì)全信道而言，將要求高得多的發(fā)射功率。這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的。目前，智能天線算法的復(fù)雜性使其在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)存在著一定的問題。在實(shí)際的應(yīng)用中，智能天線技術(shù)不能解決時(shí)延超過一個(gè)碼片的多徑干擾，也無法克服高速移動(dòng)多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。所以，在多徑嚴(yán)重的高速移動(dòng)環(huán)境中，必須將智能天53線和其它抗干擾的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能有更好的效果。目前智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實(shí)用算法，而和Rake 接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。而另一方面，這些過于復(fù)雜的結(jié)合算法在實(shí)際接收機(jī)中如何應(yīng)用、效果如何都是有待研究的問題2。國際研究領(lǐng)域已

17、將智能天線作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)對(duì)智能天線基站的開發(fā)也在緊鑼密鼓的進(jìn)行。相信在未來的3G 以及beyond 3G中，智能天線能為我們提供一個(gè)領(lǐng)先的技術(shù)平臺(tái)，推動(dòng)移動(dòng)通信的不斷發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1 吳慎山，張玉中，吳東芳 電子定向技術(shù)的研究河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（1）：43-46. 2 吳慎山，龔慶. 軟件無線電系統(tǒng)的研究. 通訊和計(jì)算機(jī)，ISSN1548-7709, Vol. 2, No. 8, 2005: 78-81.3 Lal C.Godora.(1997. Application of Antenna Arrays toMobile Communica

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