智能天線簡介

1、智能天線技術簡介智能天線原名自適應天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應用于雷達、聲納、軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，大家熟悉的相控陣雷達就是一種較簡單的自適應天線陣。移動通信研究人員給應用于移動通信的自適應天線陣起了一個較吸引人的名字：智能無線，英文名為smart antenna或Intelligent antenna。1.基本結構顧名思義自適應天線陣由多個天線單元組成，每一個天線后接一個加權器（即乘以某一個系數(shù)，這個系數(shù)通常是復數(shù)，既調節(jié)幅度又調節(jié)相位，而在相控陣雷達中只有相位可調），最后用相加器進行合并，這種結構的智能天線只能完成空域處理；同時具

2、有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對復雜些，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網(wǎng)（結構上與時城FIR均衡器相同）。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數(shù)可以恰當改變和自適應調整。上面介紹的是智能天線用作接收天線時的結構，當用它進行發(fā)射時結構稍有變化，加權器或加權網(wǎng)絡置于天線之前，也沒有相加合并器。2.工作原理假設滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天線所走路線的長度差決定。若入射信號為平面波（只有一個入射方向），則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給出一組加權值，一定的入射信號強度，不同入射角

3、度的信號由于在天線間的相位差不同，合并器后的輸出信號強度也會不同。以入射角為橫坐標對應的智能無線輸出增益（dB）為縱坐標所作的圖被稱為方向圖（天線術語），智能天線的方向圖不同于全向（omni）天線（理想時為一直線），而更接近方向（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe）、副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主，副瓣大小、位置關系，和較大的天線增益（天線術語，天線的一項重要指標，是最強大向的增益與各方向平均增益之比），另外和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權值通常對應不同的方向圖，我們可以通過改變權值來選擇合適的方向圖。即天線模式（a

4、ntenna Pattern）。3用途移動通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，多徑衰落、時延擴展造成的符號間串擾ISI（InterSymbol Interference）、FDMA/TDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復用引入的同信道干擾（CCI，CoChannel Interference）、CDMA系統(tǒng)中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降，我們熟知的均衡、匹配濾波、RAKE接收，信道編譯碼技術等都是為了對抗或者減小它們的影響。這些技術實際利用的都是時、頻域信息。而實際上有用信號的時延樣本（delay version）和干擾信號在時、頻域存在差異

5、的同時，在空域（入射角DOA，Direction of Arrival）也存在差異，分集天線（antenna diversity），特別是扇形天線（sector antenna）可看作是對這部分資源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天線技術。智能天線是一種伸縮性較好的技術。在移動通信發(fā)展的早期，運營商為節(jié)約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，這就意味著用戶的信號在到達BTS（基站收發(fā)信設備）前可能經(jīng)歷了較長的傳播路徑，有較大的路徑損耗（path loss），為使接收到的有用信號不至于低于門限，要么增加移動臺的發(fā)射功率、要么增加基站天線的接收增益，由于移動臺（特別是手機的發(fā)

6、射功率通常是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對而言用智能無線實現(xiàn)較大增益比用單天線容易。在移動通信發(fā)展中為擴大系統(tǒng)容量、支持更多用戶，需要收縮小區(qū)范圍、降低頻率復用系數(shù)提高頻率利用率，通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇區(qū)化，隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當?shù)暮喜嘀?，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對準有用信號，低增益副瓣對準主要的干擾信號，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子（比如在GSM中使復用因子3成為可能）和同時支持更多用戶（CDMA中）。從某種

7、角度我們可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。智能天線的又一個好處是可減小多徑效應，CDMA中利用RAKE接收機可對時延差大于一個碼片的多徑進行分離和相干合并，而借助智能天線可以對時延不可分但角度可分的多徑進行進一步分離，從而更有效減小多徑效應。 采用智能天線技術的主要目的是為了更有效地改進移動通信信道，而時分，碼分多址系統(tǒng)的信道傳輸環(huán)境從本質上講是一樣的，所以除了具體算法上的差異外，智能天線可廣泛應用干各種時分、碼分多址系統(tǒng)包括已商用的第二代系統(tǒng)。智能天線另一個可能的用途是進行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因為在獲得可用于定位的時延、強度等信息的同時它還可獲得波達角信息。4、主

8、要的研究內容智能天線的研究內容可以按它在移動通信中所扮演的角色來劃分，移動臺（特別是手機）在體積、電源上的限制使智能天線在移動臺難于實現(xiàn)（一個例外是WLL無線本地環(huán)系統(tǒng)），所以目前主要研究的是在基站端的智能無錢收與發(fā)，即上行收與下行發(fā)。要實現(xiàn)智能天線的下行發(fā)相對較困難，這是因為智能天線在設計發(fā)波束（transmitting beamforming）時很難準確獲知下行信道的特征信息（特別是主要傳播路徑的出射角度）,而理想的天線工作模式應是與信道相匹配的。一種方法是象IS95上行功控一樣,做成閉環(huán)測試結構，但它有以下缺點：浪費寶貴的系統(tǒng)資源、附加時延、受上行信道干擾等。還有一種方法是利用上行信道信

9、息來估計下行信道，在TDD（時分雙工）系統(tǒng)中這顯然行得通，這也是中國提交的TDSCDMA第三代建議（TDD方式）得到較多注意的主要原因。但在FDD（頻分雙工）系統(tǒng)中情況卻并非如此由于上、下行信道使用的是不同頻率（第三代系統(tǒng)相對第二代有更大的上、下行頻差），上、下行信道的相關性是很弱的，很多參數(shù)并不相同，目前較多研究者相信的是上、下行信道主要傳播路徑的人射、出射角基本相同，所以我們只可能獲得下行信道的部分信息，所形成的發(fā)波束也絕不會是最優(yōu)的。下行信道包括控制信道和業(yè)務信道控制信道，由于是大家共用的，應該形成定波束，而對應各個用戶的業(yè)務信道則應用窄波束傳送，也就是說它們有不同的加權系數(shù)，這樣控制信

10、道（如導頻信道）和業(yè)務信道實際經(jīng)歷了不同的傳輸環(huán)境，會有不同的衰落，而移動臺在做下行接收肘通常利用導頻信道來估計信道的幅度和相位畸變，以對業(yè)務信道進行相干接收，但這建立在兩個信道有相同傳輸環(huán)境基礎上，顯然前者并不滿足這一條件，而非相干接收相對相干接收有較大的信喚比損失。一些建議（比如cdma2000）已考慮這一點，下行信道還有輔助尋頻信道（auxiliary Pilot channel），可將它也以窄波束發(fā)送，但由于數(shù)目有限，更為可行的是將它分配給一群用戶（此時形成的波束也應該對準這群用戶，這可能發(fā)生在熱點地區(qū)和基于激活用戶數(shù)較多時進行的智能扇區(qū)化中）或某一要求鏈路質量較高的用戶（如向他傳送高

11、速數(shù)據(jù)時）。用智能無線實現(xiàn)下行發(fā)面臨的另一難題是由于加權是在天線前端進行的（實際中多在基帶或中頻實現(xiàn)，因更容易更靈活），后級的濾波器、DA數(shù)模轉換器、混頻器、天線陣元（各路的）特性變化必然使形成的發(fā)波束發(fā)生變化，而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來調整加權系數(shù)以抵消這種變化，一種可行但并不是很好的方法是周期性地對后級特性進行測試和調整。由于目前智能天線技術并不很成熟。第三代移動通信的各種后選方案除了中國的TD-SCDMA外都只將智能天線作為可選技術，沒有寫入具體建議中，第二代系統(tǒng)也普遍未采用智能天線技術，智能天線作上行收時由于對移動臺的發(fā)并未提出新的要求。很容易將其作為全向天線、扇型天線的

12、升級版本用于已有基站系統(tǒng)，但當智能天線用于下行發(fā)時。通常會對移動臺的收也提出新要求。牽涉面大，靈活性較小。目前的移動通信系統(tǒng)（主要是窄帶CDMA系統(tǒng)）存在下行容量超過上行的現(xiàn)象，即使考慮軟切換的損失情況依然如此，從表面看提高上行容量是當務之急，但在第三代系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務更可能出現(xiàn)在下行信道中，考慮到這種非對稱需求，以后的瓶頸可能是下行，所以雖然存在上述的種種困難，研究智能天線的下行發(fā)依然是很必要和很迫切的。TDD方式下的下行發(fā)和上行收處理差別不大，這里不單獨論述。智能天線的上行收技術相對成熟些，自適應天線陣最早引入移動通信的目的也是為了改善上行信道的質量和容量。智能天線上行收主要有兩

13、種方式：全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式，理論工作者對前者較感興趣，工程技術人員則更青睬于后者。在自適應方式中，對應空域或空、時域處理的各權值可依據(jù)一定的自適應算法進行任意調整，以對當前的傳輸環(huán)境進行最大可能匹配，相應的智能天線接收波束可以是任意指向的。而在切換波束中各權值只能從預先計算好的幾組值中挑選，某一時刻的智能天線工作模式只能從預先設計好的幾個波束中選擇，不是任意指向的，因而只可能對當前傳輸環(huán)境進行部分匹配，從理論角度講不是最優(yōu)的。 全自適應智能無線研究的核心是自適應算法，目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）

14、的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，進行算法處理時要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優(yōu)的迫零準則zero forcing）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均分）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導頻信號。判決反饋算法（Decision Feedback）是一類較特殊的盲算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號問有較小差錯。盲算法一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征如恒模CM、子空間S

15、ubspace、有限符號集Finite AlPhabet、循環(huán)平穩(wěn)Cyclestationary等，并調整權值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非育算法相對盲算法而言，通常誤差較小收斂速度也較快，但需浪費一定的系統(tǒng)資源，將二者結合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權值，再用盲算法進行跟蹤和調整，這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點，一方面也是與實際的通信系統(tǒng)相一致的，因為通常導頻信號不會時時發(fā)送而是與對應的業(yè)務信道時分復用的。 全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量、計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯誤收斂等缺點，實際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重、特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。正是在這一背景下，基于預多波束的切換波束工作方式被提出。此時全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，