未來移動通信系統中的智能天線技術

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：深圳市彼達通訊設備有限公司   人氣： 發表時間：2011年10月28日

　　隨著全球通信業務的迅速發展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術引起人們極大關注。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性能時考慮的主要因素。智能天線利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達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相比，智能天線技術在移動通信中的應用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。

1　智能天線技術的起源和發展

　　智能天線通常包括多波束智能天線和自適應陣智能天線。智能天線最初廣泛應用于
雷達、聲納及軍事通信領域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領域。近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經可以為現代通信系統所接受。同時，利用數字技術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，提高了天線系統的可靠性與靈活程度，智能天線技術因此開始在移動通信中得到應用。另一方面移動通信用戶數目增加迅速，人們對移動通話質量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區在大容量下仍有高的話音質量。使用智能天線可以在不顯著增加系統復雜度情況下滿足擴充容量的需要。不同于常規的扇區天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發送和接收，充分利用了信號發射功率，降低了信號全向發射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統的時分多址(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。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分。智能天線相當于空時濾波器，在多個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性能：(1)擴大系統的覆蓋區域；(2)提高系統容量；(3)提高頻譜利用效率；(4)降低基站發射功率，節省系統成本，減少信號間干擾與電磁環境污染。

　　智能天線可以通過模擬電路方式實現：首先根據天線方向圖確定饋源的激勵系數，然后確定饋源的饋電網絡即波束形成網絡。由于饋電布線呈矩陣狀，實現很復雜，隨著陣元數目增加，更增加電路復雜度。為此，未來移動通信智能天線采用數字方法實現波束成形，即所謂數字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天線。使用軟件設計完成自適應算法更新，可以在不改變系統硬件配置前提下，增加系統靈活性。

2　智能天線技術的實現方案

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

　　多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數目的確定而確定。隨著用戶在小區中的移動，基站選擇不同的相應波束，使接受信號最強。因為用戶信號并不一定在固定波束的中心處，當用戶位于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應陣天線相比，多波束天線具有結構簡單、無需判定用戶信號到達方向的優點。

　　自適應陣天線一般采用4～16天線陣元結構，陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關程度降低，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、圓環型和平面型。自適應天線是智能天線的主要類型，可以實現全向天線，完成用戶信號接收和發送。自適應陣天線系統采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。自適應陣天線根據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的線纜，有效克服了干擾對系統的影響。

　　智能天線采用數字方法對陣元接收信號加權處理形成天線波束，使主波束對準用戶信號方向，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，達到抑制干擾的目的。根據天線波束形成的不同過程，實現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，調整信號振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向對準用戶信號到達方向。因為是陣元組件信號，模數轉換(ADC)后不經其它處理直接加權，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轉換(ADC)后，需經相應處理(如快速付立葉變換)，得到彼此正交的一組空間波束，再經過波束選擇，從中根據需要選取部分或全部波束合成陣列輸出方向圖。

　　因為用戶信號往往深埋于噪聲信號與干擾信號中，不易得到陣元接收信號的最佳加權。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強的幾個波束，以取得符合質量要求的信號，這樣可以在滿足陣列接收效果的前提下減少運算量和降低系統復雜度。

　　智能天線技術在實現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)需要系統提供與用戶信號相關的參考信號，用以計算誤差，控制陣列加權。恒模(CMA)算法利用陣列輸出信號恒包絡原理，不需要參考信號，屬于盲均衡方法。從通信系統整體考慮，智能天線技術獨立于傳統的多址方式和調制類型，可以應用于TDMA、FDMA或CDMA多址系統。但是，在具體實現過程中，天線接收結果是有差別的。

　　作為提高移動通信系統容量的重要手段，智能天線主要在基站作用。對于收發共用類型全向智能天線，采用時分雙工(TDD)方式的自適應天線更為合適。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，信號傳播的無線環境受頻率選擇性衰落影響各不相同，故根據上行鏈路計算得到的權值不能直接應用于下行鏈路。在TDD方式中上行與下行鏈路間隔時間短，使用相同頻率傳輸信號，上、下行鏈路無線傳播環境差異不大，可以使用相同權值，故TDD方式優于FDD方式。未來移動通信系統工作頻率更高，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　智能天線的研究進展

　　目前正處于確立第三代移動通信技術標準之時，歐、日、美等國非常重視智能天線技術在未來移動通信方案中的地位與作用。已經開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術試驗平臺。

3.1　歐洲

　　歐洲通信委員會(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術研究，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。

　　項目組在DECT基站基礎上構造智能天線試驗模型，于1995年初開始現場試驗。天線由八個陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調，陣元分布分別有直線型、圓環型和平面型三種形式。模型用數字波束成形的方法實現智能天線，采用ERA技術有限公司的專用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全向類型，采用TDD雙工方式。系統評估了識別信號到達方向的MUSIC算法，采用的自適應算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。

　　實驗系統驗證了智能天線的功能，在兩個用戶四個空間信道(包括上行和下行鏈路)下，試驗系統比特差錯率(BER)優于10－3。實驗評測了采用MUSIC算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現場測試，表明圓環和平面天線適于室內通信環境使用，而像市區環境則采用簡單的直線陣更合適。

　　歐洲通信委員會(CEC)準備在ACTS(Advanced Communication Technologies and Services)計劃中繼續進行第二階段智能天線技術研究，具體問題集中于以下方面：最優波束形成算法、系統協議研究與系統性能評估、多用戶檢測與自適應天線結構、時空信道特性估計及微蜂窩優化與現場試驗。

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變換后，進行快速付氏變換(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。天線數字信號處理部分由10片FPGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。

　　野外移動試驗確認了采用恒模(CMA)算法的多波束天線功能。理論分析及實驗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，選用最大電平接收信號，不用判別用戶信號到達方向及反饋控制機構等硬件跟蹤裝置。

　　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：根據用戶所處環境不同，影響系統性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號間干擾)也不同，利用軟件方法實現不同環境應用不同算法，比如當噪聲是主要因素時，則使用多波束最大比值合并(MRC)算法，而當同信道干擾是主要因素時則使用多波束恒模算法(CMA)，以此提供算法分集，利用FPGA實現實時天線配置，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研究院信威公司研制出應用于無線本地環路(WLL)智能天線系統。ArrayComm產品采用可變陣元配置，有12元和4元環形自適應陣列可供不同環境選用。在日本進行的現場實驗表明，在PHS基站采用該技術可以使系統容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環形自適應陣列，射頻工作于1785MHz～1805MHz，采用TDD雙工方式，收發間隔10ms，接收機靈敏度最大可提高9dB。

　　此外，德州大學奧斯汀SDMA小組建立了一套智能天線試驗環境，著手理論于實際系統相結合。加拿大McMaster大學研究開發了4元陣列天線，采用恒模(CMA)算法。國內部分大學也正在進行相關的研究。

4　結　語

　　智能天線對提高系統容量具有巨大潛力，近年來備受關注。但是由于自適應過程實現中影響因素復雜，難于動態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空信道盲辨識也是難點，所以在移動環境中采用自適應陣列智能天線尚有困難。從目前情況看來，智能天線正逐步應用在固定無線接入系統中，以適應用戶固定而無線傳播環境不斷變化的情況。同時，多波束天線也是一種相對易于實現的折衷方案?？傊?，未來移動通信系統中所用智能天線應該是基于高性能數字信號處理技術下，且不顯著增加現有系統復雜度的方案折衷。

　　根據自適應天線與多波束天線各自的優缺點，我們提出了一種利用它們各自的優點，同時降低實現復雜度的天線接收方案。在基站采用多波束天線(波束數為N)，可以提高系統的穩定性，減少反向鏈路基站接收的干擾信號數目至1／N，避免當基站天線跟蹤大量移動用戶時出現的實時測向問題。在移動臺采用自適應天線，比如兩個陣元的自適應天線，提供一個方向自由度，可以利用基站發射的用于移動臺相干接收的導頻信號來測向。由于對于每一個移動用戶，僅需跟蹤一個所在小區的基站信號方向，大大簡化了信號方向測定的難度。在移動臺采用TDD方式收發信號，則接收時的陣元加權可以直接用于發射，使得移動用戶發射信號集中在基站的接收波束之內，信號利用率提高，可以降低移動臺發射功率，減少電磁污染，同時補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的衰減。關于此問題，我們將進一步研究該方案對提高系統容量的作用。

智能天線系統（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是在覆蓋的整個小區尋找，天線的功率和信號強度大部分消耗在傳輸之中。新型的天線采取分區尋呼的方式，就是把天線的波束分成多個不同角度的分區。智能天線就是在分區傳輸路徑（sectorized transmission path）的概念上發展出來的。智能天線應用了先進的技術，把無線電的信號導向具體的方向，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。使用的先進技術主要是波束轉換技術（switched beam technology）和自適應空間數字處理技術（adaptive spatial digital processing technology）。

應用波束轉換技術的智能天線是在分區的基礎上向用戶方向發送多個波束，根據測量各個波束的信號強度跟蹤移動用戶，能在移動用戶移動時逐個轉換波束。因此也稱為波束轉換天線（switched beam antennas）。把波束分成許多窄波束能使信號增強，并且能較好地抑制干擾，可以使干擾降低很多，提高服務質量。

波束轉換的智能天線系統主要用于模擬移動通信。用于數字移動通信網的是應用自適應數字處理技術的智能天線。

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

RAD/RASP天線陣（RAD/RASP antenna array）

RAD是遠程天線激勵器（Remote Antenna Driver）的縮寫；RASP是遠程天線信號處理（Remote Antenna Signal Processing）技術的縮寫。RAD/RASP天線陣是以RAD和RASP技術為基礎開發出來的天線陣系統（Antenna Array System）。

這種天線陣系統可以設置在先進的HFC（混合光纖/同軸）網中。在HFC網的前端（headend）或運營中心（operation center）中設置一個RASP轉換設備。用來將電話信號轉換為無線傳輸的信號。RAD收發器（transceiver）和接收等則是裝設在網的遠端，用來把收到的無線電信號傳送給移動通信用戶，是天線陣的遠端單元?？梢匝杆俚財U大移動通信的覆蓋面。特別是許多有線電視的經營者，認為這種天線陣系統是他們能在有線電視網上開通移動電話業務的最迅速、最省錢的最佳途徑。