智能天线技术研究及其相关介绍

电子工程师 2017-12-12 795

RF/无线

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描述

　　智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字：智能天线，英文名为smart antenna或intelligent antenna。

　　——1．基本结构

　　——顾名思义自适应天线阵由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器（即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，而在相控阵雷达中只有相位可调），最后用相加器进行合并。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网（结构上与时域FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变、自适应调整。

　　上面介绍的其实是智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。

　　——2．工作原理

　　——假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决定。若入射信号为平面波（只有一个入射方向），则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并器后的输出信号强度也会不同。

　　——以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益（dB）为纵坐标所作的图被称为方向图（天线术语），智能天线的方向图不同于全向（omni-）天线（理想时为一直线），而更接近方向（directional）天线的方向图，即有主瓣（main lobe）、副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益（天线术语，天线的一项重要指标，是最强方向的增益与各方向平均增益之比），另外和固定天线的最大区别是：不同的权值通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式（antenna pattern）。

　　——下面来解释一下何谓合适的方向图，为了最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号，最直观的是我们可以将主瓣对准有用信号的入射方向，而将方向图中的最低增益点（被称之为零陷）对准干扰信号方向。当然这只是理想情况，实际的无线通信环境是很复杂的，干扰信号很多、存在多径传输、天线阵元数不会很多（有限的自由度）、有用信号与干扰信号在入射方向上差异可能不大等都使前面的方案并不可行，但追求最大信干噪比 SINR依然是最终目标。智能天线的实际工作原理要比上面介绍的复杂，特别是当进行空、时联合处理时，这时最好是从信号处理、特别是自适应滤波角度解释，由于这需要较强的理论性、专业性背景知识，这里不作介绍。

　　——3．用途

　　——移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMA TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系统中的MAI（Multiple Access Interference）等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时延样本（delay version）和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域（入射角DOA，Direction Of Arrival）也存在差异，分集天线（antenna diversity）、特别是扇形天线（sector antenna）可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。

　　——智能天线是一种升缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗（path loss），为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。

　　——而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子（比如在GSM中使复用因子3成为可能），和同时支持更多用户（CDMA中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。

　　——智能天线的又一个好处是可减小多径效应，CDMA中利用RAKE接收机可对时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。

　　——采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即是一种广泛适用的系统。

　　——智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。

　　——4．主要的研究内容

　　——智能天线的研究内容可以按它在移动通信中所扮演的角色来划分，移动台（特别是手机）在体积、电源上的限制使智能天线在移动台难于实现（一个例外是WLL无线本地环系统），所以目前主要研究的是在基站端的智能天线收与发，即上行收与下行发。

　　——要实现智能天线的下行发相对较困难，这是因为智能天线在设计发波束（transmitting beamforming）时很难准确获知下行信道的特征信息（特别是主要传播路径的出射角度），而理想的天线工作模式应是与信道相匹配的。一种方法是象 IS-95上行功控一样，做成闭环测试结构，但它有以下缺点：浪费宝贵的系统资源、附加时延、受上行信道干扰等。还有一种方法是利用上行信道信息来估计下行信道，在TDD（时分双工）系统中这显然行得通，这也是中国提交的TD-SCDMA第三代建议（TDD方式）得到较多注意的主要原因。但在FDD（频分双工）系统中情况却并非如此，由于上、下行信道使用的是不同频率（第三代系统相对第二代有更大的上、下行频差），上、下行信道的相关性是很弱的，很多参数并不相同，目前较多研究者相信的是上、下行信道主要传播路径的入射、出射角基本相同，所以我们只可能获得下行信道的部分信息，所形成的发波束也绝不会是最优的。

　　——下行信道包括控制信道和业务信道，控制信道由于是大家共用的，应该形成宽波束，而对应各个用户的业务信道则应用窄波束传送，也就是说它们有不同的加权系数，这样控制信道（如导频信道）和业务信道实际经历了不同的传输环境，会有不同的衰落，而移动台在做下行接收时通常利用导频信道来估计信道的幅度和相位畸变，以对业务信道进行相干接收，但这建立在两个信道有相同传输环境基础上，显然前者并不满足这一条件，而非相干接收相对相干接收有较大的信噪比损失。一些建议（比如cdma-2000）已考虑这一点，下行信道还有辅助导频信道（auxiliary pilot channel），可将它也以窄波束发送，但由于数目有限，更为可行的是将它分配给一群用户（此时形成的波束也应该对准这群用户，这可能发生在热点地区和基于激活用户数较多时进行的智能扇区化中）或某一要求链路质量较高的用户（如向他传送高速数据时）。

　　——用智能天线实现下行发面临的另一难题是由于加权是在天线前端进行的（实际中多在基带或中频实现，因更容易更灵活），后级的滤波器、D/A数模转换器、混频器、天线阵元（各路的）特性变化必然使形成的发波束发生变化，而它又不可能或很不容易用常用的反馈方法来调整加权系数以抵消这种变化，一种可行但并不是很好的方法是周期性地对后级特性进行测试和调整。

　　——由于目前智能天线技术并不很成熟，第三代移动通信的各种后选方案除了中国的TD-SCDMA外都只将智能天线作为可选技术，没有写入具体建议中，第二代系统也普遍未采用智能天线技术，智能天线作上行收时由于对移动台的发并未提出新的要求，很容易将其作为全向天线、扇型天线的升级版本用于已有基站系统，但当智能天线用于下行发时，通常会对移动台的收也提出新要求，牵涉面大，灵活性较小。

　　——目前的移动通信系统（主要是窄带CDMA 系统）存在下行容量超过上行的现象，即使考虑软切换的损失情况依然如此，从表面看提高上行容量是当务之急，但在第三代系统中高速数据、多媒体业务更可能出现在下行信道中，考虑到这种非对称需求，以后的瓶颈可能是下行，所以虽然存在上述的种种困难，研究智能天线的下行发依然是很必要和很迫切的。

　　—— TDD方式下的下行发和上行收处理差别不大，这里不单独论述。

　　——智能天线的上行收技术相对成熟些，自适应天线阵最早引入移动通信的目的也是为了改善上行信道的质量和容量。智能天线上行收主要有两种方式：全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式，理论工作者对前者较感兴趣，工程技术人员则更青睐于后者。在自适应方式中，对应空域或空、时域处理的各权值可依据一定的自适应算法进行任意调整，以对当前的传输环境进行最大可能匹配，相应的智能天线接收波束可以是任意指向的。而在切换波束中各权值只能从预先计算好的几组值中挑选，某一时刻的智能天线工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择，不是任意指向的，因而只可能对当前传输环境进行部分匹配，从理论角度讲不是最优的。

　　——全自适应智能天线研究的核心是自适应算法，目前已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则（比如最优的迫零准则zero forcing）确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整劝值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE（最小均方误差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法（Decision Feedback）是一类较特殊的盲算法，收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。盲算法一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模CM、子空间Subspace、有限符号集Finite Alphabet、循环平稳Cycle-stationary等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源，将二者结合的有一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做一方面可综合二者的优点，一方面也是与实际的通信系统相一致的，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

　　—— 全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下当干扰较多、多径严重、特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。正是在这一背景下，基于预多波束的切换波束工作方式被提出。此时全空域（各种可能的入射角）被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个（也有可能是几个，但需合并后再输出）作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其看作是介于扇形天线与全自适应天线间的一种技术。波束切换天线中值得研究的有以下内容：如何划分空域，即确定波束的问题，包括数目和形状；挑选波束的准则；波束跟踪的实现，主要指的是实现快速搜索算法等；以及切换波束与自适应波束成型的理论关系。

　　——作为智能天线研究的基础，建立更合理的信道传播模型，研究天线各阵元的较优位置分布等都是很有意义的。

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