智能天線(xiàn)及其在無(wú)線(xiàn)通信中的應用

論文關(guān)鍵詞：智能天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信應用

論文摘要：智能天線(xiàn)是近年發(fā)展起來(lái)的，用于提高無(wú)線(xiàn)通信系統的容量和抗干擾能力的新技術(shù)。本文全面地闡述了智能天線(xiàn)的概念、特點(diǎn)、實(shí)現方案和應用前景，同時(shí)還給出了智能天線(xiàn)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

一、引 言

近年來(lái)，蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展十分迅速，用戶(hù)量呈指數律上升。但是隨著(zhù)用戶(hù)量的大幅度地增長(cháng)，目前的通信系統正面臨著(zhù)許多亟待解決的問(wèn)題。尤其突出的是:信道容量的限制、多徑衰落、遠近效應、同頻道干擾、越區切換、移動(dòng)臺由于電池容量的功率受限等等。這就迫切需要一種能夠提高系統容量和通信質(zhì)量的新技術(shù)。這就是智能天線(xiàn)得以提出和發(fā)展的客觀(guān)環(huán)境。

通過(guò)分析，我們不難發(fā)現頻分多址(FD-MA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CD-MA)分別是在頻域、時(shí)域和碼組上實(shí)現用戶(hù)的多址接入，而空域資源尚未得到充分的利用。智能天線(xiàn)則致力于空間資源的開(kāi)發(fā)，是一條解決目前頻譜資源匱乏的有效途徑。

一般地，智能天線(xiàn)被定義為:具有測向和波束成形能力的天線(xiàn)陣列。實(shí)際上，智能天線(xiàn)利用了天線(xiàn)陣列中各單元之間的位置關(guān)系，也就是利用了信號的相位關(guān)系，這是與傳統分集技術(shù)本質(zhì)上的區別。智能天線(xiàn)能識別信號的入射方向( DOA - Direction ofArrival)，從而實(shí)現在相同頻率、時(shí)間和碼組上用戶(hù)量的擴展。因此可以把智能天線(xiàn)看作SDMA(Spatial Division Multi-Access)。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，智能天線(xiàn)系統還可以認為是自適應天線(xiàn)在現代移動(dòng)通信系統中的進(jìn)一步發(fā)展。而早在60年代，自適應天線(xiàn)就開(kāi)始應用于諸如目標跟蹤、抗信號阻塞等軍事電子領(lǐng)域中。

智能天線(xiàn)系統致力于提高移動(dòng)通信系統的系統容量，這在無(wú)線(xiàn)電頻譜資源日益擁擠的今天，具有十分重要的現實(shí)意義。同時(shí)智能天線(xiàn)系統還能提高移動(dòng)通信系統的通信質(zhì)量，是一種具有良好的應用前景，但還沒(méi)有被人們充分開(kāi)發(fā)的新的技術(shù)方案。相對其他技術(shù)方案而言，具有投資省、見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。目前，世界上許多著(zhù)名的大學(xué)與公司都競相致力于智能天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)，例如:Stanford， Erics-son， Northern Telecom， BellSouth， BellAtlantic及ArrayComm。歐洲電信委員會(huì )( ETSI - European TelecommunicationsStandards Institute)在其第三代移動(dòng)通信系統標準中(UMTS - Universal MobileTelecommunication System)，明確提出智能天線(xiàn)系統是第三代移動(dòng)通信系統必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。并制定相應的開(kāi)發(fā)計劃，即:TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastruc-ture)。

二、智能天線(xiàn)及其與傳統技術(shù)的比較

首先，我們給出智能天線(xiàn)的典型結構，如圖1所示。

智能天線(xiàn)由以下三部分構成:天線(xiàn)陣列，信號合成通道和自適應控制單元。其中，天線(xiàn)陣列是由按某種規律排列的單元天線(xiàn)構成的。常用的陣列形式有直線(xiàn)陣列與圓形陣列。信號合成通道則將來(lái)自每個(gè)單元天線(xiàn)的空間感應信號加權相加，其中的權系數為復數。也就是說(shuō)，每路信號的幅度與相位均可改變。自適應控制單元是智能天線(xiàn)的核心。該單元的功能是根據一定算法和優(yōu)化準則主動(dòng)地去適應周?chē)姶怒h(huán)境的變化。

進(jìn)一步地，我們來(lái)推導窄帶假設條件下(信號帶寬的倒數遠小于電磁波波前跨越天線(xiàn)陣列的時(shí)間)智能天線(xiàn)的矢量模型。對由m個(gè)陣元構成的陣列天線(xiàn)，信號在第i個(gè)陣元的響應可表示如下:

其中，L為多徑信號的數目，gi(θl)為以θl角度入射到天線(xiàn)陣列的第l徑信號在第i個(gè)陣元上的響應。αl(t)，τl分別為第l徑信號的復包絡(luò )和時(shí)延。u(·)表示經(jīng)過(guò)調制后的信源。定義m維復矢量x(t)和a(θl):

因此天線(xiàn)陣列的輸出響應可以表示為：

其中，αl(t)遵從Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定義為陣列綜合因子，該參數由陣列的幾何結構、各單元的方向圖、單元之間的互耦、鄰近散射體對陣列天線(xiàn)的影響等諸多因素共同決定。u(t)代表發(fā)射信號的瞬時(shí)結構，在GMSK調制制式中，該函數有如下的表達式:

式中，φ(t)為MSK信號通過(guò)Gaussian濾波器后的相位函數。當考慮同波道干擾和熱噪聲時(shí)，天線(xiàn)陣列接收到的信號表示如下:

上式第二項為Q-1個(gè)干擾源產(chǎn)生的同波道干擾。第三項為零均值加性高斯白噪聲。智能天線(xiàn)的算法直接影響著(zhù)智能天線(xiàn)的性能。一般地，智能天線(xiàn)的算法可分為單用戶(hù)算法和多用戶(hù)算法兩大類(lèi)。在單用戶(hù)算法中，把其他用戶(hù)產(chǎn)生的干擾等效為加性高斯噪聲。而在多用戶(hù)算法中，則需要同時(shí)分辨出其他用戶(hù)產(chǎn)生的同波道信號，因此多用戶(hù)算法是實(shí)現SDMA的基礎。智能天線(xiàn)的算法若按照其優(yōu)化的目標函數可分為基于最大似然序列估計準則的MLSE(Maximum LikelihoodSequence Estimation)算法和基于最小均方誤差準則的MMSE(Minimum Mean SquareError)算法兩類(lèi)。對GSM或IS-54系統，由于在突發(fā)的數據流中包含訓練序列，宜采用有導師的學(xué)習算法(Training Signal Method)，該算法可以實(shí)時(shí)反映信道的變化，但卻是以降低頻譜利用率為代價(jià)的。而對于非Gaussian信號、恒包絡(luò )信號(ConstantModulus)可采用無(wú)導師的自學(xué)習算法(BlindMethod)。

智能天線(xiàn)與自適應天線(xiàn)并沒(méi)有本質(zhì)上的區別，但是由于其使用的場(chǎng)合不同而具有顯著(zhù)的差異:自適應天線(xiàn)主要應用于雷達系統的干擾抵消，一般地，雷達接收到的干擾信號具有很強的功率電平，并且干擾源數目與天線(xiàn)陣列單元數相當。而在無(wú)線(xiàn)通信系統中，由于多徑傳播，到達天線(xiàn)陣列的干擾數目遠大于天線(xiàn)陣列單元數，同時(shí)其功率電平一般都小于直射信號。圖2顯示了典型的十單元半波長(cháng)均勻直線(xiàn)陣列，在不同的應用場(chǎng)合中方向圖的比較(圖中干擾源分別位于±75度和±35度)。

分集接收是無(wú)線(xiàn)通信系統常用的抗多徑衰落技術(shù)方案。事實(shí)上，分集技術(shù)利用了陣列天線(xiàn)中不同陣元耦合得到空間信號的弱相關(guān)性。常用的分集技術(shù)有:空間分集、極化分集、頻率分集和角度分集。N單元的智能天線(xiàn)實(shí)質(zhì)上也可等效為，由N個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并的準則構成的空間分集陣列。從這個(gè)意義上講，智能天線(xiàn)是傳統的分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。例如:小區的扇區化技術(shù)即可認為是一種簡(jiǎn)化的固定預分配的智能天線(xiàn)系統。表1對智能天線(xiàn)與分集技術(shù)的特點(diǎn)做了詳細比較。

無(wú)線(xiàn)通信系統常常要求天線(xiàn)具有窄的主瓣寬度、高增益和低的付瓣電平。但是對一定結構的天線(xiàn)而言，上述兩個(gè)要求是矛盾的。事實(shí)上，天線(xiàn)陣列的方向圖等于單元方向圖和陣列因子的乘積。因此選取適合的陣列圖案和單元方向圖是智能天線(xiàn)的一個(gè)重要研究?jì)热?。平面任布陣列是一種具有很強應用背景的實(shí)現方案。對于給定陣列單元數量的陣列分布，如果其占據的幾何空間越大，則形成尖銳主瓣波束的能力越強。例如，對一個(gè)10單元的直線(xiàn)陣列，當主付瓣功率電平差為40dB時(shí)，主瓣寬度為40°。

在傳統的無(wú)線(xiàn)通信系統中，由于無(wú)法確定移動(dòng)用戶(hù)的地理位置而不得不采用全向發(fā)射天線(xiàn)。實(shí)際上只有很小部分的信號被移動(dòng)用戶(hù)截獲，這不僅造成能量的損失，更為嚴重是構成對其他用戶(hù)人為的干擾，從而導致系統容量和信干噪比的下降。采用智能天線(xiàn)的目的，就是要在基臺與移動(dòng)用戶(hù)之間建立一條能量相對集中的無(wú)線(xiàn)鏈路。為實(shí)現上述目標，智能天線(xiàn)系統需完成以下兩大任務(wù):

1.能實(shí)時(shí)感知電磁環(huán)境，包括DOA測向、譜估計、從接收到的信號中分離出直射信號和多徑信號;

2.后處理過(guò)程，包括信道分離、抗多徑干擾和衰落。該處理過(guò)程取決于算法的收斂速度和穩定性，以及DSP的處理速度。在此，我們給出表征系統容量的單位:

bit/s/Hz/unit-area。該參數表示在給定發(fā)射功率、給定頻譜范圍內信號的傳輸速率。系統容量的提高表現在兩個(gè)方面:(1)對于用戶(hù)集中的都市區，在給定小區范圍內能容納更多的移動(dòng)用戶(hù);(2)對于用戶(hù)稀疏的郊區，在保證用戶(hù)通信質(zhì)量的前提下，擴大小區的服務(wù)范圍。智能天線(xiàn)對系統容量的提高有以下兩條途徑:

1.利用智能天線(xiàn)的波束成形和自適應測向跟蹤能力，實(shí)時(shí)地形成窄的主瓣波束對準所需信號，在其他方向盡量壓低付瓣增益。以此來(lái)代替傳統的全向天線(xiàn)。智能天線(xiàn)提高了接收信號的信干噪比，從而提高了系統容量。此時(shí)對應單用戶(hù)算法。

2.把智能天線(xiàn)等效為空域濾波器，實(shí)現空分多址傳輸，即所謂的SDMA。此時(shí)要采用多用戶(hù)檢測算法。需要說(shuō)明的是，SDMA并不是與FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式，而是附加在上述多址方式上的優(yōu)化方案。

要精確地計算智能天線(xiàn)對系統容量的提高是十分困難的。首先，必須確定小區用戶(hù)的分布情況、小區的無(wú)線(xiàn)傳播模型、智能天線(xiàn)的方案與算法，并結合具體的通信體制加以討論。目前已有許多文獻進(jìn)行有益的探索。這是智能天線(xiàn)研究的最重要的課題之一。

下面我們來(lái)定性地分析SDMA系統的性能。事實(shí)上，目前的移動(dòng)通信體制基本上都是上行受限的系統。也就是說(shuō)，上行鏈路與下行鏈路是不平衡的。這是由于基臺和移動(dòng)臺的物理結構造成的。例如，假設基臺發(fā)射功率為20W，天線(xiàn)增益17dBi，此時(shí)基臺為1kWEIRP。而移動(dòng)臺為1W EIRP，天線(xiàn)增益為0dBi，在此假設條件下，上行鏈路與下行鏈路的不平衡度為13dB。在900MHz或1800MHz頻段，17dBi增益的天線(xiàn)已接近工程應用的上限。因此要縮小上下行鏈路的不平衡度，唯一的方法是減小基臺發(fā)射功率。采用智能天線(xiàn)后，能很大程度上緩解上下行鏈路的不平衡度。對于沒(méi)有多徑傳播的理想情況下，采用十單元的陣列天線(xiàn)將使上下行鏈路的不平衡度減少至3dB。

另一方面，由陣列天線(xiàn)獲得的SNR的提高可以等效為基臺服務(wù)范圍的增加。對于m單元的陣列天線(xiàn)與單天線(xiàn)相比，其基臺服務(wù)范圍增加m1/α倍。

當然，上述分析是理想情況下的。但在實(shí)際的移動(dòng)通信系統中，同波道干擾和多徑傳播與噪聲相比，是影響系統性能的更為重要的因素。同時(shí)智能天線(xiàn)也能改善系統的SINR。當-90dBm的直射信號與-95dBm的干擾分別以不同角度入射到天線(xiàn)陣列時(shí)，假設系統噪聲為-120dBm，此時(shí)系統SINR大約為5dB。采用十單元的直線(xiàn)陣列天線(xiàn)后，干擾信號將受到抑制，系統的SINR可以提高到40dB。如圖3所示。

對于由移動(dòng)用戶(hù)附近形成的時(shí)間選擇性衰落信號，其到達天線(xiàn)陣列的入射角分布較集中。智能天線(xiàn)則很難處理，此時(shí)宜采用時(shí)域的處理方法，例如RAKE接收機。

對于空間選擇性衰落信號，用智能天線(xiàn)來(lái)處理則具有很大的優(yōu)勢。一種簡(jiǎn)單的算法是將除直射信號以外的多徑信號視為干擾加以抑制。另一種更為有效的方法，是分離出各

徑信號并按照一定的準則優(yōu)化合并。當然這是以設備的復雜性為代價(jià)的。

因此，在上行鏈路中應用智能天線(xiàn)可以提高系統的SINR，增加小區服務(wù)范圍，減小移動(dòng)臺的發(fā)射功率。

智能天線(xiàn)既可在上行鏈路中單獨使用，也可在上下行鏈路中同時(shí)使用。在下行鏈路中采用智能天線(xiàn)的最大優(yōu)點(diǎn)在于，把基臺盲目的、廣播式的傳播變?yōu)槎ㄏ虻男盘杺鬟f。采用智能天線(xiàn)以后，一方面可以簡(jiǎn)化基臺的設備，例如:過(guò)去基臺要發(fā)射100W的功率則需要100W的功放，當采用十單元的天線(xiàn)陣列后，每單元只需1W的功放來(lái)激勵。要知道100W的功放與1W的功放，無(wú)論是在價(jià)格還是性能上都有很大的區別。另一方面更為重要的是，定向傳播將極大地減小基臺對其他用戶(hù)的人為的干擾，凈化電磁環(huán)境，從而提高了系統容量。這一點(diǎn)具有十分重要的意義。需要指出的是，由于在FDMA系統中，上下行鏈路采用不同的頻率。因此由上行鏈路得到的用戶(hù)空間信息不能簡(jiǎn)單拷貝到下行鏈路。這時(shí)需要復雜的上下行鏈路分配方案。因此在下行鏈路中應用智能天線(xiàn)可以提高系統容量，簡(jiǎn)化基臺設備。

多徑衰落是影響無(wú)線(xiàn)通信系統的關(guān)鍵因素之一。對此，人們做了大量的嘗試并提出許多有效的方案。例如:分集技術(shù)、RAKE接收機、自適應濾波等等。而智能天線(xiàn)則從空間域的角度提供了一條新途徑。智能天線(xiàn)能分辨出直射信號與各徑多徑信號，這是傳統的抗多徑技術(shù)無(wú)法得到的。如何與現有的抗多徑技術(shù)相結合，較好地解決多徑傳播是智能天線(xiàn)研究的另一個(gè)重要的研究課題。

同時(shí)智能天線(xiàn)在網(wǎng)絡(luò )管理上也有十分突出的特點(diǎn)。由于智能天線(xiàn)具有測向功能，因此利用相鄰小區基臺得到的方向信息，可以確定用戶(hù)在小區的位置，為實(shí)現正確切換提供更可靠的依據。小區采用智能天線(xiàn)后，可以根據移動(dòng)用戶(hù)與基臺的距離，自適應調整基臺的功率增益來(lái)簡(jiǎn)化移動(dòng)用戶(hù)的功率控制和克服遠近效應。

四、小 結

智能天線(xiàn)是第三代移動(dòng)通信(3G)不可缺少的空域信號處理技術(shù)。歸納起來(lái)，智能天線(xiàn)具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):

1.具有測向和自適應調零功能，能把主波束對準入射信號并自適應實(shí)時(shí)地跟蹤信號。同時(shí)還能把零響應點(diǎn)對準干擾信號。

2.提高輸入信號的信噪比。顯然，采用多天線(xiàn)陣列將截獲更多的空間信號，也就是獲得陣列增益。

3.能識別不同入射方向的直射波和反射波，具有較強的抗多徑衰落和同波道干擾的能力。能減小普通均衡技術(shù)很難處理的快衰落對系統性能的影響。提高了接收機的載干比。

4.增強系統抗頻率選擇性衰落的能力。因為天線(xiàn)陣列本質(zhì)上具有空間分集的能力。

5.可以利用智能天線(xiàn)，實(shí)時(shí)監測電磁環(huán)境和用戶(hù)情況來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )的管理能力。

6.智能天線(xiàn)能自適應調節天線(xiàn)增益，較好地解決遠近效應問(wèn)題，為移動(dòng)臺的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了條件。越區切換是根據基臺接收的移動(dòng)臺功率電平來(lái)判斷的，而陰影效應和多徑衰落常導致錯誤的跨區轉接，增加了網(wǎng)絡(luò )管理的負荷和用戶(hù)的呼損率。在相鄰小區應用智能天線(xiàn)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)地測量和記錄移動(dòng)臺的位置和速度，為越區切換提供更可靠的依據。

智能天線(xiàn)的誘人的應用前景在于，以較低的設備復雜性來(lái)獲取系統容量和抗多徑衰落能力的提高。同時(shí)，尋找實(shí)時(shí)高效的快速算法并用DSP或ASIC加以固化是智能天線(xiàn)技術(shù)得到廣泛應用的前提條件。

1 SIMON C. SWALES， etc. The PerformanceEnhancement of Multibeam Adaptive Base -Station Antennas for Cellular Land Mobile Ra-dio Systems. IEEE Transaction on VT，1990，VT-39(1):56~67

2 Carl B. Dietrich Jr. and Warren L. Stutzman.Smart Antennas Enhance Cellular/PCS Perfor-mance. Microwaves &RF，1997(4):76~86

3 Richard H. Roy. Adaptive Antenna Technologyfor Wireless Local Loop Systems. WirelessTechnologies China '98Conference Proceedings，1998:228~234

4 Richard H. Roy. Wireless Communications Sys-tems use Adaptive Smart Antenna Technology.Mobile Radio Technology，1997，15(3):16~26