智能天線的發(fā)展及在TD-SCDMA中的應(yīng)用

  1、智能天線的提出

智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強(qiáng)天線性能的一種天線。它利用信號傳輸?shù)目臻g特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號與干擾信號，從而控制天線陣的方向圖，達(dá)到增強(qiáng)所需信號、抑制干擾信號的目的；同時它還能根據(jù)所需信號和干擾信號位置及入射角度的變化，自動調(diào)整天線陣的方向圖，實現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動的目的，達(dá)到最佳收發(fā)信號，實現(xiàn)動態(tài)“空間濾波”的效果。采用智能天線的目的主要有以下3點：a）通過提供最佳增益來增強(qiáng)接收信號。b）通過控制天線零點來抑制干擾。c）利用空間信息增大信道容量。

最早的智能天線是出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代的旁瓣對消天線，這種天線包含一個用于接收有用信號的高增益天線和一個或幾個用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個這樣的環(huán)路組合成陣列天線，就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展，與智能天線有關(guān)的術(shù)語也越來越多，如智能天線（intelligent antenna）、相控陣（phased arrays）、空分多址（SDMA）、空間處理（spatial processing）、數(shù)字波束形成（digital beam forming）、自適應(yīng)天線系統(tǒng)（adaptive antenna system）等，反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個不同的方面。但總的來說，智能天線主要包含兩類：開關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中，只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號提供最佳增益的同時，識別、跟蹤和最小化干擾信號。

2、智能天線的發(fā)展現(xiàn)狀

早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)領(lǐng)域，目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識別和跟蹤目標(biāo)。隨后，智能天線在信道擴(kuò)容和提高通信質(zhì)量等方面具備的獨特優(yōu)勢吸引了眾多的專家學(xué)者，日本、歐洲和美國的許多研究機(jī)構(gòu)都相繼開展了針對智能天線的眾多研究計劃，這也為智能天線的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.1日本的智能天線發(fā)展

日本最早開始智能天線的研究是在20世紀(jì)70年代。到1987年，研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落，因而可以用于高速移動通信應(yīng)用中。自此，日本學(xué)者展開了大量的針對移動通信環(huán)境的智能天線研究，包括自適應(yīng)處理算法、數(shù)字波束形成方案、WCDMA中的多址干擾抑制方法，以及基站和移動終端上分別適用的智能天線類型等。其中，較早的有日本郵政電信部通信研究實驗室的智能天線系統(tǒng)和NTT-DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA體制的智能天線實驗系統(tǒng)。前者工作于1.5 GHz，針對TDMA方式采用GMSK調(diào)制，數(shù)碼率可達(dá)256 kbps。系統(tǒng)利用4陣元天線進(jìn)行多徑時延對消以消除多徑衰落，權(quán)值更新采用恒模（CMA）算法在東京進(jìn)行的實驗表明：自適應(yīng)天線技術(shù)在無線高速數(shù)據(jù)傳輸和存在選擇衰落的情況下仍能很好地對消多徑時延信號。后者則采用2D-RAKE接收機(jī)結(jié)合MMSE自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行處理。實驗系統(tǒng)有3個小區(qū)基站用以評估切換和其他的網(wǎng)絡(luò)功能。實驗結(jié)果表明，就平均誤碼率（BER）而言，智能天線比空間分集有明顯改善。

此外，日本ATR光電通信研究所也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經(jīng)過低噪聲放大、下變頻和模數(shù)變換后，進(jìn)行快速傅氏變換（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（MRC）算法。野外移動試驗確認(rèn)了采用恒模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可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。在此基礎(chǔ)上，ATR的研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)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(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法。比如當(dāng)噪聲是主要因素時，則使用多波束MRC算法，而當(dāng)同信道干擾是主要因素時則使用多波束CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA實現(xiàn)實時天線配景，完成智能處理。

隨后，ATR研究所又針對移動通信中移動終端上適用的智能天線形式進(jìn)行了大量探討，最終提出了單端口電激勵的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合，在天線處實現(xiàn)了空間濾波。

2.2歐洲的智能天線發(fā)展

歐洲通信委員會（CEC）在RACE計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱為TSUNAMI。實驗評測了采用MU-SIC算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而市區(qū)環(huán)境則更適合采用簡單的直線陣。

此后，歐洲通信委員會（CEC）又在ACTS計劃中繼續(xù)進(jìn)行了第二階段智能天線技術(shù)研究，即TSUNAMIⅡ，旨在考察第三代移動通信中采用智能天線系統(tǒng)的可行性和具體優(yōu)勢。通過大量宏蜂窩和微蜂窩的實驗，用以驗證智能天線系統(tǒng)在商用網(wǎng)絡(luò)中的工作情況。通過對兩套系統(tǒng)收發(fā)性能的比較，證實了實際的智能天線方向圖與理論方向圖的一致性，實際所能達(dá)到的干擾抑制能力與理想的干擾抑制能力相差通常在2dB以內(nèi)。實驗結(jié)果同時也說明，智能天線系統(tǒng)在郊區(qū)宏蜂窩環(huán)境下的干擾抑制水平比較理想，而在市區(qū)微蜂窩環(huán)境下的干擾抑制能力則與環(huán)境雜波有關(guān)。

2.3其他國家的智能天線發(fā)展

ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司也研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路（WLL）的智能天線系統(tǒng)。該產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用，在日本進(jìn)行的現(xiàn)場實驗表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高4倍。此外，ArrayComm公司還研制出用于GSM、PHS和無線本地環(huán)路的IntelliCell天線，目前該天線已經(jīng)在全球多個國家投入實用。除ArrayComm以外，美國Metawave公司、Raython公司以及瑞典Ericsson公司都有各自的智能天線產(chǎn)品，這些智能天線系統(tǒng)都是針對移動通信開發(fā)的，用于GSM、TDMA或者CDMA。由我國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)之一的TD-SCDMA之中就明確規(guī)定要采用智能天線。

3、智能天線的分類

智能天線是通過反饋控制自動調(diào)整自身天線波束的自適應(yīng)天線，主要用途是自適應(yīng)抗干擾，是其它抗干擾方法不能取代的有效的空域抗干擾措施。只要干擾與有用信號來向有所不同，自適應(yīng)天線系統(tǒng)就能有效地發(fā)揮作用。按實現(xiàn)形式智能天線可分為3類。

1）自適應(yīng)調(diào)零智能天線

它是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)算法形成方向圖。自適應(yīng)調(diào)零智能天線的基本原理就是根據(jù)天線的輸入、輸出特性，按一定的算法準(zhǔn)則自動地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)，在干擾方向上形成零陷，而在信號入射方向上增益最大，從而大幅度降低干擾電平，提高系統(tǒng)的信噪比。從空間響應(yīng)看，其自適應(yīng)天線陣列是一個空間濾波器，在通信中天線的物理位置不作改變，但信號檢測與處理系統(tǒng)卻可以判斷出干擾與信號的來向，自適應(yīng)地改變天線的方向圖，并將零陷方向?qū)��?zhǔn)干擾，主瓣對準(zhǔn)要接收的信號。但因系統(tǒng)方向圖主瓣寬度是由天線陣列口徑?jīng)Q定的，所以自適應(yīng)智能天線對處于主瓣區(qū)域內(nèi)干擾的抑制能力是很有限的。

2）等旁瓣針狀波束智能天線

它也是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，但與自適應(yīng)智能天線不同之處在于它的天線方向圖是等旁瓣方向圖，且方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計算好的。系統(tǒng)工作時，首先通過測向確定信號的到達(dá)方向（DOA），選取合適的加權(quán)，然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向目標(biāo)方向，從而提高接收信噪比。這類智能天線對處于非主瓣區(qū)域的干擾，可以通過低的等旁瓣電平來確保抑制，但對處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，采用此類智能天線將無法抑制，不及自適應(yīng)智能天線。但等旁瓣智能天線無需迭代，而且響應(yīng)速度快。

3）數(shù)字波束形成智能天線

它運(yùn)用數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)，將其波束形成自適應(yīng)天線陣與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合。系統(tǒng)需要有一個基準(zhǔn)信號，工作時利用高分辨率的測向算法獲得通信基準(zhǔn)信號，當(dāng)基準(zhǔn)信號到達(dá)波束形成自適應(yīng)天線陣時，便給信號處理器提供一個方向信息，將各陣元的接收信號轉(zhuǎn)換到基帶，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后根據(jù)方向信息對數(shù)字信號進(jìn)行加權(quán)處理，從而在此方向上形成所需的波束。

4、智能天線的優(yōu)點

在移動通信系統(tǒng)中，由于障礙物的反射，信號會在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間多次傳播從而形成多徑傳播。這是移動通信中存在的主要問題，被稱為時延擴(kuò)展（delay spread）。由于多徑信號到達(dá)接收機(jī)的時間不同，因此多徑傳播將導(dǎo)致符號間干擾，將會嚴(yán)重地影響通信鏈路的質(zhì)量。另一方面，共信道干擾是無線系統(tǒng)容量的主要限制因素，它將影響用戶對有效網(wǎng)絡(luò)資源（頻率、時間）的重用。

智能天線對信號多徑具有抑制作用。在CDMA中，當(dāng)信號的多徑時延大于一個碼長時，這條多徑就與原信號不相關(guān)。智能天線的原理是調(diào)整不同天線上信號的幅度和相位，使與參考信號強(qiáng)相關(guān)的信號增強(qiáng)，抑制與參考信號不相關(guān)的信號，即智能天線把與主徑不相關(guān)的多徑當(dāng)作干擾進(jìn)行抑制。智能天線通過利用多徑可以改善鏈路的質(zhì)量，通過減小相互干擾來增加系統(tǒng)的容量，并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。智能天線還可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益，增加覆蓋范圍改善建筑物中的信號接收質(zhì)量；并且對高速率用戶進(jìn)行波束跟蹤，起到空間隔離，消除干擾的作用。采用智能天線還可以提高系統(tǒng)設(shè)計時的靈活性。智能天線的優(yōu)點可以歸納如下。

1）增加覆蓋范圍

在接收端由于天線陣列對信號進(jìn)行相干接收，這樣就會產(chǎn)生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數(shù)目成正比；增加覆蓋范圍可以改善建筑物中和高速運(yùn)動時的信號接收質(zhì)量。

2）降低功率/減小成本

智能天線可以對特定用戶的傳輸進(jìn)行優(yōu)化，這樣就會使發(fā)射功率降低，從而降低放大器的成本，也可以延長移動臺的使用壽命。

3）改善鏈路質(zhì)量/增加可靠性

由于通過獨立的衰落路徑可以接收到獨立的信號副本，而在這些信號副本中一般會有一個或者多個副本沒有受到衰落，這樣多個獨立的維數(shù)就會減小信號波動的影響，產(chǎn)生分集。分集的形式包括時間分集、頻率分集、碼分集和空間分集等。當(dāng)用智能天線對空間域進(jìn)行抽樣時就會產(chǎn)生空間分集。在非頻率選擇性衰落的多輸入多輸出（MIMO）信道中，最大的空分集階數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)目和接收天線數(shù)目的乘積。多個發(fā)射天線通過采用特殊的調(diào)制和編碼機(jī)制就可以產(chǎn)生發(fā)射分集，而多個接收天線的接收分集取決于對獨立衰落信號的合并。這樣可以提高信號接收質(zhì)量降低掉話率從而提高語音質(zhì)量。

4）增加頻譜效率

通過不同方法精確地控制發(fā)射功率就會降低干擾，從而增加使用同樣資源的用戶數(shù)目，大大增加系統(tǒng)容量。通過波束成形技術(shù)可以產(chǎn)生一種新的多址接入方式——空分多址（SDMA）。SDMA可以實現(xiàn)資源的重用，增加數(shù)據(jù)速率，從而增加頻譜效率，該增益也被稱為空間復(fù)用增益。通過利用多個獨立的空間維數(shù)來同時傳送數(shù)據(jù)，在MIMO系統(tǒng)中，這種獨立的空間維數(shù)被稱為MIMO信道特征模式。在不相關(guān)瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發(fā)天線數(shù)目的最小值成正比。

5、智能天線的工作原理及在3G中的應(yīng)用

5.1智能天線的組成及工作原理

天線主要由高頻處理部分、中頻處理部分、波束形成部分組成。天線接收的信號經(jīng)過高頻/中頻處理放大，以滿足A/D變換的要求，然后進(jìn)入專用數(shù)字處理器即數(shù)字調(diào)諧器，變換為窄帶信道的零中頻復(fù)包絡(luò)信號，此信號經(jīng)過數(shù)字波束形成器處理，計算出所需信號和干擾信號的到達(dá)時間（TOA）、角度，完成信號合成。發(fā)送信號可根據(jù)接收信號得到的參數(shù)，進(jìn)行相反的處理。

由于天線有發(fā)射和接收兩種工作狀態(tài)，所以智能天線包括智能發(fā)射和智能接收兩部分，它們的工作原理基本相同。智能接受時，自適應(yīng)天線陣能在干擾方向未知的情況下對陣列中各個陣元的信號輸入進(jìn)行自適應(yīng)的加權(quán)調(diào)整，使陣列天線方向圖的零點對準(zhǔn)干擾方向調(diào)零，以減小甚至抵消干擾信號，從而達(dá)到從混合的接收信號中解調(diào)出期望得到的信號的目的。即使在干擾和信號同頻率的情況下，也能成功地抑制干擾。如天線的陣元數(shù)增加，還可增加零點數(shù)來抑制不同方向上的幾個干擾源，實際效果可達(dá)25dB～30dB以上。智能天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個移動目標(biāo)，同時抑制來自窄波束以外的干擾和噪聲，使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。智能發(fā)射時，根據(jù)從接收信號中獲取的UE信號方位圖，自適應(yīng)地調(diào)整每個輻射陣元輸出的幅度和相位，使得他們的輸出在空間疊加，產(chǎn)生指向UE的賦形波束。

5.2智能天線在TD-SCDMA中的應(yīng)用

WCDMA和CDMA2000都希望能在系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)，但由于其算法復(fù)雜度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技術(shù)明確表示將在基站端使用智能天線。對于系統(tǒng)基站而言，智能天線技術(shù)在3G中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面，即基站的收和發(fā)，具體而言就是上行收與下行發(fā)。智能天線的上行收技術(shù)研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自適應(yīng)方式和基于預(yù)波束的波束切換方式。在自適應(yīng)方式中，可根據(jù)一定的自適應(yīng)算法對空、時域處理的各組權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行最大限度的匹配，從而實現(xiàn)任意指向波束的自適應(yīng)接收。全自適應(yīng)方式在理論研究中具有很大的實用價值，但在實際工程中，由于全自適應(yīng)算法的計算量大等因素而很不實用。在工程設(shè)計時，更感興趣的是基于預(yù)波束的波束切換方式。因為波束切換中的各權(quán)值系數(shù)只能從預(yù)先計算好的幾組中挑選，因此計算量、收斂速度等方面較全自適應(yīng)方式有優(yōu)勢。然而在這種方式下由于智能天線的工作模式只能從預(yù)先設(shè)計好的幾個波束中選擇，因而它不能完全實現(xiàn)自適應(yīng)性的任意指向，在理論上并不是最優(yōu)的。實現(xiàn)基站智能天線下行發(fā)射難度相對較大，主要因為智能天線在設(shè)計波束時很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息。目前在這方面主要有下述兩種方案。

a）利用類似第二代移動通信的IS-95中的上行功率控制技術(shù)形成閉環(huán)反饋測試結(jié)構(gòu)形式，也就是說基站通過正向鏈路周期性地向移動臺發(fā)射訓(xùn)練序列，而移動臺通過反向鏈路反饋信號，從而估計最佳正向鏈路加權(quán)系數(shù)。

b）利用上行信道中提取的參數(shù)估計下行信道。這種方法實際上就是智能天線依靠從上行鏈路中提取的參數(shù)來對下行波束賦形，對于FDD方式，由于上下行頻率間隔相差較大，衰落特性完全獨立因而不能使用。但對于TDD方式，上下行時隙工作于相同頻段，只要上下行的幀長較短完全可以實現(xiàn)信道特性在這段轉(zhuǎn)換時間內(nèi)保持恒定。TD-SCDMA系統(tǒng)將一個10ms的幀分裂成兩個5ms的子幀，縮短了上、下行的轉(zhuǎn)換時間。

TD-SCDMA系統(tǒng)綜合了FDMA、TDMA、CDMA以及TDD模式中聯(lián)合檢測與智能天線等先進(jìn)技術(shù)。其基本技術(shù)特征之一是在TDD模式下，采用周期性重復(fù)的時間幀傳輸基本的TDMA突發(fā)脈沖，通過周期性地切換傳輸方向，在同一載波上交替地進(jìn)行上下行鏈路傳輸，在保證高頻譜效率的同時，又獲得了經(jīng)濟(jì)效益。

6、結(jié)束語

智能天線技術(shù)的發(fā)展日益加快，應(yīng)用前景日益廣闊是不爭的事實。在未來3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)引入智能天線技術(shù)，將增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高層次上提高系統(tǒng)對于無線頻譜的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)容量。但是智能天線也有一些本身無法解決的問題，主要是當(dāng)時延超過碼片寬度時產(chǎn)生的多徑干擾和高速移動時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。因此，在多徑干擾嚴(yán)重的高速移動的情況下，智能天線必須和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)同時使用，才可能達(dá)到最佳效果。