智能無線技術(shù)簡介

智能無線技術(shù)簡介
    智能天線原名自適應(yīng)天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應(yīng)用于雷達、聲
納、軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，大家熟悉的相掛陣雷達就是一種較簡單的自
適應(yīng)無線陣。移動通信研究者給應(yīng)用于移動通信的自適應(yīng)無線陣起了一個較吸引入的名字：
智能無線，英文名為smart antenna或Intelligent antenna。
    1.基本結(jié)構(gòu)
    顧名思義自適應(yīng)天線陣由多個天線單元組成，每一個天線后接一個加權(quán)器（即乘以某一
個系數(shù)，這個系數(shù)通常是復(fù)數(shù)，既調(diào)節(jié)幅度又調(diào)節(jié)相位，而在相控陣雷達中只有相位可調(diào)），
最后用相加器進行合并。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理，同時具有空域、時域處理
能刀的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜些，每個天線后接的是一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)（結(jié)構(gòu)上與時
城FIR均衡器相同）。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以恰當改變自適應(yīng)調(diào)整。
上面介紹的其實是智能天線用作接收天線時的結(jié)構(gòu)，當用它進行發(fā)射時結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)
器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒有相加合并器。
    2.工作原理
    假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件，即某～人射信號在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而
沒有幅度變化，這些相位差異由人射信號到達各天線所走路線的長度差決定。若人射信號為
平面波（只有一個人射方向），則這些相位差由載波波長、人射角度、天線位置分布唯一確
定。給足～粗加權(quán)值，一定的人射信號強度，不同人射角度的信號由于在天線問的相位差不
同，合并器后的輸出信號強度也會不同。
    以人射角為橫坐標對應(yīng)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(shù)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）無線的方向圖，即有主瓣（main lobe、副辯（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(guān)系，和較大的天線增益（
無線術(shù)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(quán)值通常對應(yīng)不同的方向圖，我們可以通過改變權(quán)值來選擇合適
的方向圖。即天線模式（antenna Pattern）。
    下面來解釋一萬何謂合適的方向圖，為了最大限度地放大有用信號。抑制干擾信號，最
直觀的是我們可以將主辯對準有用信號的人射方向，而將方向圖中的最低增益點（被稱之為
零陷）對準干擾信號方向。當然這只是理想情況，實際的無線通信環(huán)境是很復(fù)雜的，干擾信
號很多，存在多徑傳輸、而天線陣元數(shù)不會很多精限的自由度）、有用信號與干擾信號在人
射方向上差異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依然是最終目
標。智能無線的實際工作原理要比上面介紹的復(fù)雜，特別是當進行空、時聯(lián)合處理時，這時
最好是從信號處理、特別是自適應(yīng)濾波角度解釋，由于這需要較強的理論性、專業(yè)性背景知
識，這里不作介紹。
    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（Inter－Sy
mbol Interference）、FDMATDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復(fù)用引入的同信道干擾（CCI，Co
－ChannelInterference）、CDMA系統(tǒng)中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鍵
路性能、系統(tǒng)容量下降，我們熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收，信道編譯碼技術(shù)等都是
為了對抗或者減小它們的影響。這些技術(shù)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、頻域存在差異的同時，在空域（人射角DOA，
Direction ofArrival）也存在差異，分集天線（antenna dlversty），特別是扇形天線（se
ctor 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(shù)。
    智能天線是一種伸縮性較好的技術(shù)。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(shè)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)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(fù)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��?quán)值，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(fù)用因子（比如在GSM中使復(fù)用因子3成為可能）和同時支持更多用戶
（CDMA中）。從某種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(yīng)，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(yīng)。
    采用智能天線技術(shù)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(zhì)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(yīng)
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、主要的研究內(nèi)容
    智能天線的研究內(nèi)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(shè)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(yīng)是與信道相匹配的。一種方法是象IS－95上行功控一樣,做成閉環(huán)測試
結(jié)構(gòu)，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TD－SCDMA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(guān)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)波束也絕不會是最憂的。
    下行信道包括控制信道和業(yè)務(wù)信道控制信道，由于是大家共用的，應(yīng)該形成定波束，而
對應(yīng)各個用戶的業(yè)務(wù)信道則應(yīng)用窄波束傳送，也就是說它們有不同的加機系數(shù)，這樣控制信
道（如導(dǎo)頻信道）和業(yè)務(wù)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(dǎo)頻信道來估計信道的幅度和相位畸變，以對業(yè)務(wù)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(chǔ)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(yīng)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(zhì)量較高的用戶（如
向他傳送高速數(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(quán)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、D／A數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)整加權(quán)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(diào)整。
    由于目前智能天線技術(shù)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—SC
DMA劍、都只將智能天線作為可選技術(shù)，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(shù)，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(wù)之急，但在第三代系統(tǒng)中高速數(shù)
據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)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(shù)相對成熟些，自適應(yīng)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(zhì)量和容量。智能天線上行收主要有兩種方式：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)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(shù)人員則更青睬于后者。在自適應(yīng)方
式中，對應(yīng)空域或空、時域處理的各權(quán)值可依據(jù)一定的自適應(yīng)算法進行任意調(diào)整，以對當前
的傳輸環(huán)境進行最大可能匹配，相應(yīng)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(quán)值只能從預(yù)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(yù)先設(shè)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(yīng)智能無線研究的核心是自適應(yīng)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(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）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(yīng)再按一定準則（比如最優(yōu)的
迫零準則zero forcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調(diào)整勸值，以使
智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)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(dǎo)頻信號。判決反饋算法（Deci
sion 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(yīng)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(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關(guān)的一些特征如恒模CM、子空間Subspace、
有限符號集Finite AlPhabet、循環(huán)平穩(wěn)Cycle－stationary等，并調(diào)整權(quán)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(jié)合的有一種半官算法，即先
用非官算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進行跟蹤和調(diào)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(dǎo)頻待不會時時發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)務(wù)信
道時分復(fù)用的。
    全自適應(yīng)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(yù)多波束的切換波束工作方式被提出。此時全空域（各種可
能的人射角）被一些預(yù)先計算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對應(yīng)的波束有不同的主瓣指向，
相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務(wù)是挑選一個（也有可能是幾個，但
需合并后再輸出）作為工作模式與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實現(xiàn)，實際上我們可將其看
作是介于扇形天線與全自適應(yīng)天線問的一種技術(shù)。波束切換天線中值得研究的有以下內(nèi)容：
如何劃分空域，即確定波束的問題，包括數(shù)目和形狀；挑選波束的準則；波束跟蹤的實現(xiàn)，
主要指的是實現(xiàn)快速搜索算法等；以及切換波束與自適應(yīng)波束成型的理論關(guān)系。
    作為智能天線研究的基礎(chǔ)，建立更合理的信道傳播模型，研究天線各陣元的較優(yōu)位置分
布等都是很有意義的。