移動通信系統中的智能天線技術

袁　翔

摘要：

文章簡述了智能天線的概念、原理和分類，包括預多波束和自適應波束兩種智能天線的原理和算法，論述了智能天線技術對移動通信系統性能的影響。

關鍵詞：

智能天線；波束形成；預多波束；自適應波束；自適應算法

ABSTRACT:

The basic concept, working principle and technical classification of smart antenna are introduced, including the description of principles and algorithms of the switched beam and tracking-beam smart antennas. The impact of the smart antenna technology on the cellular wireless communication system is also discussed.

KEY WORDS:

Smart antenna; Beamforming; Switched-beam; Tracking-beam; Adaptive algorithm

隨著移動通信的蓬勃發展，用戶數量迅速增加，頻譜資源越來越緊張，如何利用現有頻譜資源進一步擴展容量已成為移動通信發展的關鍵問題。智能天線技術利用陣列天線替代常規天線，能夠降低系統干擾，提高系統容量和頻譜效率，因此智能天線技術受到業界的廣泛關注。

最初的智能天線技術主要用于雷達、聲納相控陣天線，完成空間濾波和定位等。近年來，隨著現代數字信號處理技術的發展，數字信號處理芯片處理能力的提高和價格的降低，以及ASIC技術的日益成熟，智能天線技術不久即將應用于移動通信系統。

1 智能天線原理

從方向圖來區分，天線主要有全向天線和定向天線兩種：全向天線在各個方向的發射和接收均相同，應用于360°覆蓋小區；當采用小區分裂技術后，應采用僅覆蓋部分小區的定向天線。后者與前者相比，提高了信道復用率。上述兩種方式的覆蓋區域形狀是固定的。智能天線可以產生多個空間定向波束，動態改變覆蓋區域形狀，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，并且自動跟蹤用戶和應用環境的變化，從而有效抑制干擾，提取用戶信號，提高鏈路性能和系統性能。

與時分多址、頻分多址或碼分多址相對應，智能天線為一種空分多址(SDMA)技術。它與其他的多址方式相配合，增加了自由度，因此可以有效地增加系統容量、減小干擾和衰落、降低系統成本。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。

2 智能天線分類

波束形成是智能天線的關鍵技術，是提高信干比、增加用戶容量的保證。波束形成對陣列天線的波束幅度、波束指向和波束零點位置進行控制，在期望方向保證高增益波束指向的同時，在干擾方向形成波束零點，并通過調節各陣元的加權幅度和加權相位來改變方向圖形狀。智能天線可以分為預多波束和自適應波束兩大類。

2.1 預多波束形成

預多波束預先生成多個固定波束覆蓋某個小區。根據接收到的用戶信號，確定用戶所在的波束，用戶在小區內移動時，實現用戶和波束的切換。下行波束采用與上行波束相對應的權值。預多波束切換類的關鍵在于確定與用戶對應的波束。

預多波束對于處于非主瓣區域內的干擾，可以通過控制旁瓣來抑制。對于處于主瓣區域內的干擾，系統將無法抑制。應用于CDMA系統的預多波束原理框圖如圖1所示。

預多波束所帶來的增益推導如下：

相對于1個120°扇區傳統天線系統接收載干比而言，由４個30°波束組成的120°預多波束智能天線系統接收載干比的增益為：

CC

G=101og(——/——=101og(I₁₂₀/ I₃₀=101og(4I₃₀/ I₃₀

I₃₀I₁₂₀

其中，G為載干比增益，C為載波的信號電平，II₃₀、I₁₂₀分別為30°、120°天線的干擾電平。

在TDMA和FDMA系統中的計算和模擬顯示，利用30°的預多波束智能天線系統平均有7.6 dB的增益，系統頻率復用系數為4時可達到頻率復用系數為7的容量。波束處理系統由預多波束形成子系統和預多波束切換子系統組成。傳統基帶處理部分包括：Rake合并、功率控制指令產生、解交織、信道解碼等等。

2.2 自適應波束形成

自適應波束形成通過調節各陣元的加權幅度和加權相位，來改變陣列的方向圖，使陣列天線的主瓣對準期望用戶；同時陣列天線的零點和副瓣對準其他用戶，從而提高接收信噪比，滿足某一準則下的最佳接收。它同預多波束的區別在于：某一用戶的波束要隨著用戶移動而移動。自適應波束的結構有許多種。圖2為一種典型的基于CDMA的自適應波束形成原理框圖。

主要的自適應算法有如下幾種。

(1)基于波達方向估計(DOA)

經典DOA估計方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改進算法，還有最大似然估計、基于高階累計量、基于特征值分解的次最優估計等方法。該類算法要解決的問題是計算復雜、自由度小、矩陣分解等等。(2)非盲自適應處理

自適應處理中的期望信號對自適應處理結果影響很大。在CDMA系統中，由于提供了導頻信道，因此完全有條件進行非盲自適應處理。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是該算法的具體實例。

以LS-DRMTA算法為例。假設第i個用戶的第n個數據位被正確檢測。在(n－1)Tb和nTb中(Tb為符號寬度)，將數據位重新擴頻，即可獲得第i個用戶在(n－1)Tb和nTb之間的傳輸信號，這個信號可以被用于第i個用戶的自適應波束形成。用戶i的重擴頻延遲信號為：

r_I(t)＝b_inc_I(t－τ_I)， (n－1)T_b≤t≤nT_b

LS-DRMTA算法的代價函數為：

迭代公式為：w_I(l＋1)＝［xx^H］^-1xr_I(l )^*，其中，x為輸入信號，r_I(l )為用戶i的第l次迭代的估計信號，H表示復共軛轉置，*表示復共軛算子。

(3)盲自適應波束形成

盲自適應是無法提供自適應算法中要求的期望信號，只能利用傳輸信號的特性進行波束形成，實現盲自適應算法。這種方法不是最優估計，典型的代表有CMA(恒模算法)。CMA有許多變形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

該類算法假設用戶信號到達基站時幅度恒定，其代價函數是：

J(wk)＝E［||w_kHx_kk|^p－|α|^p|^q］

其中，x_k為k時刻陣列天線輸入向量，α為期望值，w_k為k時刻權值，p、q為指數因子。

如果采用LMS(Least Mean Square)迭代運算，則有：

w(k＋1)＝w(k)－μ▽_wJ(w_k),

其中，w(k)為k時刻的權系數向量，J(wk)為代價函數，μ▽為迭代因子，_w為梯度算子。

3 智能天線對移動通信系統的影響

3.1 智能天線的優點

智能天線對系統性能的改善如下：

(1)提高系統容量

智能天線采用窄波束接收和發射移動用戶信號，降低了其他用戶的干擾，因此對于自干擾系統如CDMA系統，可以有效地提高系統容量；同時，采用空分技術復用信道，也增加了系統容量。

(2)增大覆蓋范圍

波束形成是多根天線的矢量疊加，等效為天線增益的增加，也就是提高了基站接收機的靈敏度和基站發射機的EIRP(有效全向輻射功率)。這意味著在同樣的接收和發射條件下可以達到更遠的通信距離，因此增大了覆蓋范圍。

(3)降低系統干擾

采用窄波束的主瓣接收和發射信號，旁瓣和零點抑制干擾信號，可以降低系統干擾，提高陣列的輸出信噪比，即提高系統的抗干擾能力。除外，它對于移動系統中的多徑干擾也有一定的削弱作用。

(4)降低系統成本

由于波束形成的增益可以減小對功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同時可以減小移動臺的體積和重量，延長了移動臺的電池使用壽命，降低移動臺的成本。

(5)增加增值業務

智能天線可以獲得移動用戶的方位信息，同其他技術配合可以實現移動用戶的無線定位。無線定位目前是移動通信領域的熱點技術，將來的市場潛力巨大，這是一項很有實用價值的增值業務。

3.2 智能天線存在的問題

(1)增加了系統復雜度

智能天線需要高效的算法、高速的DSP器件，滿足實時性處理要求。智能天線的算法結構應該盡量能夠兼容常規的處理結構，便于系統靈活配置，降低成本。采用智能天線的基站要能夠和常規基站混合組網，兼容網絡側的管理和維護。

(2)增加了通道校正

如果要在基帶完成波束形成，則需要進行通道校正，提高了通道要求。

4 結束語

智能天線技術是近年來移動通信領域的研究熱點。它在PHS中已經得到商用，在第3代移動通信系統中更倍受關注，WCDMA和cdma 2000都不同程度地對智能天線技術給予支持，TS-SCDMA明確表示使用智能天線。可以說，智能天線是未來移動通信的一項關鍵技術，該技術在其他的無線系統中也有著光明的發展前景。□

參考文獻

1 Adrian Boukalov, Sven-Gustav. System Aspects of Smart Antennas Technology in Cellular Wireless Communications. IEEE Radio and Wireless Conference (RAWCON 99). Denver, Colorado, USA,August 1-4 1999: 17-22

2 Liberti J C, Rappaport T S. Smart Antennas for Wireless Communications:IS-95 and Third Generation CDMA Applications. Prentice Hall，NJ, USA, 1999

3 Lehne Per H, Pettersen Magne. An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems. IEEE Communications Surveys Fourth Quarter, 1999, 2(4)

4 張賢達.現代信號處理.北京:清華大學出版社，1995

(收稿日期：2002-08-28)

作者簡介

袁翔，深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所高級工程師，碩士。主要研究方向為：陣列信號處理、自適應信號處理、移動通信、數字通信等。