智能天線自適應波束形成技術現狀及發展

摘要：

文章介紹了智能天線自適應波束形成技術的基本概念及典型自適應波束形成方法，歸納了自適應波束智能天線的主要結構形式。在此基礎上，分析了自適應波束智能天線實現中面臨的幾個問題，探討了自適應波束形成技術未來的發展趨勢。

關鍵詞：

智能天線；自適應波束形成；算法；空時處理

Abstract:

The basic concept of adaptive beamforming technology for the smart antenna is introduced along with the typical methodology of adaptive beamforming. The main architectures of adaptive beamforming smart antennas are presented. Then problems in realizing the adaptive beamforming smart antennas are analyzed and the development trend of the adaptive beamforming technology in the future is discussed.

Key words:

Smart antenna; Adaptive beamforming; Algorithm; Space-time processing

全球通信業務的迅速發展，使得作為未來個人通信主要手段的無線通信技術受到極大關注。如何有效地消除同信道干擾、多址干擾、碼間串擾和多徑衰落的影響成為無線通信系統尤其是碼分多址無線通信系統中制約系統容量的主要問題。傳統的采用均衡的處理方法在信號傳輸時延較大時難以解決這些問題，而采用時空聯合處理的智能天線技術，通過信號時間域和空間域的聯合處理可以較好地解決這些問題。

智能天線利用數字信號處理技術，產生空間走向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷點對準干擾信號到達方向，以達到充分高效地利用移動用戶的有用信號并抑制或刪除干擾信號的目的。應用智能天線的無線通信系統能夠降低多址干擾，提高系統的信噪比。

1、 波束形成技術

波束形成的目標是根據系統性能指標，形成對基帶信號的最佳組合或者分配。具體地說，其主要任務是補償無線傳播過程中由空間損耗、多徑效應等因素引入的信號衰落與失真，同時降低同信道用戶間的干擾。波束形成的基本過程是：在建立系統模型的基礎上，描述系統中各處的信號，再根據系統性能要求，將信號的組合或分配表述為一個數學問題，尋求其最優解。

1.1 傳統的波束形成技術

傳統的波束形成器所有的加權有相等的幅度，選擇相位使陣列波束指向期望方向θ0。用a0表示期望方向的方向向量，則陣元數是M的陣列加權向量w為：

具有此加權的陣列在期望方向上有單位響應，即處理器的輸出功率等于信源功率。這種波束形成器在只存在不相關噪聲和無干擾情況下，其輸出有最大信噪比(SNR)。對于不相關噪聲(即R_n=σ²_nI，σ²_n為噪聲功率，I為單位陣列)，波束形成器的輸出噪聲功率為：

式(2)表明，陣列的輸出噪聲功率為每一陣元上功率的1/M，上角標H表示共扼轉置。這樣，具有單位增益的波束形成器在信號方向上衰減了不相關噪聲，使輸出信噪比等于psM/σn2，ps為期望信號的功率。

1.2 自適應波束形成技術

自適應波束形成算法是根據一定的最優準則導出的，

點：在LS-DRMTA中，不同用戶的加權因子估計是以波束形成器端口輸出信號與期望用戶信號之間誤差最小為準則，不會出現不同加權因子收斂于相同的值，因此不需要Gram-Schmidt正交化過程；不需要分類過程；波束形成器輸出端口數不受天線陣元數的限制，當系統擴展時，更多的輸出端口可以非常容易地添加到波束形成器上，添加的端口使用原有的射頻和基帶信號變換裝置，大大降低系統代價；每次迭代過程的計算簡單；通過解擴重擴減少了干擾，可以在更低的信噪比下使用。

(7)基于拉格朗日描述的波束形成算法

這種方法利用了CDMA傳輸信號中比較大的擴頻增益，遞歸尋求相關矩陣的最大特征值，估計最佳權向量。它有著很好的優越性，即不但能在比較低的信噪比下形成優良波束，并且突破了波束數受天線數限制的傳統約束，能夠形成大大超過天線數的波束(幾乎只取決于擴頻增益)。此算法每一步迭代的計算量大約只是3M，比RLS算法還少一個數量級，并且能較快地收斂。

2、自適應波束智能天線的結構

2.1 基于碼片級的自適應結構

(1)多個波束解擴-RAKE合并

多個波束解擴-RAKE合并時基于碼片級的自適應結構如圖1所示，即先進行空域處理，在波束形成中，N個輸出形成不重復的N個波束，一個波束圖可能包含多個用戶。經過匹配濾波(MF)后，進入RAKE合并實現空時處理。從結構上看，這種方法硬件結構較為簡潔，但由于是基于碼片級的計算，無論自適應算法采用何種自適應權值方法，計算量均較大，算法的優化在該方法中尤為重要。

(2)單個波束解擴-RAKE合并

在單個波束解擴-RAKE合并時基于碼片級的自適應結構中，先對各陣元進行波束形成加權處理，然后對幾個不相關多徑分量進行分別解擴。該結構只進行一次數字波束形成處理，因而系統的復雜度相對于多個波束解擴-RAKE合并方案而言大大降低。

2.2 基于符號級的自適應結構

基于符號級的自適應結構如圖2所示，這種結構是先進行匹配濾波，即先進行用戶分離，然后波束合成形成針對該用戶的波束，實現二維RAKE接收。從結構上分析，基于符號的波束形成方法需要設計數量眾多的相關器，硬件結構較為復雜，但該方法是基于符號級的計算，自適應算法的計算量相對較小。

2.3 基于群的自適應結構

基于群的波束形成方法利用已有的基帶專用集成電路芯片(ASIC)構建智能天線處理器，實現對扇區的自適應劃分。基帶ASIC可以采用Qualcomm公司的常規基站調制解調器CSM5200。如圖3所示。

基于群的波束形成方法采用基帶ASIC(如CSM5200)完成除波束形成之外的大部分工作，需要考慮如何充分利用CSM5200的資源，以及與圍繞CSM5200的軟硬件功能在實現上的難易程度。顯然，該結構受限于所采用CSM5200這類芯片在處理用戶容量、處理速度、可靠性、芯片體積等方面的性能。

3、 自適應波束智能天線實現時面臨的問題

(1)精確地獲得信道參數

信道參數估計是進行空時RAKE接收處理的基礎，沒有準確的時延參數，自適應波束形成將無從做起。通常時延的估計是在波束形成之前，也就是說時延搜索時無法利用波束抑制波束外的非期望用戶，所有激活用戶(某扇區內)的信號都將被接收并相互干擾。在無智能天線的基站，所能容納的同時激活的最多用戶數目是確定的，超過該數目，時延搜索將出現困難。配備有智能天線的基站，在未形成波束前，如果不采取其他措施，時延搜索與常規基站沒有什么差別，也就是說，所能容納的最多用戶數目與常規基站的相同，顯然沒有發揮智能天線可以擴大基站容量的作用。因此，在時延搜索上必須采取另外的措施，使得在激活的用戶數目超過常規基站時，時延搜索仍能正常進行。

(2)上下行波束形成的統一規劃

對于下行鏈路而言，不同的復用方式可采用不同的解決方法：對于時分雙工(TDD)方式，由于上下行鏈路采用相同的頻率，在信道參數在相鄰的上下行數據幀中幾乎沒有變化的情況下，可以直接利用上行估計得到的信道參數，但這只適用于慢速移動的系統；對于頻率復用分割(FDD)方式，由于上下行鏈路的頻率間隔一般都大于相關帶寬，因此上下行的瞬時信道幾乎是不相關的，此時采用反饋信道是最好的方法。顯然，上行鏈路參數估計的好壞，對上下行信道的波束形成都有很大的影響。此外，在上行信道的波束形成時，就要考慮到下行信道波束形成如何進行，以實現上下行信道波束形成的統一優化，使智能天線系統的作用得到最大程度的發揮。

(3)波束形成算法

良好的自適應波束形成算法通常需要很大的運算量以及復雜的結構，目前的硬件性能尚難以達到這樣的指標。因此，尋求用較少的運算和簡潔的結構實現自適應波束，始終是科技人員努力的目標之一。此外，實現算法中具體參數(初始權值、收斂門限、步長等)的優化也對算法最終結果起著至關重要的作用。

4、 結束語

對于智能天線來說，在研究自適應波束形成新技術同時，還應關注技術的有效性、穩健性以及實用性等內容。從可實現的角度來看，智能天線自適應波束形成今后的研究可能趨向于以下幾個方面：

探索有效的數字波束形成技術，著重于突破陣列物理限制的數字多波束形成技術。

研究計算有效、穩健的用戶多徑參數估計技術，重點在基于輔助導頻信號的非盲技術。

根據業務和信道環境的不同，確定不同的自適應算法實現結構以及參數的選取準則。

此外，相對于上行自適應波束形成技術的廣泛深入研究，下行鏈路性能成為提高系統性能的“瓶頸”，因此迫切需要有效的下行自適應波束形成方法。□

參考文獻：

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收稿日期：2003-03-12

作者簡介：

王衍文，西安交通大學畢業，博士。深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所主任工程師，目前從事智能天線方面的系統設計工作。