基于軟件無線電的智能天線技術

熊建云

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017）

0 引言

隨著信息化社會的發展，移動通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾、共信道干擾以及多徑衰落的影響成為提高無線通信系統性能時要考慮的主要因素。智能天線利用現代數字信號處理技術，選擇合適的自適應算法，動態形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣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，從而達到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度的抑制干擾信號的目的。軟件無線電的核心是使用高速的數字信號處理器完成中頻采樣之后的所有數字運算，由于DSP的可編程性，導致了軟件無線電靈活的個性化配置。因此，固定的天線陣列與數字信號處理器的結合，就構成了可以動態配置天線特性的智能天線。

1 智能天線的基本概念

智能天線是基于自適應天線陣列原理，利用天線陣波束成形技術，使天線陣的波束指向能跟蹤期望信號的天線，是軟件無線電技術與數字多波束技術相結合的產物。智能天線采用空分多址技術(SCDMA),利用信號在傳輸方向上的差別,將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來,最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數字信號處理技術組成。

智能天線有波束轉換智能天線和自適應智能天線兩類。波束轉換天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數目而確定。當用戶在小區中移動時，基站在不同的相應波束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結構簡單、無需判定用戶信號到達方向的優點。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發送。自適應就是指天線陣列接收到的信號，經過自適應算法的處理，能夠按照某一確定的準則調整天線陣列的權值，從而在期望的信號方向形成高的接收/發射增益，在干擾信號方向形成“零陷”或低的發射增益，并且隨著用戶的移動和信道的變化，能夠自動調整天線陣列的權值，使高增益波束始終對準期望信號。

2 基于軟件無線電的智能天線結構

基于軟件無線電的智能天線具有自動地適應環境變化，增強系統有用信息的檢測能力，優化天線方向圖，并能有效地跟蹤有用信號，抑制和消除干擾及噪聲，從而保持系統性能在某種準則下處于最佳狀態。使用軟件設計完成自適應算法更新，可以在不改變硬件配置前提下增加系統的靈活性?；谲浖o線電的智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數加權器，最后用相加器進行合并輸出。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數可以根據一定的自適應算法進行自適應更新調整。智能天線的典型結構如圖1所示，主要由天線陣列、射頻前端、A/D轉換器、自適應信號處理器和接口電路等組成。當系統處于接收狀態時，由各個天線單元接收到的信號，首先經過射頻前端進行濾波、放大、下變頻等處理后，再進行A/D變換，送入自適應信號處理器與一組復加權系數進行加權處理（實現接收信號與權矢量之間的內積運算），從而產生波束輸出。

圖1 智能天線的結構

智能天線不同于常規的扇區天線和天線分集方法，它可以為每個用戶提供一個很窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發送和接收，充分利用了信號發射功率，降低了信號全向發射帶來的電磁污染與相互干擾。智能天線引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同時隙，相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據信號的不同傳播路徑來區分。SDMA是一種新的信道增容方式，與其它多址方式(FDMA,TDMA,CDMA)完全兼容，因此可以實現組合的多址方式。

3 智能天線的基本算法

智能天線所處理的信號是在時域、頻域上完全重疊，只在空域上分離(來自不同方向)的多路信號，智能天線所起的作用實質上就是—個空域濾波器。自適應波束形成算法是將天線與數字處理技術相結合，利用空間特性來改進接收系統輸出信噪比，通過軟件編程在自適應信號處理器上實現的。它不用對硬件做任何操作，只需要通過修改軟件，就可以方便新系統，以適應不同環境和不同場合的要求。采用自適應波束形成技術的智能天線可通過自適應算法調整權值，任意改變方向圖，在有用信號方向形成主波束，而在其它用戶方向增益較低或零陷，減少了其它用戶所引起的多址干擾，同時還可以降低接收信號的衰落程序，提高系統性能。

自適應算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。非盲算法是指需要借助參考信號的算法，此時收端知道發送的是什么，按一定準則確定或逐漸調整權值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發端傳送已知的導頻信號，它一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征，并調整權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。非盲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資源。波束賦形的主要任務就是補償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應等引起的信號衰落與失真，同時降低用戶間的共信道干擾。軟件無線電系統均采用數字方法實現波束合成，即數字波束形成（DBF），從而可以使用軟件設計完成自適應算法更新，在不改變系統硬件配置的前提下增加系統的靈活性。

4 結束語

基于軟件無線電的智能天線具有自動地適應環境變化，增強系統有用信息的檢測能力,同時不需要對硬件組態進行任何改變，所以系統具有易維護、易應用的操作環境，可以提高系統的運用彈性和擴充能力。將智能天線用于移動通信系統，可增大信道容量，提高系統可靠性，擴大基站覆蓋范圍、降低鄰道干擾等。但是智能天線引入使得對元器件性能要求更高，增加系統的復雜性以及波束賦形的性能導致移動速度受限等。智能天線系統未來將向著數字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個干擾的方向發展。

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