智能天線的本質技術及其智能實現

李望　王亞軍　張艷

[摘要]智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤目標及數字波束形成等功能，被認為4G和未來5G移動通信的關鍵必選技術。本交介紹了智能天線的本質特征——空分多址技術，討論和分析了實現空分多址與智能性的各種自適應算法。

[關鍵詞]智能天線 空分多址 波束形成 算法

空分多址技術通過用戶空間特征的差異，使用自適應波束形成算法控制的天線陣列來實現多個用戶的同步通信。它是智能天線的本質特征和集中體現，可以在相同的時域、頻域、碼域下根據位置來區分和識別不同的用戶，空分多址可以有效降低用戶間的串擾，大大增加系統容量和提升通信質量。

一、智能天線的基本概念和本質技術

1.1智能天線的基本概念

智能天線起源于天線陣列，最早應用在雷達和聲吶等軍事領域，具有空間濾波和目標定位等特點。隨著控制理論、數字信號處理技術等學科的發展和硬件實現，陣列天線的自適應性得以增強。上世紀八、九十年代該領域的一些學者把這種自適應性稱為智能性，從此智能天線的名字逐漸響亮。從陣列的智能化角度看，智能天線的工作方式包括波束切換、類主波束形成和完全自適應陣列三種，同時這也是智能天線發展的三個階段，第三種方式是真正意義上的智能天線，也是未來發展的趨勢和主流。智能天線的基本思想是利用多個相距一定距離天線陣元（一般取4、8、16）組成的陣列天線和現代數字信號處理技術將無線波束導向指定的目標方向，即利用自適應波束形成算法使用陣列天線產生所需要的最佳波束，使得天線的主瓣對準用戶目標信號，旁瓣或柵瓣對準干擾信號的來源方向，實現最大程度利用用戶有用信號和抑制和消除干擾信號的雙重目的。

1.2智能天線的本質技術

俗話說，時代造就英雄，英雄的產生離不開特定的歷史條件，智能天線技術也是出現于特殊的通信環境。上世紀后葉個人通信的數量爆炸式的增長和逐漸匱乏的無線通信資源形成了顯著的矛盾，通信技術人員在充分挖掘時域、頻域、碼域資源以后，逐漸對空域資源重視起來，于是智能天線技術在這個背景下應運而生并逐漸成長。世界各國對智能天線都高度重視，經過幾十年的發展，智能天線對無線通信系統產生了重要的影響，智能天線技術理所當然成為4G、5G未來移動通信的關鍵必選技術之一。

智能天線是繼已有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（MDMA）方式之后的第四種多址技術——空分多址（SDMA）技術，它是智能天線的本質技術和集中體現。SDMA在中移動3G通信系統TD-SCDMA中開始引入，其利用目標空間位置的不同來區分不同的用戶，即使這些用戶使用相同的通信信道，智能天線仍然可以根據信號在空間的不同傳播路徑來區分用戶。智能天線的SDMA技術是采用自適應的方法對空間進一步的開發和利用，在相同的時隙內可以多路傳輸信號，從而可以達到更高效率的傳輸、能夠大大提高無線通信系統的容量。另一方面，SDMA技術從不同的空間位置使用不同的定向波束接受信號，可以大大降低不同信號之間的相互干擾，提高信號的傳輸質量。

二、智能天線的智能性實現

2.1智能天線的智能性

智能天線實現了空分多址，把不同位置的目標在相應的傳播路徑上區分開來，但這并不是智能天線的智能性。它的智能性主要表現在該天線能實時跟蹤用戶的移動，能根據用戶的位置變化實現天線方向圖的自由切換和利用數字信號處理技術實時重建針對此每個用戶的最佳波束，做到將高增益的窄波束指向目標用戶、充分抑制干擾信號，實現每路信號的實時最佳傳輸。智能天線的智能性依托于波束轉換技術和自適應空間數字處理技術，這些技術都是通過智能天線的自適應算法來完成。

2.2智能天線的自適應算法

智能天線利用一定的最有準則產生最佳波束，使得波束的主瓣對準目標用戶，并且能隨著無線信道的變化或目標信號的移動，智能天線的權值向量作實時性的更新或自適應地調整，之后把生成的權值向量作用到每一個陣元上發射出去。這個實時改變的過程就叫做自適應波束形成，調整權值的最優算法稱為自適應波束形成算法，它是智能天線的核心研究內容，也是智能天線實現智能性的根本保證。到目前，相關學者已經提出過多種實用的算法，按其是否需要參考信號或訓練序列可分為非盲算法、盲算法和半盲算法三種。

2.2.1非盲算法

非盲算法，顧名思義需要先知的訓練序列，利用這些序列在接收端對隨機信號的概率統計特性進行實時估計，隨后按一定的最優準則來計算和逐漸實時調整權值，以使智能天線陣列的輸出與已知輸入關聯度最大。常用的非盲算法有最小均方誤差算法（LMS）、遞歸最小二乘法（RLS）、采樣矩陣求逆法（sMI）等。這些算法各有特點，LMS是基于最速下降的估計方法，而SMI和RLS是基于維納解最優表達式直接求解或最小二乘求解。在迭代方式上，LMS和RLS是迭代求解，而SMI是矩陣塊直接求精確解，但矩陣階數較高時運算量極大SMI的劣勢明顯。共軛梯度法也是一種非盲算法，它依然是基于均方誤差最小化，通過梯度搜索，以迭代形式尋找最優解。

2.2.2盲算法

盲算法是相對非盲算法來講的，它不需要參考信號或導頻信息，而只利用調制信號本身的特征信息和一定的最優準則使得調整天線權值的輸出滿足這些特征信息。與非盲算法相比，盲算法具有無需預先發送導頻信號、頻譜利用率較高等優點，但其卻收斂速度略差。常見的盲算法有恒模算法（CMA）、判決導向算法（DDA）、譜自相干恢復算法（SCORE）等。CMA利用的是信號的恒模特性，因此該算法的突出優點是對載波同步和采樣時刻沒有較高的要求。DDA在初始信噪比較高的情況下比恒模算法具有更快的收斂速度，它可以和非盲算法結合使用，利用非盲算法的訓練序列作為偽訓練序列，用以獲取所需信號并實時跟蹤信道的變化。SCORE是一種特征恢復性盲算法，當干擾信號和有用信號沒有相同的循環平穩性質時，SCORE就能利用有用信號的循環平穩特性將該目標信號從夾帶干擾信號的接收信號中提煉出來。

2.2.3半盲算法

介于非盲算法和盲算法之間的是半盲算法，該算法吸取以上兩種算法的優點，把接收到的已知信號作為導頻信號應用非盲算法，導頻信號結束之后再利用盲算法繼續進行計算、調整和跟蹤而獲得最優權值，該算法在一定程度下保證了較好的收斂速度和較小的收斂誤差。

三、結語

智能天線的本質是空分多址，在無線通信中利用多天線陣元和自適應算法實現通信系統指定波束的自適應形成和實時調整。智能天線能極大地增強系統的抗衰落性和抗干擾性，提高頻譜的利用率、增加系統容量。隨著移動通信需求的提高，作為未來5G關鍵技術的智能天線技術的研究將會不斷深入，智能天線的智能性會進一步增強，應用領域也會大大拓展，智能天線技術勢必對未來移動通信產生深遠的影響。