智能天線的本質(zhì)技術(shù)及其智能實現(xiàn)

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(shù)字波束形成等功能，被認為4G和未來5G移動通信的關(guān)鍵必選技術(shù)。本交介紹了智能天線的本質(zhì)特征——空分多址技術(shù)，討論和分析了實現(xiàn)空分多址與智能性的各種自適應(yīng)算法。

[關(guān)鍵詞]智能天線 空分多址 波束形成 算法

空分多址技術(shù)通過用戶空間特征的差異，使用自適應(yīng)波束形成算法控制的天線陣列來實現(xiàn)多個用戶的同步通信。它是智能天線的本質(zhì)特征和集中體現(xiàn)，可以在相同的時域、頻域、碼域下根據(jù)位置來區(qū)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(tǒng)容量和提升通信質(zhì)量。

一、智能天線的基本概念和本質(zhì)技術(shù)

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(yīng)用在雷達和聲吶等軍事領(lǐng)域，具有空間濾波和目標定位等特點。隨著控制理論、數(shù)字信號處理技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展和硬件實現(xiàn)，陣列天線的自適應(yīng)性得以增強。上世紀八、九十年代該領(lǐng)域的一些學(xué)者把這種自適應(yīng)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(yīng)陣列三種，同時這也是智能天線發(fā)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(fā)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(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)將無線波束導(dǎo)向指定的目標方向，即利用自適應(yīng)波束形成算法使用陣列天線產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)技術(shù)

俗話說，時代造就英雄，英雄的產(chǎn)生離不開特定的歷史條件，智能天線技術(shù)也是出現(xiàn)于特殊的通信環(huán)境。上世紀后葉個人通信的數(shù)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(shù)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(shù)在這個背景下應(yīng)運而生并逐漸成長。世界各國對智能天線都高度重視，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，智能天線對無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生了重要的影響，智能天線技術(shù)理所當然成為4G、5G未來移動通信的關(guān)鍵必選技術(shù)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(shù)——空分多址（SDMA）技術(shù)，它是智能天線的本質(zhì)技術(shù)和集中體現(xiàn)。SDMA在中移動3G通信系統(tǒng)TD-SCDMA中開始引入，其利用目標空間位置的不同來區(qū)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(jù)信號在空間的不同傳播路徑來區(qū)分用戶。智能天線的SDMA技術(shù)是采用自適應(yīng)的方法對空間進一步的開發(fā)和利用，在相同的時隙內(nèi)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(tǒng)的容量。另一方面，SDMA技術(shù)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(zhì)量。

二、智能天線的智能性實現(xiàn)

2.1智能天線的智能性

智能天線實現(xiàn)了空分多址，把不同位置的目標在相應(yīng)的傳播路徑上區(qū)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(xiàn)在該天線能實時跟蹤用戶的移動，能根據(jù)用戶的位置變化實現(xiàn)天線方向圖的自由切換和利用數(shù)字信號處理技術(shù)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(xiàn)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(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，這些技術(shù)都是通過智能天線的自適應(yīng)算法來完成。

2.2智能天線的自適應(yīng)算法

智能天線利用一定的最有準則產(chǎn)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(quán)值向量作實時性的更新或自適應(yīng)地調(diào)整，之后把生成的權(quán)值向量作用到每一個陣元上發(fā)射出去。這個實時改變的過程就叫做自適應(yīng)波束形成，調(diào)整權(quán)值的最優(yōu)算法稱為自適應(yīng)波束形成算法，它是智能天線的核心研究內(nèi)容，也是智能天線實現(xiàn)智能性的根本保證。到目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)提出過多種實用的算法，按其是否需要參考信號或訓(xùn)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(xùn)練序列，利用這些序列在接收端對隨機信號的概率統(tǒng)計特性進行實時估計，隨后按一定的最優(yōu)準則來計算和逐漸實時調(diào)整權(quán)值，以使智能天線陣列的輸出與已知輸入關(guān)聯(lián)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(yōu)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(shù)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(yōu)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?qū)ьl信息，而只利用調(diào)制信號本身的特征信息和一定的最優(yōu)準則使得調(diào)整天線權(quán)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(yù)先發(fā)送導(dǎo)頻信號、頻譜利用率較高等優(yōu)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(dǎo)向算法（DDA）、譜自相干恢復(fù)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(yōu)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(jié)合使用，利用非盲算法的訓(xùn)練序列作為偽訓(xùn)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(fù)性盲算法，當干擾信號和有用信號沒有相同的循環(huán)平穩(wěn)性質(zhì)時，SCORE就能利用有用信號的循環(huán)平穩(wěn)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(yōu)點，把接收到的已知信號作為導(dǎo)頻信號應(yīng)用非盲算法，導(dǎo)頻信號結(jié)束之后再利用盲算法繼續(xù)進行計算、調(diào)整和跟蹤而獲得最優(yōu)權(quán)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(jié)語

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