智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)

　　本文對于智能天線(xiàn)技術(shù)信號處理領(lǐng)域內的波束賦形技術(shù)的相關(guān)研究作一個(gè)總結，概述了波束賦形的概念原理、一般方法、性能指標以及一些相關(guān)問(wèn)題，并通過(guò)對現存的大量具體算法的分類(lèi)分析，綜述了該領(lǐng)域的技術(shù)現狀以及發(fā)展方向。

　　一、 智能天線(xiàn)與波束賦形技術(shù)

　　在蜂窩移動(dòng)通信系統中，由于用戶(hù)通常分布在各個(gè)方向，加之無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的多徑效應，有用信號存在一定的空間分布。其一，當基站接收信號時(shí)，來(lái)自各個(gè)用戶(hù)的有用信號到達基站的方向可能不同，且信號與其到達角度之間存在復雜的依賴(lài)關(guān)系;其二，當基站發(fā)射信號時(shí)，可被用戶(hù)有效接收的也只是部分的信號?？紤]到這一因素，調整天線(xiàn)方向圖使其能實(shí)現指向性的接收與發(fā)射是很自然的想法，這也就是波束賦形概念的最初來(lái)源。

　　隨著(zhù)信號處理，尤其是數字信號處理芯片的普及以及算法的發(fā)展，原來(lái)必須依靠射頻硬件實(shí)現的波束賦形轉為使用中頻或者基帶的數字信號處理來(lái)實(shí)現。在這一基礎上，結合無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的發(fā)展，又進(jìn)一步出現了智能天線(xiàn)的概念。智能天線(xiàn)的目標是能根據實(shí)際信道情況實(shí)時(shí)調整自身參數，有效追蹤多個(gè)用戶(hù)，在系統中實(shí)現空分多址(SDMA)。智能天線(xiàn)一般由射頻部分的無(wú)線(xiàn)信號接收發(fā)射，A/D、D/A轉換，以及基帶(或者中頻)部分的數字信號處理組成。傳統意義上的波束賦形與多種信號處理方法融合，使得這一概念的確切含義逐漸模糊。習慣上，在與自適應天線(xiàn)陣列的信號處理相關(guān)的文獻中，波束賦形特指根據參數計算最優(yōu)權重矢量的過(guò)程;而在其他場(chǎng)合有時(shí)特指嚴格意義上的空域波束賦形，有時(shí)則泛指根據測量以及估算參量進(jìn)行數字信號處理(可包括時(shí)域和空域)的過(guò)程。本文取波束賦形的一般含義，即根據測量以及估算參數，實(shí)現信號最優(yōu)(次優(yōu))組合或者最優(yōu)(次優(yōu))分配的過(guò)程。

　　二、 波束賦形原理

　　波束賦形的目標是根據系統性能指標，形成對基帶(中頻)信號的最佳組合或者分配。具體地說(shuō)，其主要任務(wù)是補償無(wú)線(xiàn)傳播過(guò)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(shí)降低同信道用戶(hù)間的干擾。因此，首先需要建立系統模型，描述系統中各處的信號，而后才可能根據系統性能要求，將信號的組合或分配表述為一個(gè)數學(xué)問(wèn)題，尋求其最優(yōu)解。

　　1. 系統模型

　　根據應用場(chǎng)合的不同，一般可以將波束賦形算法分為上行鏈路應用以及下行鏈路應用。無(wú)論是哪種情況，總可以用一個(gè)時(shí)變矢量(MIMO)信道來(lái)描述用戶(hù)端與基站端的信號關(guān)系，如圖2所示。對于上行鏈路，多個(gè)發(fā)射信號實(shí)質(zhì)上是K個(gè)用戶(hù)設備同時(shí)發(fā)送的信號，基站則使用多個(gè)天線(xiàn)單元接收信號，對其進(jìn)行處理和檢測，這時(shí)發(fā)送端的信號分配僅在各個(gè)支路分別進(jìn)行;對于下行鏈路，基站仍可能使用多個(gè)天線(xiàn)單元向特定用戶(hù)發(fā)射信號，但用戶(hù)設備使用單天線(xiàn)檢測與其有關(guān)的信號，這時(shí)接收部分降為一維，信號組合也僅對于單路信號進(jìn)行。

　　通常根據研究重點(diǎn)的不同，對于原始信號以及實(shí)際接收信號的位置會(huì )有不同的定義。對于波束賦形技術(shù)，一般其研究的范圍從發(fā)送端擴譜與調制單元的輸出端，到接收端解擴與解調單元的輸入端，而研究過(guò)程中又常將信號分配單元輸出端到信號組合單元輸入端之間的部分合并，統稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道，由于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信環(huán)境的極度復雜，無(wú)法得到其輸入輸出關(guān)系的確切描述，一般采用大量測量和理論研究相結合的方法，使用有限的參數描述該信道。采用這種方法后，就可以得到受干擾有噪信號與原始信號的關(guān)系，并據此在一定程度上恢復信號。因此，波束賦形的一般過(guò)程為：

　?、鸥鶕到y性能指標(如誤碼率、誤幀率)的要求確定優(yōu)化準則(代價(jià)函數)，一般這是權重矢量與一些參數的函數;

　?、撇捎靡欢ǖ姆椒ǐ@得需要的參數;

　?、沁x用一定的算法求解該優(yōu)化準則下的最佳解，得到權重矢量的值。

　　可以發(fā)現，由于通信環(huán)境復雜，上述過(guò)程的每一階段都可有不同的實(shí)現方案，因此產(chǎn)生了大量的波束賦形算法，如何衡量和比較其性能也成為波束賦形技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。