智能天線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

智能天線(xiàn)原名自適應天線(xiàn)陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應用于雷達、聲納、軍事方面，主要用來(lái)完成空間濾波和定位，大家熟悉的相控陣雷達就是一種較簡(jiǎn)單的自適應天線(xiàn)陣。移動(dòng)通信研究者給應用于移動(dòng)通信的自適應天線(xiàn)陣起了一個(gè)較吸引人的名字：智能天線(xiàn)，英文名為smart antenna或intelligent antenna。
——1．基本結構
——顧名思義自適應天線(xiàn)陣由多個(gè)天線(xiàn)單元組成，每一個(gè)天線(xiàn)后接一個(gè)加權器（即乘以某一個(gè)系數，這個(gè)系數通常是復數，既調節幅度又調節相位，而在相控陣雷達中只有相位可調），最后用相加器進(jìn)行合并。這種結構的智能天線(xiàn)只能完成空域處理，同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線(xiàn)在結構上相對復雜些，每個(gè)天線(xiàn)后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權網(wǎng)（結構上與時(shí)域FIR均衡器相同）。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數可以恰當改變、自適應調整。
上面介紹的其實(shí)是智能天線(xiàn)用作接收天線(xiàn)時(shí)的結構，當用它進(jìn)行發(fā)射時(shí)結構稍有變化，加權器或加權網(wǎng)絡(luò )置于天線(xiàn)之前，也沒(méi)有相加合并器。
——2．工作原理
——假設滿(mǎn)足天線(xiàn)傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線(xiàn)單元的響應輸出只有相位差異而沒(méi)有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天線(xiàn)所走路線(xiàn)的長(cháng)度差決定。若入射信號為平面波（只有一個(gè)入射方向），則這些相位差由載波波長(cháng)、入射角度、天線(xiàn)位置分布唯一確定。給定一組加權值，一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由于在天線(xiàn)間的相位差不同，合并器后的輸出信號強度也會(huì )不同。
——以入射角為橫坐標，對應的智能天線(xiàn)輸出增益（dB）為縱坐標所作的圖被稱(chēng)為方向圖（天線(xiàn)術(shù)語(yǔ)），智能天線(xiàn)的方向圖不同于全向（omni-）天線(xiàn)（理想時(shí)為一直線(xiàn)），而更接近方向（directional）天線(xiàn)的方向圖，即有主瓣（main lobe）、副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天線(xiàn)通常有較窄的主瓣，較靈活的主、副瓣大小、位置關(guān)系，和較大的天線(xiàn)增益（天線(xiàn)術(shù)語(yǔ)，天線(xiàn)的一項重要指標，是最強方向的增益與各方向平均增益之比），另外和固定天線(xiàn)的最大區別是：不同的權值通常對應不同的方向圖，我們可以通過(guò)改變權值來(lái)選擇合適的方向圖，即天線(xiàn)模式（antenna pattern）。
——下面來(lái)解釋一下何謂合適的方向圖，為了最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號，最直觀(guān)的是我們可以將主瓣對準有用信號的入射方向，而將方向圖中的最低增益點(diǎn)（被稱(chēng)之為零陷）對準干擾信號方向。當然這只是理想情況，實(shí)際的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境是很復雜的，干擾信號很多、存在多徑傳輸、天線(xiàn)陣元數不會(huì )很多（有限的自由度）、有用信號與干擾信號在入射方向上差異可能不大等都使前面的方案并不可行，但追求最大信干噪比 SINR依然是最終目標。智能天線(xiàn)的實(shí)際工作原理要比上面介紹的復雜，特別是當進(jìn)行空、時(shí)聯(lián)合處理時(shí)，這時(shí)最好是從信號處理、特別是自適應濾波角度解釋?zhuān)捎谶@需要較強的理論性、專(zhuān)業(yè)性背景知識，這里不作介紹。
——3．用途
——移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，多徑衰落、時(shí)延擴展造成的符號間串擾ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMA TDMA系統（如GSM）由于頻率復用引入的同信道干擾（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系統中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鏈路性能、系統容量下降，我們熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收、信道編譯碼技術(shù)等都是為了對抗或者減小它們的影響。這些技術(shù)實(shí)際利用的都是時(shí)、頻域信息，而實(shí)際上有用信號、其時(shí)延樣本（delay version）和干擾信號在時(shí)、頻域存在差異的同時(shí)，在空域（入射角DOA，Direction Of Arrival）也存在差異，分集天線(xiàn)（antenna diversity）、特別是扇形天線(xiàn)（sector antenna）可看作是對這部分資源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天線(xiàn)技術(shù)。
——智能天線(xiàn)是一種升縮性較好的技術(shù)。在移動(dòng)通信發(fā)展的早期，運營(yíng)商為節約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區域，這就意味著(zhù)用戶(hù)的信號在到達BTS（基站收發(fā)信設備）前可能經(jīng)歷了較長(cháng)的傳播路徑，有較大的路徑損耗（path loss），為使接收到的有用信號不至于低于門(mén)限，要么增加移動(dòng)臺的發(fā)射功率、要么增加基站天線(xiàn)的接收增益，由于移動(dòng)臺（特別是手機）的發(fā)射功率通常是有限的，真正可行的是增加天線(xiàn)增益，相對而言用智能天線(xiàn)實(shí)現較大增益比用單天線(xiàn)容易。
——而在移動(dòng)通信發(fā)展的中、晚期，為擴大系統容量、支持更多用戶(hù)，需要收縮小區范圍、降低頻率復用系數提高頻率利用率，通常采用的方法是小區分裂和扇區化，隨之而來(lái)的是干擾增加，原來(lái)被距離（其實(shí)是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線(xiàn)，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合并權值，形成正確的天線(xiàn)接收模式，即將主瓣對準有用信號，低增益副瓣對準主要的干擾信號，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子（比如在GSM中使復用因子3成為可能），和同時(shí)支持更多用戶(hù)（CDMA中）。從某種角度我們可將智能天線(xiàn)看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線(xiàn)。
——智能天線(xiàn)的又一個(gè)好處是可減小多徑效應，CDMA中利用RAKE接收機可對時(shí)延差大于一個(gè)碼片的多徑進(jìn)行分離和相干合并，而借助智能天線(xiàn)可以對時(shí)延不可分但角度可分的多徑進(jìn)行進(jìn)一步分離，從而更有效減小多徑效應。
——采用智能天線(xiàn)技術(shù)的主要目的是為了更有效地對抗移動(dòng)通信信道，而時(shí)分、碼分多址系統的信道傳輸環(huán)境從本質(zhì)上講是一樣的，所以除了具體算法上的差異外，智能天線(xiàn)可廣泛應用于各種時(shí)分、碼分多址系統，包括已商用的第二代系統，即是一種廣泛適用的系統。
——智能天線(xiàn)另一個(gè)可能的用途是進(jìn)行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因為在獲得可用于定位的時(shí)延、強度等信息的同時(shí)，它還可獲得波達角信息。
——4．主要的研究?jì)热?br />——智能天線(xiàn)的研究?jì)热菘梢园此谝苿?dòng)通信中所扮演的角色來(lái)劃分，移動(dòng)臺（特別是手機）在體積、電源上的限制使智能天線(xiàn)在移動(dòng)臺難于實(shí)現（一個(gè)例外是WLL無(wú)線(xiàn)本地環(huán)系統），所以目前主要研究的是在基站端的智能天線(xiàn)收與發(fā)，即上行收與下行發(fā)。
——要實(shí)現智能天線(xiàn)的下行發(fā)相對較困難，這是因為智能天線(xiàn)在設計發(fā)波束（transmitting beamforming）時(shí)很難準確獲知下行信道的特征信息（特別是主要傳播路徑的出射角度），而理想的天線(xiàn)工作模式應是與信道相匹配的。一種方法是象 IS-95上行功控一樣，做成閉環(huán)測試結構，但它有以下缺點(diǎn)：浪費寶貴的系統資源、附加時(shí)延、受上行信道干擾等。還有一種方法是利用上行信道信息來(lái)估計下行信道，在TDD（時(shí)分雙工）系統中這顯然行得通，這也是中國提交的TD-SCDMA第三代建議（TDD方式）得到較多注意的主要原因。但在FDD（頻分雙工）系統中情況卻并非如此，由于上、下行信道使用的是不同頻率（第三代系統相對第二代有更大的上、下行頻差），上、下行信道的相關(guān)性是很弱的，很多參數并不相同，目前較多研究者相信的是上、下行信道主要傳播路徑的入射、出射角基本相同，所以我們只可能獲得下行信道的部分信息，所形成的發(fā)波束也絕不會(huì )是最優(yōu)的。
——下行信道包括控制信道和業(yè)務(wù)信道，控制信道由于是大家共用的，應該形成寬波束，而對應各個(gè)用戶(hù)的業(yè)務(wù)信道則應用窄波束傳送，也就是說(shuō)它們有不同的加權系數，這樣控制信道（如導頻信道）和業(yè)務(wù)信道實(shí)際經(jīng)歷了不同的傳輸環(huán)境，會(huì )有不同的衰落，而移動(dòng)臺在做下行接收時(shí)通常利用導頻信道來(lái)估計信道的幅度和相位畸變，以對業(yè)務(wù)信道進(jìn)行相干接收，但這建立在兩個(gè)信道有相同傳輸環(huán)境基礎上，顯然前者并不滿(mǎn)足這一條件，而非相干接收相對相干接收有較大的信噪比損失。一些建議（比如cdma-2000）已考慮這一點(diǎn)，下行信道還有輔助導頻信道（auxiliary pilot channel），可將它也以窄波束發(fā)送，但由于數目有限，更為可行的是將它分配給一群用戶(hù)（此時(shí)形成的波束也應該對準這群用戶(hù)，這可能發(fā)生在熱點(diǎn)地區和基于激活用戶(hù)數較多時(shí)進(jìn)行的智能扇區化中）或某一要求鏈路質(zhì)量較高的用戶(hù)（如向他傳送高速數據時(shí)）。
——用智能天線(xiàn)實(shí)現下行發(fā)面臨的另一難題是由于加權是在天線(xiàn)前端進(jìn)行的（實(shí)際中多在基帶或中頻實(shí)現，因更容易更靈活），后級的濾波器、D/A數模轉換器、混頻器、天線(xiàn)陣元（各路的）特性變化必然使形成的發(fā)波束發(fā)生變化，而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來(lái)調整加權系數以抵消這種變化，一種可行但并不是很好的方法是周期性地對后級特性進(jìn)行測試和調整。
——由于目前智能天線(xiàn)技術(shù)并不很成熟，第三代移動(dòng)通信的各種后選方案除了中國的TD-SCDMA外都只將智能天線(xiàn)作為可選技術(shù)，沒(méi)有寫(xiě)入具體建議中，第二代系統也普遍未采用智能天線(xiàn)技術(shù)，智能天線(xiàn)作上行收時(shí)由于對移動(dòng)臺的發(fā)并未提出新的要求，很容易將其作為全向天線(xiàn)、扇型天線(xiàn)的升級版本用于已有基站系統，但當智能天線(xiàn)用于下行發(fā)時(shí)，通常會(huì )對移動(dòng)臺的收也提出新要求，牽涉面大，靈活性較小。
——目前的移動(dòng)通信系統（主要是窄帶CDMA 系統）存在下行容量超過(guò)上行的現象，即使考慮軟切換的損失情況依然如此，從表面看提高上行容量是當務(wù)之急，但在第三代系統中高速數據、多媒體業(yè)務(wù)更可能出現在下行信道中，考慮到這種非對稱(chēng)需求，以后的瓶頸可能是下行，所以雖然存在上述的種種困難，研究智能天線(xiàn)的下行發(fā)依然是很必要和很迫切的。
—— TDD方式下的下行發(fā)和上行收處理差別不大，這里不單獨論述。
——智能天線(xiàn)的上行收技術(shù)相對成熟些，自適應天線(xiàn)陣最早引入移動(dòng)通信的目的也是為了改善上行信道的質(zhì)量和容量。智能天線(xiàn)上行收主要有兩種方式：全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式，理論工作者對前者較感興趣，工程技術(shù)人員則更青睞于后者。在自適應方式中，對應空域或空、時(shí)域處理的各權值可依據一定的自適應算法進(jìn)行任意調整，以對當前的傳輸環(huán)境進(jìn)行最大可能匹配，相應的智能天線(xiàn)接收波束可以是任意指向的。而在切換波束中各權值只能從預先計算好的幾組值中挑選，某一時(shí)刻的智能天線(xiàn)工作模式只能從預先設計好的幾個(gè)波束中選擇，不是任意指向的，因而只可能對當前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配，從理論角度講不是最優(yōu)的。
——全自適應智能天線(xiàn)研究的核心是自適應算法，目前已提出很多著(zhù)名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類(lèi)。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優(yōu)的迫零準則zero forcing）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整勸值，以使智能天線(xiàn)輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)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(wú)需發(fā)端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback）是一類(lèi)較特殊的盲算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進(jìn)行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實(shí)際傳送的信號間有較小差錯。盲算法一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無(wú)關(guān)的一些特征，如恒模CM、子空間Subspace、有限符號集Finite Alphabet、循環(huán)平穩Cycle-stationary等，并調整權值以使輸出滿(mǎn)足這種特性，常見(jiàn)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，將二者結合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調整，這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統相一致的，因為通常導頻符不會(huì )時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對應的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復用的。
—— 全自適應智能天線(xiàn)雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數據量、計算量大，信道模型簡(jiǎn)單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點(diǎn)，實(shí)際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重、特別是信道快速時(shí)變時(shí)，很難對某一用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。正是在這一背景下，基于預多波束的切換波束工作方式被提出。此時(shí)全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會(huì )有一些重疊，接收時(shí)的主要任務(wù)是挑選一個(gè)（也有可能是幾個(gè)，但需合并后再輸出）作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實(shí)現，實(shí)際上我們可將其看作是介于扇形天線(xiàn)與全自適應天線(xiàn)間的一種技術(shù)。波束切換天線(xiàn)中值得研究的有以下內容：如何劃分空域，即確定波束的問(wèn)題，包括數目和形狀；挑選波束的準則；波束跟蹤的實(shí)現，主要指的是實(shí)現快速搜索算法等；以及切換波束與自適應波束成型的理論關(guān)系。
——作為智能天線(xiàn)研究的基礎，建立更合理的信道傳播模型，研究天線(xiàn)各陣元的較優(yōu)位置分布等都是很有意義的。