軟件無(wú)線(xiàn)電中的智能天線(xiàn)技術(shù)

軟件無(wú)線(xiàn)電起源于軍事通信，為了保證不同無(wú)線(xiàn)電臺之間的互通性，使各軍兵種實(shí)現高效，高可靠的協(xié)同通信，軍方開(kāi)始了最早的軟件無(wú)線(xiàn)電臺的研制。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟件無(wú)線(xiàn)電逐漸被民間商用移動(dòng)通信領(lǐng)域所重視。軟件無(wú)線(xiàn)電的核心思想是：將A/D盡可能靠近天線(xiàn)，用軟件完成盡可能多的無(wú)線(xiàn)電功能。它的最終目的就是要使通信系統盡可能多的擺脫硬件結構的束縛，在系統結構相對通用和穩定的情況下，用軟件實(shí)現各種功能，使得系統的改進(jìn)和升級非常方便且代價(jià)較小，并且可以實(shí)現不同系統之間的互聯(lián)和兼容。智能天線(xiàn)是軟件無(wú)線(xiàn)電不可替代的硬件出入口，也是其關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著(zhù)現代高速并行數字信號處理器的發(fā)展，智能天線(xiàn)的實(shí)現成為可能，從而也使軟件無(wú)線(xiàn)電的應用成為現實(shí)。

一、智能天線(xiàn)及其發(fā)展

智能天線(xiàn)技術(shù)在20世紀60年代就已經(jīng)出現，其研究對象是雷達天線(xiàn)陣，目的是提高雷達的系統性能和電子對抗能力。近年來(lái)，隨著(zhù)微計算器和數字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價(jià)格也逐漸能夠為現代通信系統接受。另外，移動(dòng)通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾（MAI）、共信道干擾（CCI）以及多徑衰落的影響成為提高移動(dòng)通信系統性能時(shí)要考慮的主要因素。而智能天線(xiàn)利用現代數字信號處理技術(shù)，選擇合適的自適應算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線(xiàn)陣列方向圖主瓣對準用戶(hù)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(dòng)用戶(hù)信號并抵消或最大程度的抑制干擾信號的目的。軟件無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電靈活的個(gè)性化配置。因此，固定的天線(xiàn)陣列與數字信號處理器的結合，就構成了可以動(dòng)態(tài)配置天線(xiàn)特性的智能天線(xiàn)。智能天線(xiàn)不同于常規的扇區天線(xiàn)和天線(xiàn)分集方法，它可以為每個(gè)用戶(hù)提供一個(gè)很窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染與相互干擾。智能天線(xiàn)引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同時(shí)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(lái)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(shí)現組合的多址方式。

二、智能天線(xiàn)的原理與功能

智能天線(xiàn)也叫自適應天線(xiàn)，由多個(gè)天線(xiàn)單元組成，每一個(gè)天線(xiàn)后接一個(gè)復數加權器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。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)絡(luò )（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根據一定的自適應算法進(jìn)行自適應更新調整。

假設天線(xiàn)滿(mǎn)足窄帶傳輸條件，即入射信號在天線(xiàn)各單元的響應輸出只有相位差，且入射信號為平面波（即只有一個(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。理想情況下，我們可以做到將天線(xiàn)方向圖主瓣對準有用信號，而把副瓣或零陷對準干擾。但實(shí)際的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境很復雜，干擾信號很多，存在多徑效應，有限的自由度限制（由天線(xiàn)陣元數決定），有用信號和干擾信號在入射方向上只有很小的夾角等因素都使得實(shí)際情況達不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我們的最終目標。

三、智能天線(xiàn)的系統組成

智能天線(xiàn)的布陣方式一般有直線(xiàn)陣、圓陣和平面陣，陣元間距1/2波長(cháng)（若陣元間距過(guò)大會(huì )使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì )在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長(cháng)）。智能天線(xiàn)采用數字信號處理技術(shù)判斷用戶(hù)信號到達方向（即DOA估計），并在此方向形成天線(xiàn)主波束，它根據用戶(hù)信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道，等同于有線(xiàn)傳輸時(shí)的線(xiàn)纜，從而可以有效的抑制干擾。

考慮到軟件無(wú)線(xiàn)電系統要求在中頻進(jìn)行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實(shí)現下變頻功能還是不現實(shí)的，因為DSP只能完成基帶處理的功能。一個(gè)比較實(shí)用的方案是采用專(zhuān)業(yè)的可編程邏輯器件來(lái)完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實(shí)時(shí)處理時(shí)對處理速度的需求很高，僅靠單DSP系統性能的提高已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。而并行通用浮點(diǎn)DSP將片間并行功能集成在單片DSP內部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實(shí)際系統中都是采用并行DSP陣列來(lái)提高處理能力。理論上，N個(gè)DSP并行可以提供N倍的處理能力，但在實(shí)際系統中必須在算法設計上付出很大的代價(jià)。一個(gè)好的算法應該能夠盡量并行而且適合多個(gè)DSP同時(shí)實(shí)現，同時(shí)還要使得處理器之間的數據交換應盡可能少和盡可能快。

四、智能天線(xiàn)采用的自適應算法和波束形成算法

自適應算法是智能天線(xiàn)研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類(lèi)。非盲算法是指需要借助參考信號（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，按一定準則確定或逐漸調整權值，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，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(wú)關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩等，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。將二者結合產(chǎn)生一種半盲算法，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，這樣做可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也與實(shí)際的通信系統相一致，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。波束賦形的目標是根據系統性能指標，形成對基帶信號的最佳組合與分配。具體說(shuō)，波束賦形的主要任務(wù)就是補償無(wú)線(xiàn)傳播過(guò)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(shí)降低用戶(hù)間的共信道干擾。軟件無(wú)線(xiàn)電系統均采用數字方法實(shí)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，根據波束形成的不同過(guò)程，實(shí)現智能天線(xiàn)的方式又分為兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣并進(jìn)行加權處理后，形成陣列輸出，使天線(xiàn)方向圖主瓣對準用戶(hù)信號到達方向，天線(xiàn)陣列各陣元均參與自適應調整；波束空間處理方式實(shí)際上包含兩級處理過(guò)程，第一級對各陣元信號進(jìn)行固定加權求和，形成指向不同方向的波速率，第二級對第一級輸出進(jìn)行自適應加權調整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權系數，而是只對部分陣元作自適應處理，它的特點(diǎn)是計算量小，收斂快，并且有良好的波束保形性能。

五、結束語(yǔ)

在軟件無(wú)線(xiàn)電系統中應用智能天線(xiàn)技術(shù)，將會(huì )在以下方面得到性能的提高：（1）提高整個(gè)系統的容量；（2）提高頻譜的利用率；（3）提高基站接收機靈敏度，降低基站發(fā)射功率，降低無(wú)線(xiàn)基站成本；（4）提高信噪比，改善通信質(zhì)量。

雖然智能天線(xiàn)技術(shù)帶給軟件無(wú)線(xiàn)電系統的優(yōu)勢是其它技術(shù)都難以取代的，但是它也產(chǎn)生一些新的問(wèn)題，如：智能天線(xiàn)的實(shí)時(shí)自動(dòng)校準和波束賦形的速度問(wèn)題，以及由于智能天線(xiàn)的引入帶來(lái)的設備復雜性問(wèn)題等。因此，使用智能天線(xiàn)時(shí)，必須結合其它基帶數字信號處理技術(shù)，如：干擾抵消、聯(lián)合檢測和Rake接收等。智能天線(xiàn)系統未來(lái)將向著(zhù)數字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個(gè)干擾的方向發(fā)展。