如何設計智能天線(xiàn)波束賦形

近年來(lái)移動(dòng)通信的迅速發(fā)展以及其他無(wú)線(xiàn)應用的開(kāi)發(fā)使得無(wú)線(xiàn)頻譜資源日趨緊張，要在此基礎上進(jìn)一步提高系統的容量，滿(mǎn)足用戶(hù)數量增加和新業(yè)務(wù)開(kāi)展的需要，就必須提高系統頻譜的利用率。因此，如何更為有效地復用無(wú)線(xiàn)資源成為無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統發(fā)展的首要問(wèn)題。智能天線(xiàn)技術(shù)研究了無(wú)線(xiàn)資源的空域可分特性，是進(jìn)一步提高系統容量的有效途徑。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：

⑴根據系統性能指標（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；

⑵采用一定的方法獲得需要的參數；

⑶選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。

2． 波束賦形算法的性能

由于波束賦形技術(shù)建立在通信環(huán)境模型以及系統模型的基礎上，因此在考察波束賦形算法的性能時(shí)，要考慮到環(huán)境因素的影響以及其對于系統的要求，以便于得到更符合實(shí)際需要的性能估計。綜合各種因素，一般可以從以下幾個(gè)方面考察波束賦形算法的性能。


⑴算法運算性能：這主要包括算法的收斂速度、復雜程度、精度、穩定性以及對誤差的正確判斷性等。前四項指標是常見(jiàn)的衡量算法性能的指標，而最后一項在智能天線(xiàn)應用領(lǐng)域有特別的意義。在實(shí)際的通信系統中，由于天線(xiàn)規模等實(shí)際條件的限制以及移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道復雜情況的影響，對波達方向的測量估計誤差較大，因此對于采用基于波達方向估計的波束賦形算法，能否降低其對誤差的敏感度就顯得十分重要，尤其是在下行鏈路中，一旦發(fā)生較大的指向偏差，不僅會(huì )使得目標用戶(hù)無(wú)法獲得一定質(zhì)量的信號，還可能會(huì )帶來(lái)對其他用戶(hù)的干擾，從而導致系統性能急劇下降。


⑵算法的測量要求：主要包括算法需要了解的信道特征參量的種類(lèi)和數量以及是否需要提供參考信號等。

3． 波束賦形技術(shù)的現狀及發(fā)展方向

波束賦形技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，出現了大量的具體技術(shù)，其命名、分類(lèi)并不完全統一，加之近年來(lái)與其他技術(shù)（如聯(lián)合檢測、功率控制等）的結合乃至融合，使得相關(guān)的具體技術(shù)更顯紛繁復雜。通?？梢砸罁姆诸?lèi)有，根據應用場(chǎng)合的不同將波束賦形技術(shù)分為上行鏈路波束賦形和下行鏈路波束賦形；根據其所使用的信道特征參量的種類(lèi)，可分為使用信道空域參量的技術(shù)和使用信道空時(shí)域參量的技術(shù)；根據不同的波束賦形技術(shù)對于問(wèn)題采用的描述方法，可分為優(yōu)化類(lèi)和自適應濾波器類(lèi)；根據波束賦形技術(shù)計算使用的方法可分為線(xiàn)性算法和非線(xiàn)性算法。

對于上行鏈路，由于可以獲得可靠的信道實(shí)時(shí)估計，因此可以采用信道的空時(shí)域參量進(jìn)行波束賦形，以提高上行鏈路性能。針對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統，尤其是CDMA系統的實(shí)際情況，上行鏈路的波束賦形可以結合信號檢測，實(shí)現多用戶(hù)的聯(lián)合檢測。但是應用這一方法存在以下兩個(gè)問(wèn)題：算法要求測量所有信道的空時(shí)域參數，且測量要求高（除了盲檢測算法，大部分算法需要使用訓練序列，并要求在獲得同步以后進(jìn)行測量）；計算過(guò)于復雜難以實(shí)現，尤其是針對多用戶(hù)的方案。實(shí)際可采用的方法有：采用性能次優(yōu)但較為簡(jiǎn)單的方法；設計便于并行運算的結構，以硬件代價(jià)滿(mǎn)足運算時(shí)間方面的要求；或者結合兩種方法。其中，通過(guò)有限度降低算法性能提高算法可實(shí)現性的具體方法包括：減少計算需要的參量；減少計算的維數（如使用訓練序列進(jìn)行初始化，或者分解全局優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)榛ゲ幌嚓P(guān)的局部?jì)?yōu)化問(wèn)題的疊加）；選擇計算復雜度較低的計算方法等。在保證性能的前提下進(jìn)一步降低系統結構的復雜度主要依賴(lài)于使用結構較為簡(jiǎn)單的處理單元，根據傳統的均衡和檢測領(lǐng)域的研究，非線(xiàn)性的系統結構和算法可以大大降低系統結構的復雜度，目前對判決反饋結構、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等在波束賦形領(lǐng)域的應用已有初步研究。

對于下行鏈路，由于條件限制很難在下行鏈路實(shí)現對于信道的可靠實(shí)時(shí)估計。對于TDD模式的系統，在上下行信道間隔時(shí)隙很小的條件下，可以近似認為信道未發(fā)生變化，從而可以在下行鏈路使用由上行數據獲得的信道空時(shí)域參數的估計值，甚至可以直接使用上行波束賦形的數據。但是對于FDD系統，則一般無(wú)法滿(mǎn)足上下行信道頻率間隔足夠小的要求使得兩者的變化強相關(guān)，因此如果不使用反饋回路獲取移動(dòng)站的測量數據，僅可根據上行數據獲得一些與頻率變化無(wú)關(guān)或者弱相關(guān)的信道參量，這包括信道的空域參量以及空時(shí)域參量的平均值等。其中使用空時(shí)域參量平均估計值的方法原理上同使用空時(shí)域信道參量的方法并無(wú)區別，只是由于缺乏對于信道狀況的實(shí)時(shí)跟蹤，性能會(huì )有所下降。而僅依賴(lài)信道空域參量的算法則符合波束賦形的傳統含義，即使基站實(shí)現下行指向性發(fā)射。

僅依賴(lài)信道空域參量的算法需要了解目標移動(dòng)站與基站的相對位置，為了抑制同信道用戶(hù)間的干擾可能還需要了解同信道移動(dòng)站與基站的相對位置。這些信息可以由上行信道數據得到，即根據上行數據對波達方向進(jìn)行估計，因此這種算法又可稱(chēng)為基于DoA估計的算法，由于使用的信息可以認為與上下行信道載頻無(wú)關(guān)，因此可以適用于TDD或者FDD模式的系統。這類(lèi)算法的主要局限在于較大的DoA估計誤差以及天線(xiàn)單元數限制了算法的性能，因此在實(shí)際應用時(shí)系統性能并不理想。一般，為了減小天線(xiàn)增益凹陷的指向偏差，必須配合使用凹陷點(diǎn)展寬（Null
Broadening）技術(shù)，即在計算所得的凹陷點(diǎn)附近形成凹陷區，確保對其他用戶(hù)的干擾降低到最小的程度。

目前，由于上行波束賦形技術(shù)的發(fā)展，下行鏈路性能成為提高系統性能的瓶頸，因此迫切需要有效的方法。在可以獲得可靠的空時(shí)域參量的條件下（TDD模式的系統，或者使用反饋鏈路的系統），可以應用空時(shí)處理方法，但是在具體的表述、算法的實(shí)現等方面仍需進(jìn)一步的系統研究。如果無(wú)法獲得可靠的空時(shí)域參量（不采用反饋鏈路的FDD模式的系統），那么基于DoA估計的算法應該是最終的解決方案，但是目前的估計精度很難滿(mǎn)足實(shí)際系統的需要，必須發(fā)展對估計誤差不敏感的波束賦形算法。

三、 相關(guān)技術(shù)

波束賦形直接建立在信道參量的基礎上，因此無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的建模與估計是波束賦形技術(shù)的基礎，無(wú)論是算法描述還是算法性能分析以及仿真都必須依賴(lài)這一基石。另外，根據無(wú)線(xiàn)傳播理論和對各種通信環(huán)境的實(shí)際測量建立合理的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道模型，可以降低波束賦形算法對實(shí)時(shí)測量的要求，是在較小的系統復雜度下實(shí)現性能更優(yōu)的波束賦形算法的一種途徑。

上行波束賦形與用戶(hù)信號檢測有密切的關(guān)系，在基于CDMA的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統中，波束賦形可結合各種信號檢測技術(shù)，尤其是多用戶(hù)檢測技術(shù)，實(shí)現聯(lián)合檢測，這也是波束賦形實(shí)用化研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。下行波束賦形與功率分配存在一定的關(guān)系，一般希望使用波束賦形實(shí)現對于同信道用戶(hù)的空域（角度域）分辨，而由功率控制技術(shù)進(jìn)一步克服位于同一方向的同信道用戶(hù)之間的相互干擾，這涉及到上層的控制與分配，并與多種信令過(guò)程有關(guān)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

綜上所述，智能天線(xiàn)技術(shù)可充分利用無(wú)線(xiàn)資源的空間可分隔性，提高無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統對于無(wú)線(xiàn)資源的利用率，并從根本上提高系統容量。波束賦形技術(shù)作為智能天線(xiàn)數字信號處理部分的核心，雖然在理論和實(shí)際兩方面都已進(jìn)行了大量的研究，但在其表述、數學(xué)解法、系統實(shí)現以及與其他相關(guān)技術(shù)的結合使用乃至融合方面仍有大量問(wèn)題有待解決。但可以肯定，隨著(zhù)信號處理技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)制造技術(shù)的進(jìn)步，智能天線(xiàn)的SDMA方案最終將大大改善實(shí)際系統的性能。