摘要：

文章介紹了智能天線自適應(yīng)波束形成技術(shù)的基本概念及典型自適應(yīng)波束形成方法，歸納了自適應(yīng)波束智能天線的主要結(jié)構(gòu)形式。在此基礎(chǔ)上，分析了自適應(yīng)波束智能天線實(shí)現(xiàn)中面臨的幾個(gè)問(wèn)題，探討了自適應(yīng)波束形成技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

智能天線；自適應(yīng)波束形成；算法；空時(shí)處理

Abstract:

The basic concept of adaptive beamforming technology for the smart antenna is introduced along with the typical methodology of adaptive beamforming. The main architectures of adaptive beamforming smart antennas are presented. Then problems in realizing the adaptive beamforming smart antennas are analyzed and the development trend of the adaptive beamforming technology in the future is discussed.

Key words:

Smart antenna; Adaptive beamforming; Algorithm; Space-time processing

全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，使得作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的無(wú)線通信技術(shù)受到極大關(guān)注。如何有效地消除同信道干擾、多址干擾、碼間串?dāng)_和多徑衰落的影響成為無(wú)線通信系統(tǒng)尤其是碼分多址無(wú)線通信系統(tǒng)中制約系統(tǒng)容量的主要問(wèn)題。傳統(tǒng)的采用均衡的處理方法在信號(hào)傳輸時(shí)延較大時(shí)難以解決這些問(wèn)題，而采用時(shí)空聯(lián)合處理的智能天線技術(shù)，通過(guò)信號(hào)時(shí)間域和空間域的聯(lián)合處理可以較好地解決這些問(wèn)題。

智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間走向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，以達(dá)到充分高效地利用移動(dòng)用戶(hù)的有用信號(hào)并抑制或刪除干擾信號(hào)的目的。應(yīng)用智能天線的無(wú)線通信系統(tǒng)能夠降低多址干擾，提高系統(tǒng)的信噪比。

1、 波束形成技術(shù)

波束形成的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶信號(hào)的最佳組合或者分配。具體地說(shuō)，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低同信道用戶(hù)間的干擾。波束形成的基本過(guò)程是：在建立系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，描述系統(tǒng)中各處的信號(hào)，再根據(jù)系統(tǒng)性能要求，將信號(hào)的組合或分配表述為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，尋求其最優(yōu)解。

1.1 傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)

傳統(tǒng)的波束形成器所有的加權(quán)有相等的幅度，選擇相位使陣列波束指向期望方向θ0。用a0表示期望方向的方向向量，則陣元數(shù)是M的陣列加權(quán)向量w為：

具有此加權(quán)的陣列在期望方向上有單位響應(yīng)，即處理器的輸出功率等于信源功率。這種波束形成器在只存在不相關(guān)噪聲和無(wú)干擾情況下，其輸出有最大信噪比(SNR)。對(duì)于不相關(guān)噪聲(即R_n=σ²_nI，σ²_n為噪聲功率，I為單位陣列)，波束形成器的輸出噪聲功率為：

式(2)表明，陣列的輸出噪聲功率為每一陣元上功率的1/M，上角標(biāo)H表示共扼轉(zhuǎn)置。這樣，具有單位增益的波束形成器在信號(hào)方向上衰減了不相關(guān)噪聲，使輸出信噪比等于psM/σn2，ps為期望信號(hào)的功率。

1.2 自適應(yīng)波束形成技術(shù)

自適應(yīng)波束形成算法是根據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則導(dǎo)出的，

點(diǎn)：在LS-DRMTA中，不同用戶(hù)的加權(quán)因子估計(jì)是以波束形成器端口輸出信號(hào)與期望用戶(hù)信號(hào)之間誤差最小為準(zhǔn)則，不會(huì)出現(xiàn)不同加權(quán)因子收斂于相同的值，因此不需要Gram-Schmidt正交化過(guò)程；不需要分類(lèi)過(guò)程；波束形成器輸出端口數(shù)不受天線陣元數(shù)的限制，當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，更多的輸出端口可以非常容易地添加到波束形成器上，添加的端口使用原有的射頻和基帶信號(hào)變換裝置，大大降低系統(tǒng)代價(jià)；每次迭代過(guò)程的計(jì)算簡(jiǎn)單；通過(guò)解擴(kuò)重?cái)U(kuò)減少了干擾，可以在更低的信噪比下使用。

(7)基于拉格朗日描述的波束形成算法

這種方法利用了CDMA傳輸信號(hào)中比較大的擴(kuò)頻增益，遞歸尋求相關(guān)矩陣的最大特征值，估計(jì)最佳權(quán)向量。它有著很好的優(yōu)越性，即不但能在比較低的信噪比下形成優(yōu)良波束，并且突破了波束數(shù)受天線數(shù)限制的傳統(tǒng)約束，能夠形成大大超過(guò)天線數(shù)的波束(幾乎只取決于擴(kuò)頻增益)。此算法每一步迭代的計(jì)算量大約只是3M，比RLS算法還少一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且能較快地收斂。

2、自適應(yīng)波束智能天線的結(jié)構(gòu)

2.1 基于碼片級(jí)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

(1)多個(gè)波束解擴(kuò)-RAKE合并

多個(gè)波束解擴(kuò)-RAKE合并時(shí)基于碼片級(jí)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，即先進(jìn)行空域處理，在波束形成中，N個(gè)輸出形成不重復(fù)的N個(gè)波束，一個(gè)波束圖可能包含多個(gè)用戶(hù)。經(jīng)過(guò)匹配濾波(MF)后，進(jìn)入RAKE合并實(shí)現(xiàn)空時(shí)處理。從結(jié)構(gòu)上看，這種方法硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔，但由于是基于碼片級(jí)的計(jì)算，無(wú)論自適應(yīng)算法采用何種自適應(yīng)權(quán)值方法，計(jì)算量均較大，算法的優(yōu)化在該方法中尤為重要。

(2)單個(gè)波束解擴(kuò)-RAKE合并

在單個(gè)波束解擴(kuò)-RAKE合并時(shí)基于碼片級(jí)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中，先對(duì)各陣元進(jìn)行波束形成加權(quán)處理，然后對(duì)幾個(gè)不相關(guān)多徑分量進(jìn)行分別解擴(kuò)。該結(jié)構(gòu)只進(jìn)行一次數(shù)字波束形成處理，因而系統(tǒng)的復(fù)雜度相對(duì)于多個(gè)波束解擴(kuò)-RAKE合并方案而言大大降低。

2.2 基于符號(hào)級(jí)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

基于符號(hào)級(jí)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)是先進(jìn)行匹配濾波，即先進(jìn)行用戶(hù)分離，然后波束合成形成針對(duì)該用戶(hù)的波束，實(shí)現(xiàn)二維RAKE接收。從結(jié)構(gòu)上分析，基于符號(hào)的波束形成方法需要設(shè)計(jì)數(shù)量眾多的相關(guān)器，硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但該方法是基于符號(hào)級(jí)的計(jì)算，自適應(yīng)算法的計(jì)算量相對(duì)較小。

2.3 基于群的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

基于群的波束形成方法利用已有的基帶專(zhuān)用集成電路芯片(ASIC)構(gòu)建智能天線處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)扇區(qū)的自適應(yīng)劃分?；鶐SIC可以采用Qualcomm公司的常規(guī)基站調(diào)制解調(diào)器CSM5200。如圖3所示。

基于群的波束形成方法采用基帶ASIC(如CSM5200)完成除波束形成之外的大部分工作，需要考慮如何充分利用CSM5200的資源，以及與圍繞CSM5200的軟硬件功能在實(shí)現(xiàn)上的難易程度。顯然，該結(jié)構(gòu)受限于所采用CSM5200這類(lèi)芯片在處理用戶(hù)容量、處理速度、可靠性、芯片體積等方面的性能。

3、 自適應(yīng)波束智能天線實(shí)現(xiàn)時(shí)面臨的問(wèn)題

(1)精確地獲得信道參數(shù)

信道參數(shù)估計(jì)是進(jìn)行空時(shí)RAKE接收處理的基礎(chǔ)，沒(méi)有準(zhǔn)確的時(shí)延參數(shù)，自適應(yīng)波束形成將無(wú)從做起。通常時(shí)延的估計(jì)是在波束形成之前，也就是說(shuō)時(shí)延搜索時(shí)無(wú)法利用波束抑制波束外的非期望用戶(hù)，所有激活用戶(hù)(某扇區(qū)內(nèi))的信號(hào)都將被接收并相互干擾。在無(wú)智能天線的基站，所能容納的同時(shí)激活的最多用戶(hù)數(shù)目是確定的，超過(guò)該數(shù)目，時(shí)延搜索將出現(xiàn)困難。配備有智能天線的基站，在未形成波束前，如果不采取其他措施，時(shí)延搜索與常規(guī)基站沒(méi)有什么差別，也就是說(shuō)，所能容納的最多用戶(hù)數(shù)目與常規(guī)基站的相同，顯然沒(méi)有發(fā)揮智能天線可以擴(kuò)大基站容量的作用。因此，在時(shí)延搜索上必須采取另外的措施，使得在激活的用戶(hù)數(shù)目超過(guò)常規(guī)基站時(shí)，時(shí)延搜索仍能正常進(jìn)行。

(2)上下行波束形成的統(tǒng)一規(guī)劃

對(duì)于下行鏈路而言，不同的復(fù)用方式可采用不同的解決方法：對(duì)于時(shí)分雙工(TDD)方式，由于上下行鏈路采用相同的頻率，在信道參數(shù)在相鄰的上下行數(shù)據(jù)幀中幾乎沒(méi)有變化的情況下，可以直接利用上行估計(jì)得到的信道參數(shù)，但這只適用于慢速移動(dòng)的系統(tǒng)；對(duì)于頻率復(fù)用分割(FDD)方式，由于上下行鏈路的頻率間隔一般都大于相關(guān)帶寬，因此上下行的瞬時(shí)信道幾乎是不相關(guān)的，此時(shí)采用反饋信道是最好的方法。顯然，上行鏈路參數(shù)估計(jì)的好壞，對(duì)上下行信道的波束形成都有很大的影響。此外，在上行信道的波束形成時(shí)，就要考慮到下行信道波束形成如何進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)上下行信道波束形成的統(tǒng)一優(yōu)化，使智能天線系統(tǒng)的作用得到最大程度的發(fā)揮。

(3)波束形成算法

良好的自適應(yīng)波束形成算法通常需要很大的運(yùn)算量以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，目前的硬件性能尚難以達(dá)到這樣的指標(biāo)。因此，尋求用較少的運(yùn)算和簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束，始終是科技人員努力的目標(biāo)之一。此外，實(shí)現(xiàn)算法中具體參數(shù)(初始權(quán)值、收斂門(mén)限、步長(zhǎng)等)的優(yōu)化也對(duì)算法最終結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。

4、 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于智能天線來(lái)說(shuō)，在研究自適應(yīng)波束形成新技術(shù)同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注技術(shù)的有效性、穩(wěn)健性以及實(shí)用性等內(nèi)容。從可實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，智能天線自適應(yīng)波束形成今后的研究可能趨向于以下幾個(gè)方面：

探索有效的數(shù)字波束形成技術(shù)，著重于突破陣列物理限制的數(shù)字多波束形成技術(shù)。

研究計(jì)算有效、穩(wěn)健的用戶(hù)多徑參數(shù)估計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)在基于輔助導(dǎo)頻信號(hào)的非盲技術(shù)。

根據(jù)業(yè)務(wù)和信道環(huán)境的不同，確定不同的自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的選取準(zhǔn)則。

此外，相對(duì)于上行自適應(yīng)波束形成技術(shù)的廣泛深入研究，下行鏈路性能成為提高系統(tǒng)性能的“瓶頸”，因此迫切需要有效的下行自適應(yīng)波束形成方法。□

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收稿日期：2003-03-12

作者簡(jiǎn)介：

王衍文，西安交通大學(xué)畢業(yè)，博士。深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所主任工程師，目前從事智能天線方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。