移動(dòng)通信中的智能天線技術(shù)

1、摘要：文章首先介紹了智能天線技術(shù)中的基本概念及其在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的發(fā)展和應(yīng)用，然后 說(shuō)明了在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，應(yīng)用智能天線技術(shù)可以提高系統(tǒng)的性能和容量，并可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)控 制。在此基礎(chǔ)上，文章分別介紹了切換智能天線中預(yù)置波束的設(shè)計(jì)方法和自適應(yīng)天線陣列中的 經(jīng)典自適應(yīng)算法，并簡(jiǎn)介了目前智能天線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：智能天線 自適應(yīng)天線陣列 移動(dòng)通信系統(tǒng)Abstract:Basic concepts about the smart antenna technology are presented first, and t hen the development and applications o

2、f the technology in mobile communications a re introduced.It is noted that with the smart antenna technology, not only the pe rformance and capacity of a mobile communications system can be greatly optimized , but also the operation and maintenance of the system can be simplified.At last, the design

3、 methods of switchingbeam array antenna and classical adaptive array algorithms are discussed.Key words:Smart antenna Adaptive antenna array Mobile communications system文章編號(hào)：10096868(200103001006 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 中圖分類號(hào)：TN929 .51 概述智能天線又稱為自適應(yīng)天線陣列，興起于20世紀(jì)60年代。智能天線技術(shù)的核心是陣列信號(hào)處 理，早期應(yīng)用集中于雷達(dá)和聲納檢測(cè)領(lǐng)域，70年代后期被引入軍事通信，而應(yīng)

4、用于民用蜂窩 通信則是近10年的事情。一般而言，智能天線是專指用于移動(dòng)通信中的自適應(yīng)天線陣列。在移動(dòng)通信中引入智能天線技術(shù)的目的是為了充分利用空域資源，提高系統(tǒng)的性能和容 量。移動(dòng)通信中信道傳輸條件較惡劣，信號(hào)在到達(dá)接收端前會(huì)經(jīng)歷衰減、衰落和時(shí)延擴(kuò)展， 另外還有來(lái)自其他用戶的干擾，它們是限制系統(tǒng)通信質(zhì)量和容量的重要因素。為了對(duì)抗這些 影響，在第2代系統(tǒng)中廣泛采用了諸如調(diào)制、信道編碼、均衡(TDMA系統(tǒng)、RAKE接收(CDMA系 統(tǒng)等時(shí)頻域信號(hào)處理技術(shù)，以及分集天線、扇形天線等簡(jiǎn)單空間處理技術(shù)，在發(fā)揮各自功 效的同時(shí)，它們有共同的不足，即無(wú)法對(duì)空域資源進(jìn)行有效利用。理論研究和實(shí)測(cè)結(jié)果均表 明，有

5、用信號(hào)、其延時(shí)樣本和干擾信號(hào)往往具有不同的DOA(波達(dá)角和空間信號(hào)結(jié)構(gòu)，利用 這一空域信息可以使我們獲得附加的信號(hào)處理自由度，從而能更有效地對(duì)抗衰落和抑制干擾 。為了滿足人們不斷增長(zhǎng)的對(duì)移動(dòng)通信質(zhì)量和容量的要求，越來(lái)越多的研究者和工程技術(shù)人 員將目光投向智能天線技術(shù)。在移動(dòng)通信中引入智能天線技術(shù)后，可以起到空域?yàn)V波作用：在用戶信號(hào)方向形成高的 接收增益，而在干擾方向形成“零陷”或較低的接收增益，提高信號(hào)噪聲干擾比，進(jìn)而提高 系統(tǒng)性能和容量。 2 智能天線技術(shù)中的基本概念 (1智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能天線系統(tǒng)由3部分組成：實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間過(guò)采樣的天線陣；對(duì)各陣元輸出 進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型

6、網(wǎng)絡(luò)；更新合并權(quán)值的控制部分。圖1 典型的智能天線系統(tǒng)示意圖在移動(dòng)通信應(yīng)用中為方便分析、旁瓣控制和DOA估計(jì)，天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。圖2為均勻直線陣的示意圖。圖2 直線陣示意圖當(dāng)滿足天線傳輸窄帶條件(信號(hào)帶寬小于信號(hào)在天線陣中傳輸時(shí)間的倒數(shù)、且陣列采用 特性相同的全向陣元時(shí)，對(duì)同一入射信號(hào)，各陣元的輸出響應(yīng)間將只有相位差異而沒(méi)有幅度 差異，這一差異可以用陣列響應(yīng)矢量充分描述，陣響應(yīng)矢量的一般形式為：其中(x1,y1為第l個(gè)陣元的坐標(biāo)，為入射信號(hào)方向與x軸的夾角。早期的加權(quán)合并網(wǎng)絡(luò)在射頻端用模擬方法實(shí)現(xiàn)，使用的是可調(diào)衰減器和移相器，現(xiàn)在則多用數(shù)字方法在基帶或中頻上實(shí)現(xiàn)。天線陣列各陣元的

7、信號(hào)通過(guò)加權(quán)，可以調(diào)整天線的接收方向圖，起到空域?yàn)V波的作用?？刂撇糠?即算法部分是智能天線的核心，其功能是依據(jù)信號(hào)環(huán)境、按某種準(zhǔn)則和算法 選擇或計(jì)算權(quán)值。在這3部分中，控制部分是智能天線技術(shù)的核心。從70年代將智能天線應(yīng)用于軍用通信 到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)20多年的不斷發(fā)展，已提出了大量的智能天線結(jié)構(gòu)和算法，它們大致可分為兩 類：波束切換智能天線和全自適應(yīng)智能天線。(2波束切換智能天線在波束切換天線中，天線的工作模式(方向圖是有限的，只能在預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾種窄波 束中選擇，隨著用戶在小區(qū)中的移動(dòng)，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接受信號(hào)最強(qiáng)。波束切 換智能天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定

8、的，波束寬度也隨陣 元數(shù)目的確定而確定。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在固定波束的中心處，當(dāng)用戶位于波束邊緣， 干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只 用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需判定用戶信號(hào)到 達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)波束切換天線，尋找性能優(yōu)異的預(yù)波束成型方法最為重要。(3全自適應(yīng)智能天線全自適應(yīng)天線是智能天線技術(shù)的研究重點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展方向。全自適應(yīng)就是指天線陣列 接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)算法的處理，能夠按照某一確定的準(zhǔn)則調(diào)整天線陣列的權(quán)值，從 而在期望的信號(hào)方向形成高的接收/發(fā)射增益，在干擾信號(hào)方向形成“零陷”或低的發(fā)射增益，并

9、且隨著用戶的移動(dòng)和信道的變化，能夠自動(dòng)調(diào)整天線陣列的權(quán)值，使高增益波束始終 對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)。全自適應(yīng)智能天線的核心在于自適應(yīng)算法的研究，目前提出的自適應(yīng)算法種類繁多，在 后面將會(huì)詳細(xì)介紹。3 引入智能天線的益處(1鏈路性能的改善智能天線通過(guò)空域處理或空時(shí)域聯(lián)合處理，可提高信干噪比(SINR、減少時(shí)延擴(kuò)展和減 輕衰落，進(jìn)而提高鏈路性能。鏈路性能的提高同時(shí)也意味著移動(dòng)臺(tái)可以以較低功率工作，從 而延長(zhǎng)手機(jī)電池的通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間，并減輕電磁輻射對(duì)人體的危害。 (2系統(tǒng)性能的提高鏈路性能的改善必然帶來(lái)系統(tǒng)性能的提高，這主要表現(xiàn)在：擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，并解決 盲點(diǎn)覆蓋問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期，用較少的基站即可

10、實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的覆蓋；鏈路性能的提 高使得運(yùn)營(yíng)商可以更輕松地提供各種新業(yè)務(wù)，如對(duì)誤碼率有較高要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和無(wú)線Inte rnet業(yè)務(wù)；增加系統(tǒng)容量，對(duì)同信道干擾的有效抑制使得TDMA系統(tǒng)可采用更緊湊的頻率復(fù)用 模式，并有可能實(shí)現(xiàn)SDMA，對(duì)多址干擾的有效濾除使得CDMA系統(tǒng)在相同處理增益下可同時(shí)容 納更多的激活用戶。多入多出系統(tǒng)的容量計(jì)算研究也表明，多天線收發(fā)系統(tǒng)的容量遠(yuǎn)超過(guò)單 天線系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)天線數(shù)目一定時(shí)，系統(tǒng)容量最多隨收天線數(shù)目成對(duì)數(shù)變化；當(dāng)收天線數(shù)目等 于或多于發(fā)天線數(shù)目時(shí)，系統(tǒng)容量至少隨發(fā)天線數(shù)目線性增加。(3系統(tǒng)控制的簡(jiǎn)化智能天線提供的分集增益可以減輕信號(hào)衰落，空間濾波特性可以減少多

11、址干擾，二者使 得對(duì)功控精度的要求大大降低。智能天線的定位能力可以幫助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和維護(hù)人員方 便地定位無(wú)線故障點(diǎn)或區(qū)域，縮短解決問(wèn)題的時(shí)間和流程。智能天線所提供的移動(dòng)臺(tái)位置信 息和移動(dòng)方向信息，可用于預(yù)測(cè)切換需求和方向，使切換也變?yōu)橹悄堋?4定位功能美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定到2001年所有的在美網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商必須提供緊急呼叫業(yè)務(wù)，及俗 稱的911/999呼叫，并要求在67的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)定位精度達(dá)到125m。利用智能天線所特有 的DOA估計(jì)能力，結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)、延時(shí)信息等可使移動(dòng)臺(tái)定位精度大大提高，達(dá)到并超過(guò)前述要 求。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)可提供很多基于位置信息的新業(yè)務(wù)，如本地?zé)o線Internet信息發(fā)布、汽

12、 車調(diào)度和導(dǎo)航功能、位置敏感計(jì)費(fèi)等，運(yùn)營(yíng)商還可據(jù)此定位用戶的欺詐行為，維護(hù)自身利潤(rùn) 。4 智能天線的結(jié)構(gòu)與算法智能天線中的算法是智能天線技術(shù)研究的核心內(nèi)容，智能天線的實(shí)質(zhì)是空域?yàn)V波器，而 濾波器的功能是依靠自適應(yīng)算法來(lái)完成的。在這一部分中，按照智能天線實(shí)現(xiàn)方式的不同， 分別介紹波束切換智能天線的算法和全自適應(yīng)智能天線的算法。4.1 波束切換智能天線及其設(shè)計(jì)方法在波束切換天線中，天線的工作模式(方向圖是有限的，只能在預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾種窄波 束中選擇，顯然這些窄波束的特性將極大影響甚至決定系統(tǒng)的最終性能，換言之對(duì)波束切換 天線，尋找性能優(yōu)異的預(yù)波束成型方法尤為重要。(1Butler矩陣法Butler

13、矩陣法是指用Butler矩陣的各列作為權(quán)矢量，該法最多可產(chǎn)生與陣元數(shù)相同的窄波束，這些窄波束滿足正交性，它已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和智能天線的預(yù)處理中，也常 被切換天線用來(lái)產(chǎn)生預(yù)波束。(2單用戶角度匹配法當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)干擾用戶，僅有白噪聲時(shí)，自適應(yīng)天線確定的最優(yōu)權(quán)為：W=a(0 (2 其中a為陣響應(yīng)矢量，0為目標(biāo)用戶的波達(dá)方向。此即為第2種波束成型方法的基礎(chǔ)。(3多用戶角度匹配法可以證明，當(dāng)各用戶的波達(dá)方向服從獨(dú)立同分布時(shí)，隨著系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)目的增加，自適 應(yīng)天線按MMSE準(zhǔn)則確定的最優(yōu)權(quán)(Wiener解收斂于w=N1MAI a(0。以平均輸出信干比增益為指標(biāo)比較上述3種波束成型方法后可知：當(dāng)干擾用

14、戶數(shù)很少時(shí) ，單用戶角度匹配法有最好性能；干擾用戶數(shù)目較多時(shí)，多用戶角度匹配法性能更好。波束切換天線根據(jù)各波束對(duì)目標(biāo)用戶的輸出信號(hào)強(qiáng)度或質(zhì)量選擇工作波束，選擇或切換 的速度與周期決定了天線系統(tǒng)對(duì)用戶移動(dòng)性或環(huán)境變化的跟蹤能力，相對(duì)于運(yùn)算復(fù)雜的自適 應(yīng)天線，跟蹤速度一般不成問(wèn)題。與全自適應(yīng)天線相比，波束切換天線對(duì)環(huán)境的快速變化、信道衰落的魯棒性更強(qiáng)。波束 切換天線由于只能在波束空間實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信號(hào)傳播環(huán)境的有限匹配，故無(wú)法有效對(duì)抗時(shí)延擴(kuò) 展和濾除干擾，也無(wú)法充分利用角度分集，在非相干干擾源數(shù)目較少或時(shí)延、角度擴(kuò)展較明 顯的應(yīng)用環(huán)境中，與全自適應(yīng)天線相比會(huì)有明顯的性能損失。一種解決辦法是在波束切換天

15、 線后再使用時(shí)域處理，如在CDMA中對(duì)波束輸出使用多用戶檢測(cè)，以進(jìn)一步濾除該波束內(nèi)的干 擾，其運(yùn)算量相對(duì)于全自適應(yīng)空時(shí)多用戶檢測(cè)不大，易于工程實(shí)現(xiàn)，且性能很好。4.2 全自適應(yīng)智能天線中的自適應(yīng)算法全自適應(yīng)智能天線是智能天線技術(shù)的發(fā)展方向，也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前所提出的 各類自適應(yīng)算法很多，分類的方法也各有不同：按照是否需要進(jìn)行DOA估計(jì)，可以將算法分 成兩類；按照是否需要利用系統(tǒng)的導(dǎo)頻信息可以將算法分成3類：盲算法(無(wú)需導(dǎo)頻符號(hào)，只要按照一定準(zhǔn)則，保證代價(jià)函數(shù)取得極小值、半盲算法(在初始化權(quán)向量時(shí)利用導(dǎo)頻符號(hào)，然后用自適應(yīng)算法跟蹤用戶和信道變化，在必要時(shí)可用導(dǎo)頻符號(hào)防止算法發(fā)散、非盲算法

16、(利用系統(tǒng)的導(dǎo)頻符號(hào)來(lái)計(jì)算和更新權(quán)向量。本文按是否需進(jìn)行DOA估計(jì)對(duì)一些經(jīng)典算法進(jìn)行介紹。4.2.1基于DOA估計(jì)的算法(1常規(guī)方法最早提出的算法只進(jìn)行主瓣控制，即僅保證對(duì)目標(biāo)用戶有最大增益，其合并權(quán)值為：w=a0 (3a0為目標(biāo)用戶對(duì)應(yīng)的陣響應(yīng)矢量。在無(wú)干擾、僅有空間白高斯噪聲時(shí)，該權(quán)值才是最優(yōu)的。(2干擾零陷法當(dāng)系統(tǒng)能同時(shí)估計(jì)目標(biāo)用戶和各干擾用戶的陣響應(yīng)矢量時(shí)，更優(yōu)的波束成型方法應(yīng)對(duì)目 標(biāo)用戶進(jìn)行放大和對(duì)干擾用戶進(jìn)行抑制，即合并權(quán)值應(yīng)盡可能滿足：wHa0=1且wHai=0,i=1,k.(4其中ai為干擾用戶i對(duì)應(yīng)的陣響應(yīng)矢量，上式可用矩陣表達(dá)為wHA=eT1。其中A=a0,a1,ak、e1

17、=1,0,0T。(3最小方差無(wú)畸變響應(yīng)(MVDR法1967年Capon提出基于目標(biāo)用戶來(lái)向約束的MVDR法，即在滿足wHa0=1的條件下求W使WHRNW最小。MVDR同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲和干擾的優(yōu)化濾除，其目標(biāo)是使輸出信干噪比最大。顯然，DOA估計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述算法的基礎(chǔ)，其估計(jì)精度將直接影響波束成型算法的性能。 對(duì)DOA估計(jì)算法的研究一直是陣列天線研究的一個(gè)方向，特別是在其早期發(fā)展階段和聲納、 雷達(dá)、軍事應(yīng)用領(lǐng)域，目前已提出諸如空間譜估計(jì)方法、線形預(yù)測(cè)法、最大熵法、最大似然 法和各種基于子空間的算法等2。目前普遍使用的是兩種更適合通信應(yīng)用且性能較好的方 法：MUSIC和ESPRIT算法，詳細(xì)內(nèi)容可以

18、在很多現(xiàn)代信號(hào)處理的文獻(xiàn)中找到。各種DOA估計(jì)方法普遍存在如下缺點(diǎn)：需要知道較準(zhǔn)確的陣響應(yīng)矢量，而它依賴于陣列 拓?fù)洹㈥囋恢?對(duì)ESPRIT算法則主要是子陣間的相對(duì)位移和入射信號(hào)頻率，與各陣元相連 的前級(jí)處理設(shè)備的非線形和非對(duì)稱性也會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響，所以為了保證最終估計(jì)精度，常需 周期性地進(jìn)行陣校正；有分辨率限制，入射的信號(hào)源數(shù)目不能很多；很多算法對(duì)分辨相干入 射源無(wú)效或效率不高。而在移動(dòng)通信中常需面對(duì)較多的干擾信號(hào)、相干或不相干的多徑信號(hào) ，故基于DOA估計(jì)的波束成型算法不適宜于陣列規(guī)模較小、干擾較嚴(yán)重的應(yīng)用環(huán)境，但對(duì)FDD 的下行應(yīng)用依然有吸引力。4.2.2不需要DOA估計(jì)的自適應(yīng)算法2,

19、3目前已經(jīng)提出的不需要DOA估計(jì)的算法有很多種，下面按照是否需要利用導(dǎo)頻信息和是否進(jìn)行時(shí)空域聯(lián)合處理分別介紹。(1基于導(dǎo)頻符號(hào)的單空域處理 算法單空域處理是相對(duì)空時(shí)域聯(lián)合處理而言的，此時(shí)天線陣僅根據(jù)當(dāng)前輸入計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出， 其處理可用一個(gè)空域FIR濾波器建模。借助導(dǎo)頻信道上發(fā)送的已知符號(hào)或時(shí)分復(fù)用在業(yè)務(wù)信 道上的導(dǎo)頻序列，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則(比如迫零準(zhǔn)則確定各 加權(quán)值，要么直接計(jì)算或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的是 最小均方誤差MMSE，即代價(jià)函數(shù)為：J(w=E|wHx(td(t|2 (5其中d(t為參考信號(hào)。上式對(duì)w求偏導(dǎo)并令結(jié)果為零，可得到

20、著名的Wiener解：w=R-1p (6其中R=Ex(txH(t，p=Ex(td*(t。工程應(yīng)用中集平均統(tǒng)計(jì)量R和p難以獲得，實(shí)現(xiàn)時(shí)可用它們的時(shí)間平均值進(jìn)行近似(接收信號(hào)需滿足廣義平穩(wěn)和各態(tài)遍歷特性，這就是直 接矩陣求逆(DMI法。在基于導(dǎo)頻符號(hào)的單空域處理算法中，最陡梯度下降算法是一類很重要的算法，其代價(jià) 函數(shù)與式(5相同。權(quán)值則用下式進(jìn)行迭代運(yùn)算：上式中u為步長(zhǎng)，當(dāng)它滿足0 在最陡梯度下降算法中具有代表性的有：最小均方(LMS算法、歸一化LMS算法、約束LM S算法、最小二乘(LS算法。 (2單空域處理盲算法盲算法一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模 、子

21、空間、有限符號(hào)集和高階統(tǒng)計(jì)量等。與非盲算法相比，它無(wú)需發(fā)送已知符號(hào)，故可節(jié)省 系統(tǒng)頻譜資源。其缺點(diǎn)是一般收斂速度較慢，且存在相位模糊問(wèn)題。恒模類算法利用移動(dòng)通 信的信號(hào)具有恒包絡(luò)特性，來(lái)獲取輸出信號(hào)的最佳效果，子空間方法則是利用過(guò)采樣信號(hào)的 循環(huán)平穩(wěn)特性，子空間方法可以對(duì)信道進(jìn)行盲辨識(shí)和盲解卷。(3空時(shí)聯(lián)合處理3為了更有效地對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展、進(jìn)行多徑合并和濾除干擾，有必要進(jìn)行空時(shí)聯(lián)合處理。空 時(shí)聯(lián)合處理常用的優(yōu)化準(zhǔn)則有最大似然(ML和最小均方誤差(MMSE。ML雖然能用Viterbi算 法有效實(shí)現(xiàn)，在理論上講也是最優(yōu)的，但其復(fù)雜度隨信道記憶長(zhǎng)度呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)考慮多用 戶ML時(shí)，則是隨所有用戶信道記

22、憶長(zhǎng)度之和呈指數(shù)增長(zhǎng)，故只有理論指導(dǎo)意義，工程實(shí)現(xiàn)時(shí) 基本不考慮。研究表明ML檢測(cè)能更有效地對(duì)抗符號(hào)間串?dāng)_(ISI，而MMSE在對(duì)抗同信道干擾(CCI上效 果更好，為此有人提出一種將二者結(jié)合的混合檢測(cè)結(jié)構(gòu)：先用MMSE空時(shí)濾波器減小CCI，再 用ML序列檢測(cè)器消除ISI，仿真結(jié)果表明其性能優(yōu)于單空時(shí)ML和單空時(shí)MMSE。(4CDMA中的智能天線處理算法對(duì)CDMA系統(tǒng)，一種智能天線處理結(jié)構(gòu)是先匹配濾波，再空域加權(quán)合并，即先時(shí)域解擴(kuò)再 空域?yàn)V波，此時(shí)每一個(gè)天線陣元上都有一個(gè)匹配濾波器，波束成型對(duì)匹配濾波器輸出進(jìn)行， 可用前面介紹的各種算法進(jìn)行相應(yīng)處理。利用CDMA特點(diǎn)的智能天線算法包括最大輸出功率

23、法 、主元法、解擴(kuò)重?cái)U(kuò)判決指導(dǎo)法、空時(shí)處理等?？蓱?yīng)用于CDMA系統(tǒng)的一種空時(shí)處理結(jié)構(gòu)是2DRAKE，其實(shí)現(xiàn)有多種方式：矢量擴(kuò)展的RA KE接收機(jī)，它先進(jìn)行空域?yàn)V波，再用RAKE接收機(jī)進(jìn)行時(shí)域合并，空域?yàn)V波權(quán)為該徑信號(hào)對(duì)應(yīng) 的空間指向矢量；MMSE波束成型RAKE，它也先用智能天線進(jìn)行空域?yàn)V波，提取各延時(shí)徑， 再用RAKE合并，不同之處在于空域?yàn)V波的權(quán)值用MMSE類算法計(jì)算，例如前面介紹的幾種。匹 配濾波普通空時(shí)均衡(符號(hào)級(jí)和空時(shí)均衡(切普級(jí)解擴(kuò)是另兩種空時(shí)處理結(jié)構(gòu)。空時(shí)多用戶檢測(cè)具有更好的性能，它也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)，一些研究成果包括： 空時(shí)均衡(切普級(jí)解擴(kuò)解相關(guān)盲接收結(jié)構(gòu)；CMOE(約束

24、最小輸出能量多用戶檢測(cè)RAKE 接收結(jié)構(gòu)；利用子空間進(jìn)行多用戶信道盲估計(jì)的接收結(jié)構(gòu)；最優(yōu)空時(shí)多用戶檢測(cè)器，以及基 于并行干擾消除的次最優(yōu)實(shí)現(xiàn)；綜合利用擴(kuò)頻碼和噪聲子空間的盲多用戶接收機(jī)。由于它們 使用不同的信號(hào)模型，且算法復(fù)雜，這里不作具體介紹。4.3 智能天線下行技術(shù)體積、電池容量、價(jià)格等方面的限制使得智能天線在移動(dòng)臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)，所以這里只討論 在基站處實(shí)現(xiàn)的下行發(fā)智能天線。智能天線下行發(fā)技術(shù)相對(duì)較困難，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)發(fā)波束 時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息，而理想的天線工作模式應(yīng)與信道相匹配。為此一種方 法是像IS95上行功控一樣，做成閉環(huán)測(cè)試結(jié)構(gòu)，但它有以下缺點(diǎn)：浪費(fèi)寶貴的系統(tǒng)資源、 附加

25、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(jì)下行信道，對(duì)于TD D雙工方式，當(dāng)上、下行時(shí)間間隔小于信道的相干時(shí)間時(shí)，可以認(rèn)為上、下行信道滿足互易 性，相應(yīng)地上行接收權(quán)可直接用于下行發(fā)；對(duì)于FDD，上、下行頻率間隔使得兩個(gè)信道經(jīng)歷 的衰落是不相干的，我們無(wú)法直接使用上行接收權(quán)或測(cè)量到的上行信道響應(yīng)，但由信號(hào)的傳 播特性知上、下行信道一般有相同的波達(dá)角/波離角和時(shí)延，從而當(dāng)信道矩陣H的行數(shù)大于列 數(shù)時(shí)(陣元數(shù)大于信道記憶的符號(hào)數(shù)，上、下行信道響應(yīng)矩陣有相同的列子空間，充分利用 這一特性可提高下行處理的效率。5 智能天線技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以下簡(jiǎn)單介紹有關(guān)歐洲RACE、ACTS和IST研究

26、計(jì)劃中的智能天線專題的一些情況及進(jìn)展 ，有助于對(duì)智能天線的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的了解。5 RACE TSUNAMI項(xiàng)目歐洲先進(jìn)通信研究計(jì)劃RACE于1994年1月到1995年12月期間設(shè)立TSUNAMI項(xiàng)目。該項(xiàng) 目通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真、多陣元傳輸測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證智能天線對(duì)擴(kuò)大覆蓋和減少時(shí)延擴(kuò)展 的作用，并檢驗(yàn)SFIR和SDMA等概念的可行性。RACE TSUNAMI項(xiàng)目完成了一個(gè)收/發(fā)智能天線試驗(yàn)床，其主要特點(diǎn)是：采用半波長(zhǎng)間距 的8陣元均勻線陣；用TI的C40DSP在基帶實(shí)現(xiàn)波束成型；波束成型基于DOA估計(jì)，其中DOA估 計(jì)用帶空間Kalman濾波的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目驗(yàn)證了智能天線對(duì)減少時(shí)延

27、擴(kuò)展和衰落的作 用，在基于歐洲無(wú)繩系統(tǒng)DECT空中接口的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，裝配有智能天線的基站對(duì)工作于同一 時(shí)隙的且有一定角度間隔的兩個(gè)移動(dòng)用戶進(jìn)行了成功跟蹤和解調(diào)。 ACTS TSUNAMI 作為RACE中TSUNAMI項(xiàng)目的延續(xù)，歐洲先進(jìn)通信技術(shù)社會(huì)(ACTS計(jì)劃在1995年9月至1998 年6月間設(shè)立了TSUNAMI 項(xiàng)目，以顯示在第3代系統(tǒng)如UMTS中使用智能天線的靈活性和經(jīng)濟(jì) 性。該項(xiàng)目研究了諸如環(huán)境因素對(duì)天線性能的影響、陣列校正問(wèn)題、幾種波束成型方案在DC S1800中的性能、移動(dòng)跟蹤能力等問(wèn)題，與UMTS直接相關(guān)的問(wèn)題(如寬帶空時(shí)陣列信號(hào)處理方 案等在該項(xiàng)目及ACTS的一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目SU

28、NBEAM中也有研究。該項(xiàng)目共研究了如下幾種波束成型方法：采用最大比合并的多元分集合并方案，基于MU SIC算法DOA估計(jì)的波束成型方法，波束柵格選擇法(在±60°的有效區(qū)域內(nèi)共形成13個(gè)波束 ，相當(dāng)于波束切換天線，最優(yōu)合并法等。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明各方案的干擾抑制能力依賴于 干擾信號(hào)特性，但在大多數(shù)情況下，只要干擾信號(hào)和有用信號(hào)的到達(dá)方向有以上差異就可獲 得較明顯的信干比增益；基于DOA估計(jì)的波束成型方法需進(jìn)行陣列校正，但陣列校正只可能 周期性進(jìn)行，不可能完全理想，因此會(huì)帶來(lái)至少1dB左右的性能損失；在多數(shù)實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)合 并法的性能最好，但當(dāng)輸入信噪比較低時(shí)增益很小，不如MUS

29、IC或波束柵格法穩(wěn)定。 ACTS AWACS在ACTS計(jì)劃中設(shè)立了ATM無(wú)線接入通信系統(tǒng)項(xiàng)目(AWACS，時(shí)間為1996年9月到1998年6月 ，其目的是支持和影響正在進(jìn)行的無(wú)線ATM標(biāo)準(zhǔn)，特別是HIPERLAN4和HIPERLINK規(guī)范。該項(xiàng) 目對(duì)媒體接入控制協(xié)議、無(wú)線ATM的移動(dòng)管理、40GHz載頻的特性、新的調(diào)制和編碼技術(shù)，以 及窄波束天線替代多載波和均衡技術(shù)的可行性等進(jìn)行了研究。有關(guān)天線部分的研究結(jié)果表明 ，窄波束天線的運(yùn)用可大大減少均方根時(shí)延擴(kuò)展和獲得較大的萊斯因子(意味著減輕衰落， 并使有效鏈路距離大大增加，當(dāng)收發(fā)端均采用15°波寬天線時(shí)，在所試驗(yàn)的室內(nèi)環(huán)境中均方 根時(shí)延擴(kuò)展以接近100的概率小于20ns，對(duì)于34Mbit/s的QPSK調(diào)制，可只采用普通前向糾 錯(cuò)碼，而無(wú)須使用多載波均衡技術(shù)。 IST 計(jì)劃歐委會(huì)在2000年1月啟動(dòng)的信息社會(huì)技術(shù)(IST計(jì)劃中支持兩個(gè)新的研究項(xiàng)目：通用寬帶 網(wǎng)中的智能天線技術(shù)(SATURN和多元發(fā)送接收陣列(METRA，前者主要研究多入多出陣列信 號(hào)處理在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用，后者則側(cè)重研究面向WCDMA的天線發(fā)分集技術(shù)。6 總結(jié)目前，智能天線技術(shù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，智能天線技術(shù)本身也在發(fā) 展進(jìn)步，并不斷地和其他信號(hào)與信息處理技術(shù)互相聯(lián)合，其包含的內(nèi)容是十分廣泛的。參考文獻(xiàn)1 L C