智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)

　　本文對(duì)于智能天線(xiàn)技術(shù)信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)的波束賦形技術(shù)的相關(guān)研究作一個(gè)總結(jié)，概述了波束賦形的概念原理、一般方法、性能指標(biāo)以及一些相關(guān)問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(yīng)，有用信號(hào)存在一定的空間分布。其一，當(dāng)基站接收信號(hào)時(shí)，來(lái)自各個(gè)用戶(hù)的有用信號(hào)到達(dá)基站的方向可能不同，且信號(hào)與其到達(dá)角度之間存在復(fù)雜的依賴(lài)關(guān)系;其二，當(dāng)基站發(fā)射信號(hào)時(shí)，可被用戶(hù)有效接收的也只是部分的信號(hào)。考慮到這一因素，調(diào)整天線(xiàn)方向圖使其能實(shí)現(xiàn)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。

　　隨著信號(hào)處理，尤其是數(shù)字信號(hào)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(xiàn)的波束賦形轉(zhuǎn)為使用中頻或者基帶的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，又進(jìn)一步出現(xiàn)了智能天線(xiàn)的概念。智能天線(xiàn)的目標(biāo)是能根據(jù)實(shí)際信道情況實(shí)時(shí)調(diào)整自身參數(shù)，有效追蹤多個(gè)用戶(hù)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA)。智能天線(xiàn)一般由射頻部分的無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收發(fā)射，A/D、D/A轉(zhuǎn)換，以及基帶(或者中頻)部分的數(shù)字信號(hào)處理組成。傳統(tǒng)意義上的波束賦形與多種信號(hào)處理方法融合，使得這一概念的確切含義逐漸模糊。習(xí)慣上，在與自適應(yīng)天線(xiàn)陣列的信號(hào)處理相關(guān)的文獻(xiàn)中，波束賦形特指根據(jù)參數(shù)計(jì)算最優(yōu)權(quán)重矢量的過(guò)程;而在其他場(chǎng)合有時(shí)特指嚴(yán)格意義上的空域波束賦形，有時(shí)則泛指根據(jù)測(cè)量以及估算參量進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(jù)測(cè)量以及估算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶(中頻)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(xiàn)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。因此，首先需要建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)中各處的信號(hào)，而后才可能根據(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. 系統(tǒng)模型

　　根據(jù)應(yīng)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(yīng)用以及下行鏈路應(yīng)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(hào)關(guān)系，如圖2所示。對(duì)于上行鏈路，多個(gè)發(fā)射信號(hào)實(shí)質(zhì)上是K個(gè)用戶(hù)設(shè)備同時(shí)發(fā)送的信號(hào)，基站則使用多個(gè)天線(xiàn)單元接收信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和檢測(cè)，這時(shí)發(fā)送端的信號(hào)分配僅在各個(gè)支路分別進(jìn)行;對(duì)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(hào)，但用戶(hù)設(shè)備使用單天線(xiàn)檢測(cè)與其有關(guān)的信號(hào)，這時(shí)接收部分降為一維，信號(hào)組合也僅對(duì)于單路信號(hào)進(jìn)行。

　　通常根據(jù)研究重點(diǎn)的不同，對(duì)于原始信號(hào)以及實(shí)際接收信號(hào)的位置會(huì)有不同的定義。對(duì)于波束賦形技術(shù)，一般其研究的范圍從發(fā)送端擴(kuò)譜與調(diào)制單元的輸出端，到接收端解擴(kuò)與解調(diào)單元的輸入端，而研究過(guò)程中又常將信號(hào)分配單元輸出端到信號(hào)組合單元輸入端之間的部分合并，統(tǒng)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(fù)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(cè)量和理論研究相結(jié)合的方法，使用有限的參數(shù)描述該信道。采用這種方法后，就可以得到受干擾有噪信號(hào)與原始信號(hào)的關(guān)系，并據(jù)此在一定程度上恢復(fù)信號(hào)。因此，波束賦形的一般過(guò)程為：

　?、鸥鶕?jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)(如誤碼率、誤幀率)的要求確定優(yōu)化準(zhǔn)則(代價(jià)函數(shù))，一般這是權(quán)重矢量與一些參數(shù)的函數(shù);

　　⑵采用一定的方法獲得需要的參數(shù);

　?、沁x用一定的算法求解該優(yōu)化準(zhǔn)則下的最佳解，得到權(quán)重矢量的值。

　　可以發(fā)現(xiàn)，由于通信環(huán)境復(fù)雜，上述過(guò)程的每一階段都可有不同的實(shí)現(xiàn)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。