智能天線技術(shù)簡(jiǎn)介

智能天線原名自適應(yīng)天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事方面，主要用來(lái)完成空間濾波和定位，大家熟悉的相控陣?yán)走_(dá)就是一種較簡(jiǎn)單的自適應(yīng)天線陣。移動(dòng)通信研究者給應(yīng)用于移動(dòng)通信的自適應(yīng)天線陣起了一個(gè)較吸引人的名字：智能天線，英文名為smart antenna或intelligent antenna。
——1．基本結(jié)構(gòu)
——顧名思義自適應(yīng)天線陣由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)加權(quán)器（即乘以某一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)通常是復(fù)數(shù)，既調(diào)節(jié)幅度又調(diào)節(jié)相位，而在相控陣?yán)走_(dá)中只有相位可調(diào)），最后用相加器進(jìn)行合并。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理，同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜些，每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)（結(jié)構(gòu)上與時(shí)域FIR均衡器相同）。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以恰當(dāng)改變、自適應(yīng)調(diào)整。
上面介紹的其實(shí)是智能天線用作接收天線時(shí)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進(jìn)行發(fā)射時(shí)結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒(méi)有相加合并器。
——2．工作原理
——假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒(méi)有幅度變化，這些相位差異由入射信號(hào)到達(dá)各天線所走路線的長(zhǎng)度差決定。若入射信號(hào)為平面波（只有一個(gè)入射方向），則這些相位差由載波波長(zhǎng)、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號(hào)強(qiáng)度，不同入射角度的信號(hào)由于在天線間的相位差不同，合并器后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。
——以入射角為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的智能天線輸出增益（dB）為縱坐標(biāo)所作的圖被稱為方向圖（天線術(shù)語(yǔ)），智能天線的方向圖不同于全向（omni-）天線（理想時(shí)為一直線），而更接近方向（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe）、副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主、副瓣大小、位置關(guān)系，和較大的天線增益（天線術(shù)語(yǔ)，天線的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是最強(qiáng)方向的增益與各方向平均增益之比），另外和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權(quán)值通常對(duì)應(yīng)不同的方向圖，我們可以通過(guò)改變權(quán)值來(lái)選擇合適的方向圖，即天線模式（antenna pattern）。
——下面來(lái)解釋一下何謂合適的方向圖，為了最大限度地放大有用信號(hào)、抑制干擾信號(hào)，最直觀的是我們可以將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的入射方向，而將方向圖中的最低增益點(diǎn)（被稱之為零陷）對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向。當(dāng)然這只是理想情況，實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境是很復(fù)雜的，干擾信號(hào)很多、存在多徑傳輸、天線陣元數(shù)不會(huì)很多（有限的自由度）、有用信號(hào)與干擾信號(hào)在入射方向上差異可能不大等都使前面的方案并不可行，但追求最大信干噪比 SINR依然是最終目標(biāo)。智能天線的實(shí)際工作原理要比上面介紹的復(fù)雜，特別是當(dāng)進(jìn)行空、時(shí)聯(lián)合處理時(shí)，這時(shí)最好是從信號(hào)處理、特別是自適應(yīng)濾波角度解釋，由于這需要較強(qiáng)的理論性、專業(yè)性背景知識(shí)，這里不作介紹。
——3．用途
——移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間串?dāng)_ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMA TDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復(fù)用引入的同信道干擾（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系統(tǒng)中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降，我們熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收、信道編譯碼技術(shù)等都是為了對(duì)抗或者減小它們的影響。這些技術(shù)實(shí)際利用的都是時(shí)、頻域信息，而實(shí)際上有用信號(hào)、其時(shí)延樣本（delay version）和干擾信號(hào)在時(shí)、頻域存在差異的同時(shí)，在空域（入射角DOA，Direction Of Arrival）也存在差異，分集天線（antenna diversity）、特別是扇形天線（sector antenna）可看作是對(duì)這部分資源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天線技術(shù)。
——智能天線是一種升縮性較好的技術(shù)。在移動(dòng)通信發(fā)展的早期，運(yùn)營(yíng)商為節(jié)約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，這就意味著用戶的信號(hào)在到達(dá)BTS（基站收發(fā)信設(shè)備）前可能經(jīng)歷了較長(zhǎng)的傳播路徑，有較大的路徑損耗（path loss），為使接收到的有用信號(hào)不至于低于門(mén)限，要么增加移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率、要么增加基站天線的接收增益，由于移動(dòng)臺(tái)（特別是手機(jī)）的發(fā)射功率通常是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對(duì)而言用智能天線實(shí)現(xiàn)較大增益比用單天線容易。
——而在移動(dòng)通信發(fā)展的中、晚期，為擴(kuò)大系統(tǒng)容量、支持更多用戶，需要收縮小區(qū)范圍、降低頻率復(fù)用系數(shù)提高頻率利用率，通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇區(qū)化，隨之而來(lái)的是干擾增加，原來(lái)被距離（其實(shí)是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線，借助有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射角度上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，低增益副瓣對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復(fù)用因子（比如在GSM中使復(fù)用因子3成為可能），和同時(shí)支持更多用戶（CDMA中）。從某種角度我們可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。
——智能天線的又一個(gè)好處是可減小多徑效應(yīng)，CDMA中利用RAKE接收機(jī)可對(duì)時(shí)延差大于一個(gè)碼片的多徑進(jìn)行分離和相干合并，而借助智能天線可以對(duì)時(shí)延不可分但角度可分的多徑進(jìn)行進(jìn)一步分離，從而更有效減小多徑效應(yīng)。
——采用智能天線技術(shù)的主要目的是為了更有效地對(duì)抗移動(dòng)通信信道，而時(shí)分、碼分多址系統(tǒng)的信道傳輸環(huán)境從本質(zhì)上講是一樣的，所以除了具體算法上的差異外，智能天線可廣泛應(yīng)用于各種時(shí)分、碼分多址系統(tǒng)，包括已商用的第二代系統(tǒng)，即是一種廣泛適用的系統(tǒng)。
——智能天線另一個(gè)可能的用途是進(jìn)行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因?yàn)樵讷@得可用于定位的時(shí)延、強(qiáng)度等信息的同時(shí)，它還可獲得波達(dá)角信息。
——4．主要的研究?jī)?nèi)容
——智能天線的研究?jī)?nèi)容可以按它在移動(dòng)通信中所扮演的角色來(lái)劃分，移動(dòng)臺(tái)（特別是手機(jī)）在體積、電源上的限制使智能天線在移動(dòng)臺(tái)難于實(shí)現(xiàn)（一個(gè)例外是WLL無(wú)線本地環(huán)系統(tǒng)），所以目前主要研究的是在基站端的智能天線收與發(fā)，即上行收與下行發(fā)。
——要實(shí)現(xiàn)智能天線的下行發(fā)相對(duì)較困難，這是因?yàn)橹悄芴炀€在設(shè)計(jì)發(fā)波束（transmitting beamforming）時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息（特別是主要傳播路徑的出射角度），而理想的天線工作模式應(yīng)是與信道相匹配的。一種方法是象 IS-95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，在TDD（時(shí)分雙工）系統(tǒng)中這顯然行得通，這也是中國(guó)提交的TD-SCDMA第三代建議（TDD方式）得到較多注意的主要原因。但在FDD（頻分雙工）系統(tǒng)中情況卻并非如此，由于上、下行信道使用的是不同頻率（第三代系統(tǒng)相對(duì)第二代有更大的上、下行頻差），上、下行信道的相關(guān)性是很弱的，很多參數(shù)并不相同，目前較多研究者相信的是上、下行信道主要傳播路徑的入射、出射角基本相同，所以我們只可能獲得下行信道的部分信息，所形成的發(fā)波束也絕不會(huì)是最優(yōu)的。
——下行信道包括控制信道和業(yè)務(wù)信道，控制信道由于是大家共用的，應(yīng)該形成寬波束，而對(duì)應(yīng)各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)信道則應(yīng)用窄波束傳送，也就是說(shuō)它們有不同的加權(quán)系數(shù)，這樣控制信道（如導(dǎo)頻信道）和業(yè)務(wù)信道實(shí)際經(jīng)歷了不同的傳輸環(huán)境，會(huì)有不同的衰落，而移動(dòng)臺(tái)在做下行接收時(shí)通常利用導(dǎo)頻信道來(lái)估計(jì)信道的幅度和相位畸變，以對(duì)業(yè)務(wù)信道進(jìn)行相干接收，但這建立在兩個(gè)信道有相同傳輸環(huán)境基礎(chǔ)上，顯然前者并不滿足這一條件，而非相干接收相對(duì)相干接收有較大的信噪比損失。一些建議（比如cdma-2000）已考慮這一點(diǎn)，下行信道還有輔助導(dǎo)頻信道（auxiliary pilot channel），可將它也以窄波束發(fā)送，但由于數(shù)目有限，更為可行的是將它分配給一群用戶（此時(shí)形成的波束也應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)這群用戶，這可能發(fā)生在熱點(diǎn)地區(qū)和基于激活用戶數(shù)較多時(shí)進(jìn)行的智能扇區(qū)化中）或某一要求鏈路質(zhì)量較高的用戶（如向他傳送高速數(shù)據(jù)時(shí)）。
——用智能天線實(shí)現(xiàn)下行發(fā)面臨的另一難題是由于加權(quán)是在天線前端進(jìn)行的（實(shí)際中多在基帶或中頻實(shí)現(xiàn)，因更容易更靈活），后級(jí)的濾波器、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、混頻器、天線陣元（各路的）特性變化必然使形成的發(fā)波束發(fā)生變化，而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來(lái)調(diào)整加權(quán)系數(shù)以抵消這種變化，一種可行但并不是很好的方法是周期性地對(duì)后級(jí)特性進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。
——由于目前智能天線技術(shù)并不很成熟，第三代移動(dòng)通信的各種后選方案除了中國(guó)的TD-SCDMA外都只將智能天線作為可選技術(shù)，沒(méi)有寫(xiě)入具體建議中，第二代系統(tǒng)也普遍未采用智能天線技術(shù)，智能天線作上行收時(shí)由于對(duì)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)并未提出新的要求，很容易將其作為全向天線、扇型天線的升級(jí)版本用于已有基站系統(tǒng)，但當(dāng)智能天線用于下行發(fā)時(shí)，通常會(huì)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的收也提出新要求，牽涉面大，靈活性較小。
——目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)（主要是窄帶CDMA 系統(tǒng)）存在下行容量超過(guò)上行的現(xiàn)象，即使考慮軟切換的損失情況依然如此，從表面看提高上行容量是當(dāng)務(wù)之急，但在第三代系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)更可能出現(xiàn)在下行信道中，考慮到這種非對(duì)稱需求，以后的瓶頸可能是下行，所以雖然存在上述的種種困難，研究智能天線的下行發(fā)依然是很必要和很迫切的。
—— TDD方式下的下行發(fā)和上行收處理差別不大，這里不單獨(dú)論述。
——智能天線的上行收技術(shù)相對(duì)成熟些，自適應(yīng)天線陣最早引入移動(dòng)通信的目的也是為了改善上行信道的質(zhì)量和容量。智能天線上行收主要有兩種方式：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式，理論工作者對(duì)前者較感興趣，工程技術(shù)人員則更青睞于后者。在自適應(yīng)方式中，對(duì)應(yīng)空域或空、時(shí)域處理的各權(quán)值可依據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行任意調(diào)整，以對(duì)當(dāng)前的傳輸環(huán)境進(jìn)行最大可能匹配，相應(yīng)的智能天線接收波束可以是任意指向的。而在切換波束中各權(quán)值只能從預(yù)先計(jì)算好的幾組值中挑選，某一時(shí)刻的智能天線工作模式只能從預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾個(gè)波束中選擇，不是任意指向的，因而只可能對(duì)當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配，從理論角度講不是最優(yōu)的。
——全自適應(yīng)智能天線研究的核心是自適應(yīng)算法，目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，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（比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則zero forcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整勸值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)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(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋算法（Decision Feedback）是一類較特殊的盲算法，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。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CM、子空間Subspace、有限符號(hào)集Finite Alphabet、循環(huán)平穩(wěn)Cycle-stationary等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，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(duì)盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源，將二者結(jié)合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻符不會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。
—— 全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但相對(duì)而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量、計(jì)算量大，信道模型簡(jiǎn)單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤收斂等缺點(diǎn)，實(shí)際信道條件下當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重、特別是信道快速時(shí)變時(shí)，很難對(duì)某一用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。正是在這一背景下，基于預(yù)多波束的切換波束工作方式被提出。此時(shí)全空域（各種可能的入射角）被一些預(yù)先計(jì)算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對(duì)應(yīng)的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會(huì)有一些重疊，接收時(shí)的主要任務(wù)是挑選一個(gè)（也有可能是幾個(gè)，但需合并后再輸出）作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上我們可將其看作是介于扇形天線與全自適應(yīng)天線間的一種技術(shù)。波束切換天線中值得研究的有以下內(nèi)容：如何劃分空域，即確定波束的問(wèn)題，包括數(shù)目和形狀；挑選波束的準(zhǔn)則；波束跟蹤的實(shí)現(xiàn)，主要指的是實(shí)現(xiàn)快速搜索算法等；以及切換波束與自適應(yīng)波束成型的理論關(guān)系。
——作為智能天線研究的基礎(chǔ)，建立更合理的信道傳播模型，研究天線各陣元的較優(yōu)位置分布等都是很有意義的。