未来移动通信系统中的智能天线技术
时间：2020-12-14
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随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起人们极大关注。如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。
1 智能天线技术的起源和发展
智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于
雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数目增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：(1)扩大系统的覆盖区域；(2)提高系统容量；(3)提高频谱利用效率；(4)降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。
智能天线可以通过模拟电路方式实现：首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状，实现很复杂，随着阵元数目增加，更增加电路复杂度。为此，未来移动通信智能天线采用数字方法实现波束成形，即所谓数字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天线。使用软件设计完成自适应算法更新，可以在不改变系统硬件配置前提下，增加系统灵活性。
2 智能天线技术的实现方案
智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。
多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。
自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。
智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对准用户信号方向，而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益，达到抑制干扰的目的。根据天线波束形成的不同过程，实现智能天线的方式又分为两类：组件空间处理方式与波束空间处理方式，以下分别讨论。
2.1 组件空间处理方式
组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权，调整信号振幅与相位，使天线输出方向图主瓣方向对准用户信号到达方向。因为是阵元组件信号，模数转换(ADC)后不经其它处理直接加权，故又称组件空间处理方式。
2.2 波束空间处理方式
与组件空间处理方式的不同之处在于，信号从阵元组件接收并模数转换(ADC)后，需经相应处理(如快速付立叶变换)，得到彼此正交的一组空间波束，再经过波束选择，从中根据需要选取部分或全部波束合成阵列输出方向图。
因为用户信号往往深埋于噪声信号与干扰信号中，不易得到阵元接收信号的最佳加权。采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束，以取得符合质量要求的信号，这样可以在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度。
智能天线技术在实现过程中可以采用不同算法，主要有最小均方算法(LMS)、递归最小平方算法(RLS)和恒模算法(CMA)。其中最小均方算法(LMS)、递归最小平方算法(RLS)需要系统提供与用户信号相关的参考信号，用以计算误差，控制阵列加权。恒模(CMA)算法利用阵列输出信号恒包络原理，不需要参考信号，属于盲均衡方法。从通信系统整体考虑，智能天线技术独立于传统的多址方式和调制类型，可以应用于TDMA、FDMA或CDMA多址系统。但是，在具体实现过程中，天线接收结果是有差别的。
作为提高移动通信系统容量的重要手段，智能天线主要在基站作用。对于收发共用类型全向智能天线，采用时分双工(TDD)方式的自适应天线更为合适。频分双工(FDD)方式由于上行(从用户到基站)与下行链路(从基站到用户)有45MHz或80MHz频率间隔，信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响各不相同，故根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。在TDD方式中上行与下行链路间隔时间短，使用相同频率传输信号，上、下行链路无线传播环境差异不大，可以使用相同权值，故TDD方式优于FDD方式。未来移动通信系统工作频率更高，在满足半波长阵元间隔条件下，天线尺寸可以做得更小，使在移动用户端使用智能天线也成为可能。
3 智能天线的研究进展
目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用。已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。
3.1 欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称之为TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。
项目组在DECT基站基础上构造智能天线试验模型，于1995年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。模型用数字波束成形的方法实现智能天线，采用ERA技术有限公司的专用ASIC芯片DBF1108完成波束形成，使用TMS320C40芯片作为中央控制。研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理方式。组件处理方式天线是收发全向类型，采用TDD双工方式。系统评估了识别信号到达方向的MUSIC算法，采用的自适应算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。
实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户四个空间信道(包括上行和下行链路)下，试验系统比特差错率(BER)优于10－3。实验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而像市区环境则采用简单的直线阵更合适。
欧洲通信委员会(CEC)准备在ACTS(Advanced Communication Technologies and Services)计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于以下方面：最优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。
3.2 日 本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速付氏变换(FFT)处理，形成正交波束后，分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号处理部分由10片FPGA完成，整块电路板大小为23.3cm×34.0cm。
野外移动试验确认了采用恒模(CMA)算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用
最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方案在所形成
波束内，选用最大电平接收信号，不用判别用户信号到达方向及反馈控制机构等硬件跟踪装置。
ATR研究人员提出了如图5所示的基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素(如噪声、同信道干扰或符号间干扰)也不同，利用软件方法实现不同环境应用不同算法，比如当噪声是主要因素时，则使用多波束最大比值合并(MRC)算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法(CMA)，以此提供算法分集，利用FPGA实现实时天线配置，完成智能处理。
3.3 美国及其他
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场实验表明，在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列，射频工作于17
1 智能天线技术的起源和发展
智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于
雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数目增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：(1)扩大系统的覆盖区域；(2)提高系统容量；(3)提高频谱利用效率；(4)降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。
智能天线可以通过模拟电路方式实现：首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状，实现很复杂，随着阵元数目增加，更增加电路复杂度。为此，未来移动通信智能天线采用数字方法实现波束成形，即所谓数字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天线。使用软件设计完成自适应算法更新，可以在不改变系统硬件配置前提下，增加系统灵活性。
2 智能天线技术的实现方案
智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。
多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。
自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。
智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对准用户信号方向，而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益，达到抑制干扰的目的。根据天线波束形成的不同过程，实现智能天线的方式又分为两类：组件空间处理方式与波束空间处理方式，以下分别讨论。
2.1 组件空间处理方式
组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权，调整信号振幅与相位，使天线输出方向图主瓣方向对准用户信号到达方向。因为是阵元组件信号，模数转换(ADC)后不经其它处理直接加权，故又称组件空间处理方式。
2.2 波束空间处理方式
与组件空间处理方式的不同之处在于，信号从阵元组件接收并模数转换(ADC)后，需经相应处理(如快速付立叶变换)，得到彼此正交的一组空间波束，再经过波束选择，从中根据需要选取部分或全部波束合成阵列输出方向图。
因为用户信号往往深埋于噪声信号与干扰信号中，不易得到阵元接收信号的最佳加权。采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束，以取得符合质量要求的信号，这样可以在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度。
智能天线技术在实现过程中可以采用不同算法，主要有最小均方算法(LMS)、递归最小平方算法(RLS)和恒模算法(CMA)。其中最小均方算法(LMS)、递归最小平方算法(RLS)需要系统提供与用户信号相关的参考信号，用以计算误差，控制阵列加权。恒模(CMA)算法利用阵列输出信号恒包络原理，不需要参考信号，属于盲均衡方法。从通信系统整体考虑，智能天线技术独立于传统的多址方式和调制类型，可以应用于TDMA、FDMA或CDMA多址系统。但是，在具体实现过程中，天线接收结果是有差别的。
作为提高移动通信系统容量的重要手段，智能天线主要在基站作用。对于收发共用类型全向智能天线，采用时分双工(TDD)方式的自适应天线更为合适。频分双工(FDD)方式由于上行(从用户到基站)与下行链路(从基站到用户)有45MHz或80MHz频率间隔，信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响各不相同，故根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。在TDD方式中上行与下行链路间隔时间短，使用相同频率传输信号，上、下行链路无线传播环境差异不大，可以使用相同权值，故TDD方式优于FDD方式。未来移动通信系统工作频率更高，在满足半波长阵元间隔条件下，天线尺寸可以做得更小，使在移动用户端使用智能天线也成为可能。
3 智能天线的研究进展
目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用。已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。
3.1 欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称之为TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。
项目组在DECT基站基础上构造智能天线试验模型，于1995年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。模型用数字波束成形的方法实现智能天线，采用ERA技术有限公司的专用ASIC芯片DBF1108完成波束形成，使用TMS320C40芯片作为中央控制。研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理方式。组件处理方式天线是收发全向类型，采用TDD双工方式。系统评估了识别信号到达方向的MUSIC算法，采用的自适应算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。
实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户四个空间信道(包括上行和下行链路)下，试验系统比特差错率(BER)优于10－3。实验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而像市区环境则采用简单的直线阵更合适。
欧洲通信委员会(CEC)准备在ACTS(Advanced Communication Technologies and Services)计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于以下方面：最优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。
3.2 日 本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速付氏变换(FFT)处理，形成正交波束后，分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号处理部分由10片FPGA完成，整块电路板大小为23.3cm×34.0cm。
野外移动试验确认了采用恒模(CMA)算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用
最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方案在所形成
波束内，选用最大电平接收信号，不用判别用户信号到达方向及反馈控制机构等硬件跟踪装置。
ATR研究人员提出了如图5所示的基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素(如噪声、同信道干扰或符号间干扰)也不同，利用软件方法实现不同环境应用不同算法，比如当噪声是主要因素时，则使用多波束最大比值合并(MRC)算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法(CMA)，以此提供算法分集，利用FPGA实现实时天线配置，完成智能处理。
3.3 美国及其他
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场实验表明，在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列，射频工作于17