智能天ˇ技術的工作原理、特徵和技術優勢分析

名稱:智能天ˇ技術的工作原理、特徵和技術優勢分析
智能天ˇˇSmartAntenna或IntelligentAntennaˇ最初應用於雷達、聲納及軍用通信領域。
近年來ˇˇ代數字信號處理技術發展迅速ˇDSP晶元處理能力的不斷提高和晶元價格的不斷下降ˇ使得利用數字技術在基帶形成天ˇ波束成為可行ˇ促使智能天ˇ技術開始在無ˇ通信中廣泛應用。由於智能天ˇ能ˇ著提高系統的性能和容量ˇ並增加了天ˇ系統的靈活性ˇ未來幾乎所有先進的移動通信系統都將採用該技術。
智能天ˇ提高系統性能的原理
智能天ˇ分為兩大類ˇ多波束天ˇ與自適應天ˇ陣列。多波束天ˇ利用多個并行波束覆蓋整個用戶區ˇ每個波束的指ˇ是固定的ˇ波束寬度也隨天ˇ元數目而確定。當用戶在小區中移動時ˇ基站在不同的ˇ應波束中進行選擇ˇ使接收信號最強。因為用戶信號並不一定在波束中心ˇ當用戶位於波束邊緣及干擾信號位於波束中央時ˇ接收效果最差ˇ所以多波束天ˇ不能實ˇ信號最佳接收ˇ一般只用作接收天ˇ。但是與自適應天ˇ陣列ˇ比ˇ多波束天ˇ具有結構簡單、無須判定用戶信號到達方ˇ的優點。自適應天ˇ陣列一般採用4～16天ˇ陣元結構ˇ陣元間距為半個波長。天ˇ陣元分佈方式有直ˇ型、圓環型和平面型。自適應天ˇ陣列是智能天ˇ的主要類型ˇ可以完成用戶信號接收和發送。自適應天ˇ陣列系統採用數字信號處理技術識別用戶信號到達方ˇˇ並在此方ˇ形成天ˇ主波束。
ˇ在ˇ簡要地介紹一下智能天ˇ如何克服無ˇ通信中的時延擴展和多徑衰落來提高系統的性能和容量。設天ˇ陣列的不同天ˇ元對信號施以不同的權值ˇ然後ˇ加ˇ產生一個輸出信號。如果定義「天ˇ增益」為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號功率的降低ˇ「分集增益」為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低ˇ那麼一般來說ˇM元的天ˇ陣列可以提供M倍的天ˇ增益加上一個分集增益ˇ具體提高的值決定於天ˇ陣元間的ˇ關性。
首先我們考慮多波束天ˇ。多波束天ˇ是在一個扇區內放置多個天ˇ來覆蓋整個扇區ˇ每個天ˇ只覆蓋一部分角度範圍。扇區天ˇ的另外一個優點就是在下行的波束方ˇ可以利用上行的波束方ˇˇ這樣在下行方ˇ也可以獲得M倍的天ˇ增益。但扇區天ˇ由於其自身的構成形式ˇ有下面缺點ˇˇ鄰天ˇ之間重疊的部分由於天ˇ增益比較小ˇ會有2dB的降低ˇ當由於多徑或干擾而錯誤地鎖定天ˇ波束時ˇ多波束天ˇ能提供的增益很校自適應天ˇ陣列中ˇ各天ˇ元的放置形式可有多種ˇˇ鄰天ˇ元間距為一特定值。在接收信號到達天ˇ陣時ˇ每個陣元上的信號經過不同的加權ˇ然後再疊加產生一個輸出信號ˇ加權係數和疊加可以根據不同的準則。需要注意的是ˇ自適應天ˇ的陣元必須具有ˇ似的波束ˇ而在多波束天ˇ中則沒有這樣的要求。與多波束天ˇˇ似ˇ一個M元自適應天ˇ陣可以提供M倍的天ˇ增益ˇ但它沒有波束之間部分重疊的缺點。M元自適應天ˇ陣列可以完全抑制NˇN〈Mˇ個干擾用戶ˇ即使在NˇM時也可以獲得很大的增益。儘管自適應天ˇ較多波束天ˇ有更多優點ˇ但自適應天ˇ計算加權係數的速度必須與衰落速率ˇ當才能跟蹤用戶ˇ注意到3G中衰落速率將達到1000Hzˇ。然而ˇ多波束天ˇ波束之間的切換隻要幾秒鐘一次即可。
自適應天ˇ陣列用在無ˇ系統中一個關鍵問題是在視距ˇLOSˇ和非視距ˇNLOSˇ情況下的性能差異。在視距情況下ˇ對接收到的信號進行加權、合併后產生一個天ˇ圖案ˇ它的主波束方ˇ就指ˇ目標用戶ˇ而在其它方ˇ上抑制干擾用戶。此時ˇ若天ˇ陣元數大於到達的信號數ˇ可以用信號處理中MUˇSIC、 ESPRIT等ˇ代譜估計演算法來估計信號的到達角度ˇ這樣一個陣列至少可以在Mˇ1個方ˇ上形成方ˇ圖零點。在非視距情況下ˇ無ˇ信號的到達經由了多次反射和多個途徑ˇ兩條不同路徑之間的ˇ對時延大的必須作為兩條獨立的路徑ˇ。自適應天ˇ在多徑環境的一個重要特點就是能夠抑制干擾用戶而不管其到達的方ˇˇ也就是說ˇ即使干擾用戶和所有用戶只ˇ距幾英寸ˇ自適應天ˇ陣也能抑制干擾用戶。這是由於在多徑環境中天ˇ周圍的物體就是一個巨大的反射天ˇˇ使得接收天ˇ陣列能夠區分不同用戶的信號。特別是若接收陣元間距足夠大ˇ陣列能夠形成比擴展角度小的波束。能夠區分的信號數隨天ˇ陣元數、角度擴展ˇ在擴展角度內多徑反射密度的增加而增加。從這個意義上來說ˇ多徑是一個有利的因素。但由於時延擴展ˇ自適應天ˇ把時延信號作為干擾信號而進行抑制。M元的自適應天ˇ可以抑制Mˇ1時延信號ˇ這是一個很不利的因素。為了充分利用接收到的信號ˇ我們可以在每個天ˇ陣元上加一個時域的處理ˇ比如自適應均衡或RAKE接收ˇ然後再進行自適應波束形成。天ˇ波束的實ˇ方式智能天ˇ對陣元接收信號加權處理形成天ˇ波束ˇ使主波束對準用戶信號方ˇˇ而在干擾信號方ˇ形成天ˇ方ˇ圖零ˇ或較低的功率方ˇ圖增益ˇ達到抑制干擾的目的。根據天ˇ波束形成的不同過程ˇ實ˇ智能天ˇ的方式又分為兩類ˇ組件空間處理方式與波束空間處理方式。其中ˇ組件空間處理方式直接對陣元接收信號支路加權ˇ調整信號振幅與ˇ位ˇ使天ˇ輸出方ˇ圖主瓣方ˇ對準用戶信號到達方ˇ。在波束空間處理方式下ˇ信號從陣元組件接收並經過模數轉換后ˇ需經過ˇ應的數字信號處理過程ˇ如FFTˇ得到ˇ互正交的一組空間波束ˇ再經過波束選擇ˇ根據需要取其中部分或全部波束來合成陣列輸出方ˇ圖。因為用戶信號往往深埋於雜訊信號與干擾信號中ˇ不易得到陣元接收信號的最佳加權。採用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強的幾個波束ˇ以取得符合質量要求的信號ˇ在滿足陣列接收效果的前提下減少運算量和降低系統複雜度。波束賦型演算法概況智能天ˇ技術研究的核心是波束賦型的演算法。從是否需要參考信號ˇ導頻序列或導頻通道ˇ的角度來劃分ˇ這些演算法可分為盲演算法、半盲演算法和非盲演算法三類。非盲演算法是指須藉助參考信號的演算法。由於發送時的參考信號是預先知道的ˇ對接收到的參考信號進行處理可以確定出通道ˇ應ˇ再按一定準則ˇ如著名的迫零準則ˇ確定各加權值ˇ或者直接根據某一準則自適應地調整權值ˇ也即演算法模型的抽頭係數ˇˇ以使輸出誤差盡量減小或穩定在可預知的範圍內。常用的準則有MMSEˇ最小均方誤差ˇ、LMSˇ最小均方ˇ和RLSˇ遞歸最小二乘ˇ等等ˇ而自適應調整則採取最優化方法ˇ最常見的就是最大梯度下降法。盲演算法則無鬚髮送參考信號或導頻信號ˇ而是充分利用調製信號本身固有的、與具體承載信息比特無關的一些特徵ˇ如恆包絡、子空間、有ˇ符號集、循環平穩等ˇ來調整權值以使輸出誤差盡量校常見的演算法有常數模演算法ˇCMAˇ、子空間演算法、判決反饋演算法等等。常數模演算法利用了調製信號具有恆定的包絡這一特點ˇ具體又分最小二乘CMA演算法、解析CMA演算法、多目標LSˇCMA演算法等ˇ子空間演算法則將接收端包含有其它用戶干擾及通道雜訊的混合空間劃分為信號子空間和雜訊子空間ˇ對信號子空間進行處理ˇ判決反饋演算法則由收端自己估計發送的信號ˇ通過多次的迭代ˇ使智能天ˇ輸出ˇ最優結果不斷逼近。非盲演算法ˇ對盲演算法而言ˇ通常誤差較小ˇ收斂速度也較快ˇ但發送參考信號浪費了一定的系統帶寬。為此ˇ學者們又發展了半盲演算法ˇ即先用非盲演算法確定初始權值ˇ再用盲演算法進行跟蹤和調整。這樣做一方面可綜合二者的優點ˇ一方面也是與實際的通信系統ˇ一致的ˇ因為通常導頻信息不是時時發送而是與對應的業務通道時分復用的。智能天ˇ的優點智能天ˇ可以明ˇ改善無ˇ通信系統的性能ˇ提高系統的容量。具體體ˇ在下列方面ˇ提高頻譜利用率。採用智能天ˇ技術代替普通天ˇˇ提高小區內頻譜復用率ˇ可以在不新建或盡量少建基站的基礎上增加系統容量ˇ降低運營商成本。
迅速解決稠密市區容量瓶頸。未來的智能天ˇ應能允許任一無ˇ通道與任一波束配對ˇ這樣就可按需分配通道ˇ保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多通道資源ˇ等效於增加了此類地區的無ˇ網路容量。
抑制干擾信號。智能天ˇ對來自各個方ˇ的波束進行空間濾波。它通過對各天ˇ元的激勵進行調整ˇ優化天ˇ陣列方ˇ圖ˇ將零點對準干擾方ˇˇ大大提高陣列的輸出信干比ˇ改善了系統質量ˇ提高了系統可靠性。對於軟容量的CDMA系統ˇ信干比的提高還意味著系統容量的提高。
抗衰落。高頻無ˇ通信的主要問題是信號的衰落ˇ普通全ˇ天ˇ或定ˇ天ˇ都會因衰落使信號失真較大。如果採用智能天ˇ控制接收方ˇˇ自適應地構成波束的方ˇ性ˇ可以使得延遲波方ˇ的增益最小ˇ降低信號衰落的影ˇ。智能天ˇ還可用於分集ˇ減少衰落。
實ˇ移動台定位。採用智能天ˇ的基站可以獲得接收信號的空間特徵矩陣ˇ由此獲得信號的功率估值和到達方ˇ。通過此方法ˇ用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區域。由於目前蜂窩移動通信系統只能確定移動台所處的小區ˇ因此移動台定位的實ˇ可以使許多與位置有關的新業務得以方便地推出ˇ而發展新業務是目前移動運營商提升ARPU值、加強自身競爭力的必然手段。