智能天線波束賦形技術(shù)

2. 波束賦形算法的性能

　　由于波束賦形技術(shù)建立在通信環(huán)境模型以及系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，因此在考察波束賦形算法的性能時(shí)，要考慮到環(huán)境因素的影響以及其對(duì)于系統(tǒng)的要求，以便于得到更符合實(shí)際需要的性能估計(jì)。綜合各種因素，一般可以從以下幾個(gè)方面考察波束賦形算法的性能。

　　⑴算法運(yùn)算性能：這主要包括算法的收斂速度、復(fù)雜程度、精度、穩(wěn)定性以及對(duì)誤差的正確判斷性等。前四項(xiàng)指標(biāo)是常見(jiàn)的衡量算法性能的指標(biāo)，而最后一項(xiàng)在智能天線應(yīng)用領(lǐng)域有特別的意義。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，由于天線規(guī)模等實(shí)際條件的限制以及移動(dòng)無(wú)線信道復(fù)雜情況的影響，對(duì)波達(dá)方向的測(cè)量估計(jì)誤差較大，因此對(duì)于采用基于波達(dá)方向估計(jì)的波束賦形算法，能否降低其對(duì)誤差的敏感度就顯得十分重要，尤其是在下行鏈路中，一旦發(fā)生較大的指向偏差，不僅會(huì)使得目標(biāo)用戶(hù)無(wú)法獲得一定質(zhì)量的信號(hào)，還可能會(huì)帶來(lái)對(duì)其他用戶(hù)的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。

　　⑵算法的測(cè)量要求：主要包括算法需要了解的信道特征參量的種類(lèi)和數(shù)量以及是否需要提供參考信號(hào)等。

　　3. 波束賦形技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

　　波束賦形技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了大量的具體技術(shù)，其命名、分類(lèi)并不完全統(tǒng)一，加之近年來(lái)與其他技術(shù)(如聯(lián)合檢測(cè)、功率控制等)的結(jié)合乃至融合，使得相關(guān)的具體技術(shù)更顯紛繁復(fù)雜。通?？梢砸罁?jù)的分類(lèi)有，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同將波束賦形技術(shù)分為上行鏈路波束賦形和下行鏈路波束賦形;根據(jù)其所使用的信道特征參量的種類(lèi)，可分為使用信道空域參量的技術(shù)和使用信道空時(shí)域參量的技術(shù);根據(jù)不同的波束賦形技術(shù)對(duì)于問(wèn)題采用的描述方法，可分為優(yōu)化類(lèi)和自適應(yīng)濾波器類(lèi);根據(jù)波束賦形技術(shù)計(jì)算使用的方法可分為線性算法和非線性算法。

　　對(duì)于上行鏈路，由于可以獲得可靠的信道實(shí)時(shí)估計(jì)，因此可以采用信道的空時(shí)域參量進(jìn)行波束賦形，以提高上行鏈路性能。針對(duì)移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其是CDMA系統(tǒng)的實(shí)際情況，上行鏈路的波束賦形可以結(jié)合信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的聯(lián)合檢測(cè)。但是應(yīng)用這一方法存在以下兩個(gè)問(wèn)題：算法要求測(cè)量所有信道的空時(shí)域參數(shù)，且測(cè)量要求高(除了盲檢測(cè)算法，大部分算法需要使用訓(xùn)練序列，并要求在獲得同步以后進(jìn)行測(cè)量);計(jì)算過(guò)于復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)，尤其是針對(duì)多用戶(hù)的方案。實(shí)際可采用的方法有：采用性能次優(yōu)但較為簡(jiǎn)單的方法;設(shè)計(jì)便于并行運(yùn)算的結(jié)構(gòu)，以硬件代價(jià)滿(mǎn)足運(yùn)算時(shí)間方面的要求;或者結(jié)合兩種方法。其中，通過(guò)有限度降低算法性能提高算法可實(shí)現(xiàn)性的具體方法包括：減少計(jì)算需要的參量;減少計(jì)算的維數(shù)(如使用訓(xùn)練序列進(jìn)行初始化，或者分解全局優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)榛ゲ幌嚓P(guān)的局部?jī)?yōu)化問(wèn)題的疊加);選擇計(jì)算復(fù)雜度較低的計(jì)算方法等。在保證性能的前提下進(jìn)一步降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度主要依賴(lài)于使用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的處理單元，根據(jù)傳統(tǒng)的均衡和檢測(cè)領(lǐng)域的研究，非線性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法可以大大降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，目前對(duì)判決反饋結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在波束賦形領(lǐng)域的應(yīng)用已有初步研究。

　　對(duì)于下行鏈路，由于條件限制很難在下行鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)于信道的可靠實(shí)時(shí)估計(jì)。對(duì)于TDD模式的系統(tǒng)，在上下行信道間隔時(shí)隙很小的條件下，可以近似認(rèn)為信道未發(fā)生變化，從而可以在下行鏈路使用由上行數(shù)據(jù)獲得的信道空時(shí)域參數(shù)的估計(jì)值，甚至可以直接使用上行波束賦形的數(shù)據(jù)。但是對(duì)于FDD系統(tǒng)，則一般無(wú)法滿(mǎn)足上下行信道頻率間隔足夠小的要求使得兩者的變化強(qiáng)相關(guān)，因此如果不使用反饋回路獲取移動(dòng)站的測(cè)量數(shù)據(jù)，僅可根據(jù)上行數(shù)據(jù)獲得一些與頻率變化無(wú)關(guān)或者弱相關(guān)的信道參量，這包括信道的空域參量以及空時(shí)域參量的平均值等。其中使用空時(shí)域參量平均估計(jì)值的方法原理上同使用空時(shí)域信道參量的方法并無(wú)區(qū)別，只是由于缺乏對(duì)于信道狀況的實(shí)時(shí)跟蹤，性能會(huì)有所下降。而僅依賴(lài)信道空域參量的算法則符合波束賦形的傳統(tǒng)含義，即使基站實(shí)現(xiàn)下行指向性發(fā)射。

　　僅依賴(lài)信道空域參量的算法需要了解目標(biāo)移動(dòng)站與基站的相對(duì)位置，為了抑制同信道用戶(hù)間的干擾可能還需要了解同信道移動(dòng)站與基站的相對(duì)位置。這些信息可以由上行信道數(shù)據(jù)得到，即根據(jù)上行數(shù)據(jù)對(duì)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)，因此這種算法又可稱(chēng)為基于DoA估計(jì)的算法，由于使用的信息可以認(rèn)為與上下行信道載頻無(wú)關(guān)，因此可以適用于TDD或者FDD模式的系統(tǒng)。這類(lèi)算法的主要局限在于較大的DoA估計(jì)誤差以及天線單元數(shù)限制了算法的性能，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)性能并不理想。一般，為了減小天線增益凹陷的指向偏差，必須配合使用凹陷點(diǎn)展寬(Null Broadening)技術(shù)，即在計(jì)算所得的凹陷點(diǎn)附近形成凹陷區(qū)，確保對(duì)其他用戶(hù)的干擾降低到最小的程度。

　　目前，由于上行波束賦形技術(shù)的發(fā)展，下行鏈路性能成為提高系統(tǒng)性能的瓶頸，因此迫切需要有效的方法。在可以獲得可靠的空時(shí)域參量的條件下(TDD模式的系統(tǒng)，或者使用反饋鏈路的系統(tǒng))，可以應(yīng)用空時(shí)處理方法，但是在具體的表述、算法的實(shí)現(xiàn)等方面仍需進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。如果無(wú)法獲得可靠的空時(shí)域參量(不采用反饋鏈路的FDD模式的系統(tǒng))，那么基于DoA估計(jì)的算法應(yīng)該是最終的解決方案，但是目前的估計(jì)精度很難滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)的需要，必須發(fā)展對(duì)估計(jì)誤差不敏感的波束賦形算法。