軟件無(wú)線電中的智能天線技術(shù)

軟件無(wú)線電起源于軍事通信，為了保證不同無(wú)線電臺(tái)之間的互通性，使各軍兵種實(shí)現(xiàn)高效，高可靠的協(xié)同通信，軍方開(kāi)始了最早的軟件無(wú)線電臺(tái)的研制。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟件無(wú)線電逐漸被民間商用移動(dòng)通信領(lǐng)域所重視。軟件無(wú)線電的核心思想是：將A/D盡可能靠近天線，用軟件完成盡可能多的無(wú)線電功能。它的最終目的就是要使通信系統(tǒng)盡可能多的擺脫硬件結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)通用和穩(wěn)定的情況下，用軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，使得系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)非常方便且代價(jià)較小，并且可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)和兼容。智能天線是軟件無(wú)線電不可替代的硬件出入口，也是其關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著現(xiàn)代高速并行數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展，智能天線的實(shí)現(xiàn)成為可能，從而也使軟件無(wú)線電的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

一、智能天線及其發(fā)展

智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，其研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣，目的是提高雷達(dá)的系統(tǒng)性能和電子對(duì)抗能力。近年來(lái)，隨著微計(jì)算器和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價(jià)格也逐漸能夠?yàn)楝F(xiàn)代通信系統(tǒng)接受。另外，移動(dòng)通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾（MAI）、共信道干擾（CCI）以及多徑衰落的影響成為提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能時(shí)要考慮的主要因素。而智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抵消或最大程度的抑制干擾信號(hào)的目的。軟件無(wú)線電的核心是使用高速的數(shù)字信號(hào)處理器完成中頻采樣之后的所有數(shù)字運(yùn)算，由于DSP的可編程性，導(dǎo)致了軟件無(wú)線電靈活的個(gè)性化配置。因此，固定的天線陣列與數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)合，就構(gòu)成了可以動(dòng)態(tài)配置天線特性的智能天線。智能天線不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，它可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)很窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號(hào)發(fā)射功率，降低了信號(hào)全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染與相互干擾。智能天線引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同時(shí)隙，相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)的不同傳播路徑來(lái)區(qū)分。SDMA是一種新的信道增容方式，與其它多址方式(FDMA,TDMA,CDMA)完全兼容，因此可以實(shí)現(xiàn)組合的多址方式。

二、智能天線的原理與功能

智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。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)絡(luò)（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)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。

假設(shè)天線滿足窄帶傳輸條件，即入射信號(hào)在天線各單元的響應(yīng)輸出只有相位差，且入射信號(hào)為平面波（即只有一個(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。理想情況下，我們可以做到將天線方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而把副瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾。但實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境很復(fù)雜，干擾信號(hào)很多，存在多徑效應(yīng)，有限的自由度限制（由天線陣元數(shù)決定），有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射方向上只有很小的夾角等因素都使得實(shí)際情況達(dá)不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我們的最終目標(biāo)。

三、智能天線的系統(tǒng)組成

智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距1/2波長(zhǎng)（若陣元間距過(guò)大會(huì)使接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長(zhǎng)）。智能天線采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)判斷用戶信號(hào)到達(dá)方向（即DOA估計(jì)），并在此方向形成天線主波束，它根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳輸方向提供不同的信道，等同于有線傳輸時(shí)的線纜，從而可以有效的抑制干擾。

考慮到軟件無(wú)線電系統(tǒng)要求在中頻進(jìn)行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計(jì)算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實(shí)現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)?/span>DSP只能完成基帶處理的功能。一個(gè)比較實(shí)用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來(lái)完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實(shí)時(shí)處理時(shí)對(duì)處理速度的需求很高，僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點(diǎn)DSP將片間并行功能集成在單片DSP內(nèi)部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實(shí)際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來(lái)提高處理能力。理論上，N個(gè)DSP并行可以提供N倍的處理能力，但在實(shí)際系統(tǒng)中必須在算法設(shè)計(jì)上付出很大的代價(jià)。一個(gè)好的算法應(yīng)該能夠盡量并行而且適合多個(gè)DSP同時(shí)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)盡可能少和盡可能快。

四、智能天線采用的自適應(yīng)算法和波束形成算法

自適應(yīng)算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。非盲算法是指需要借助參考信號(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，按一定準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，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)，它一般利用調(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、子空間、有限符號(hào)集、循環(huán)平穩(wěn)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)合產(chǎn)生一種半盲算法，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，這樣做可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致，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。波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶信號(hào)的最佳組合與分配。具體說(shuō)，波束賦形的主要任務(wù)就是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等引起的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低用戶間的共信道干擾。軟件無(wú)線電系統(tǒng)均采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)波束合成，即數(shù)字波束形成（DBF），從而可以使用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性，根據(jù)波束形成的不同過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對(duì)各陣元按接收信號(hào)采樣并進(jìn)行加權(quán)處理后，形成陣列輸出，使天線方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，天線陣列各陣元均參與自適應(yīng)調(diào)整；波束空間處理方式實(shí)際上包含兩級(jí)處理過(guò)程，第一級(jí)對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成指向不同方向的波速率，第二級(jí)對(duì)第一級(jí)輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整并合成，此方案不是對(duì)全部陣元都從整體最優(yōu)計(jì)算加權(quán)系數(shù)，而是只對(duì)部分陣元作自適應(yīng)處理，它的特點(diǎn)是計(jì)算量小，收斂快，并且有良好的波束保形性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中應(yīng)用智能天線技術(shù)，將會(huì)在以下方面得到性能的提高：（1）提高整個(gè)系統(tǒng)的容量；（2）提高頻譜的利用率；（3）提高基站接收機(jī)靈敏度，降低基站發(fā)射功率，降低無(wú)線基站成本；（4）提高信噪比，改善通信質(zhì)量。

雖然智能天線技術(shù)帶給軟件無(wú)線電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是其它技術(shù)都難以取代的，但是它也產(chǎn)生一些新的問(wèn)題，如：智能天線的實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)和波束賦形的速度問(wèn)題，以及由于智能天線的引入帶來(lái)的設(shè)備復(fù)雜性問(wèn)題等。因此，使用智能天線時(shí)，必須結(jié)合其它基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如：干擾抵消、聯(lián)合檢測(cè)和Rake接收等。智能天線系統(tǒng)未來(lái)將向著數(shù)字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個(gè)干擾的方向發(fā)展。