如何設(shè)計(jì)智能天線波束賦形

近年來(lái)移動(dòng)通信的迅速發(fā)展以及其他無(wú)線應(yīng)用的開發(fā)使得無(wú)線頻譜資源日趨緊張，要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量，滿足用戶數(shù)量增加和新業(yè)務(wù)開展的需要，就必須提高系統(tǒng)頻譜的利用率。因此，如何更為有效地復(fù)用無(wú)線資源成為無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的首要問(wèn)題。智能天線技術(shù)研究了無(wú)線資源的空域可分特性，是進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量的有效途徑。本文對(duì)于智能天線技術(shù)信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)的波束賦形技術(shù)的相關(guān)研究作一個(gè)總結(jié)，概述了波束賦形的概念原理、一般方法、性能指標(biāo)以及一些相關(guān)問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)存的大量具體算法的分類分析，綜述了該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。

一、 智能天線與波束賦形技術(shù)

在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于用戶通常分布在各個(gè)方向，加之無(wú)線移動(dòng)信道的多徑效應(yīng)，有用信號(hào)存在一定的空間分布。其一，當(dāng)基站接收信號(hào)時(shí)，來(lái)自各個(gè)用戶的有用信號(hào)到達(dá)基站的方向可能不同，且信號(hào)與其到達(dá)角度之間存在復(fù)雜的依賴關(guān)系；其二，當(dāng)基站發(fā)射信號(hào)時(shí)，可被用戶有效接收的也只是部分的信號(hào)?？紤]到這一因素，調(diào)整天線方向圖使其能實(shí)現(xiàn)指向性的接收與發(fā)射是很自然的想法，這也就是波束賦形概念的最初來(lái)源。

隨著信號(hào)處理，尤其是數(shù)字信號(hào)處理芯片的普及以及算法的發(fā)展，原來(lái)必須依靠射頻硬件實(shí)現(xiàn)的波束賦形轉(zhuǎn)為使用中頻或者基帶的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，又進(jìn)一步出現(xiàn)了智能天線的概念。智能天線的目標(biāo)是能根據(jù)實(shí)際信道情況實(shí)時(shí)調(diào)整自身參數(shù)，有效追蹤多個(gè)用戶，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空分多址（SDMA）。智能天線一般由射頻部分的無(wú)線信號(hào)接收發(fā)射，A/D、D/A轉(zhuǎn)換，以及基帶（或者中頻）部分的數(shù)字信號(hào)處理組成。傳統(tǒng)意義上的波束賦形與多種信號(hào)處理方法融合，使得這一概念的確切含義逐漸模糊。習(xí)慣上，在與自適應(yīng)天線陣列的信號(hào)處理相關(guān)的文獻(xiàn)中，波束賦形特指根據(jù)參數(shù)計(jì)算最優(yōu)權(quán)重矢量的過(guò)程；而在其他場(chǎng)合有時(shí)特指嚴(yán)格意義上的空域波束賦形，有時(shí)則泛指根據(jù)測(cè)量以及估算參量進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（可包括時(shí)域和空域）的過(guò)程。本文取波束賦形的一般含義，即根據(jù)測(cè)量以及估算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)最優(yōu)（次優(yōu)）組合或者最優(yōu)（次優(yōu)）分配的過(guò)程。

二、 波束賦形原理

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（中頻）信號(hào)的最佳組合或者分配。具體地說(shuō)，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低同信道用戶間的干擾。因此，首先需要建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)中各處的信號(hào)，而后才可能根據(jù)系統(tǒng)性能要求，將信號(hào)的組合或分配表述為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，尋求其最優(yōu)解。

1． 系統(tǒng)模型

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，一般可以將波束賦形算法分為上行鏈路應(yīng)用以及下行鏈路應(yīng)用。無(wú)論是哪種情況，總可以用一個(gè)時(shí)變矢量（MIMO）信道來(lái)描述用戶端與基站端的信號(hào)關(guān)系，如圖2所示。對(duì)于上行鏈路，多個(gè)發(fā)射信號(hào)實(shí)質(zhì)上是K個(gè)用戶設(shè)備同時(shí)發(fā)送的信號(hào)，基站則使用多個(gè)天線單元接收信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和檢測(cè)，這時(shí)發(fā)送端的信號(hào)分配僅在各個(gè)支路分別進(jìn)行；對(duì)于下行鏈路，基站仍可能使用多個(gè)天線單元向特定用戶發(fā)射信號(hào)，但用戶設(shè)備使用單天線檢測(cè)與其有關(guān)的信號(hào)，這時(shí)接收部分降為一維，信號(hào)組合也僅對(duì)于單路信號(hào)進(jìn)行。

通常根據(jù)研究重點(diǎn)的不同，對(duì)于原始信號(hào)以及實(shí)際接收信號(hào)的位置會(huì)有不同的定義。對(duì)于波束賦形技術(shù)，一般其研究的范圍從發(fā)送端擴(kuò)譜與調(diào)制單元的輸出端，到接收端解擴(kuò)與解調(diào)單元的輸入端，而研究過(guò)程中又常將信號(hào)分配單元輸出端到信號(hào)組合單元輸入端之間的部分合并，統(tǒng)稱為無(wú)線移動(dòng)信道，由于無(wú)線移動(dòng)通信環(huán)境的極度復(fù)雜，無(wú)法得到其輸入輸出關(guān)系的確切描述，一般采用大量測(cè)量和理論研究相結(jié)合的方法，使用有限的參數(shù)描述該信道。采用這種方法后，就可以得到受干擾有噪信號(hào)與原始信號(hào)的關(guān)系，并據(jù)此在一定程度上恢復(fù)信號(hào)。因此，波束賦形的一般過(guò)程為：

⑴根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)（如誤碼率、誤幀率）的要求確定優(yōu)化準(zhǔn)則（代價(jià)函數(shù)），一般這是權(quán)重矢量與一些參數(shù)的函數(shù)；

⑵采用一定的方法獲得需要的參數(shù)；

⑶選用一定的算法求解該優(yōu)化準(zhǔn)則下的最佳解，得到權(quán)重矢量的值。

可以發(fā)現(xiàn)，由于通信環(huán)境復(fù)雜，上述過(guò)程的每一階段都可有不同的實(shí)現(xiàn)方案，因此產(chǎn)生了大量的波束賦形算法，如何衡量和比較其性能也成為波束賦形技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。

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。通常可以依據(jù)的分類有，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，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)化類和自適應(yīng)濾波器類；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。

三、 相關(guān)技術(shù)

波束賦形直接建立在信道參量的基礎(chǔ)上，因此無(wú)線移動(dòng)信道的建模與估計(jì)是波束賦形技術(shù)的基礎(chǔ)，無(wú)論是算法描述還是算法性能分析以及仿真都必須依賴這一基石。另外，根據(jù)無(wú)線傳播理論和對(duì)各種通信環(huán)境的實(shí)際測(cè)量建立合理的無(wú)線移動(dòng)信道模型，可以降低波束賦形算法對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，是在較小的系統(tǒng)復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)的波束賦形算法的一種途徑。

上行波束賦形與用戶信號(hào)檢測(cè)有密切的關(guān)系，在基于CDMA的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，波束賦形可結(jié)合各種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，尤其是多用戶檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合檢測(cè)，這也是波束賦形實(shí)用化研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。下行波束賦形與功率分配存在一定的關(guān)系，一般希望使用波束賦形實(shí)現(xiàn)對(duì)于同信道用戶的空域（角度域）分辨，而由功率控制技術(shù)進(jìn)一步克服位于同一方向的同信道用戶之間的相互干擾，這涉及到上層的控制與分配，并與多種信令過(guò)程有關(guān)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

綜上所述，智能天線技術(shù)可充分利用無(wú)線資源的空間可分隔性，提高無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線資源的利用率，并從根本上提高系統(tǒng)容量。波束賦形技術(shù)作為智能天線數(shù)字信號(hào)處理部分的核心，雖然在理論和實(shí)際兩方面都已進(jìn)行了大量的研究，但在其表述、數(shù)學(xué)解法、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及與其他相關(guān)技術(shù)的結(jié)合使用乃至融合方面仍有大量問(wèn)題有待解決。但可以肯定，隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)制造技術(shù)的進(jìn)步，智能天線的SDMA方案最終將大大改善實(shí)際系統(tǒng)的性能。