| 摘 要:首先介绍了近年来智能天线的大体研究现状,对在该领域开展研究较早且较成熟的日本和欧洲进行了重点介绍。随后从模拟与数字智能天线、单RF通道与多RF通道智能天线以及普通智能天线与M IMO三个角度,结合相应的技术方案对不同技术类型各自的特点和优缺点进行了比较。最后,讨论了智能天线应用于移动通信的优势,着重介绍了日本ATR研究所研制的可用于移动终端的ESPAR天线。
关键词:智能天线; 移动通信; ESPAR;数字波束形成;自适应天线
引言
智能天线是能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。通信系统中,采用智能天线的目的主要有以下3点: ①通过提供最佳增益来增强接收信号; ②通过控制天线零点来抑制干扰; ③利用空间信息增大信道容量。
最早的智能天线是出现在20世纪50年代的旁瓣对消天线,这种天线包含一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线,如图1所示。将几个这样的环路组合成阵列天线,就构成自适应天线。
随着阵列信号处理技术的发展,与智能天线有关的术语也越来越多。智能天线( intelligent antenna) 、相控阵(phased arrays) 、空分多址( SDMA) 、空间处理( spatial p rocessing) 、数字波束形成( digitalbeamforming) 、自适应天线系统( adap tive antennasystem)等不同的说法,反映了智能天线系统技术的多个不同的方面[ 3 ] 。但总的来说,智能天线主要包含两类:开关波束系统和自适应阵列系统。两者中,只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时,识别、跟踪和最小化干扰信号。
智能天线研究的发展现状
早期智能天线的研究主要集中在军事领域,尤其是雷达领域,目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后,智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者,日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划,这也为智能天线的迅猛发展奠定了基础。
日本的智能天线发展
日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年,研究人员已经指出基于最小均方误差(MMSE)准则的自适应天线能够减小多径衰落 ,因而可以用于高速移动通信应用中。自此,日本学者展开了大量的针对移动通信环境的智能天线研究,包括自适应处理算法、数字波束形成方案、WCDMA中的多址干扰抑制方法,以及基站和移动终端上分别适用的智能天线类型等等。其中,较早的有日本邮政电信部通信研究实验室的智能天线系统和NTT - DoCoMo 公司研制的用于3G的UMTSW - CDMA体制的智能天线实验系统。前者工作于1. 5 GHz,针对TDMA方式采用GMSK调制,数码率可达256 kbp s。系统利用4阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落,权值更新采用恒模算法(CMA) 。在东京进行的实验表明自适应天线技术在无线高速数据传输和存在选择衰落的情况下仍能很好地对消多径时延信号。后者则采用2D- RAKE接收机结合最小均方误差(MMSE)自适应波束形成算法进行处理。实验系统有3个小区基站用以评估切换和其他的网络功能。实验结果表明,就平均误码率(BER)而言,智能天线比空间分集有明显改善。
此外,日本ATR光电通信研究所也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. 545 GHz。阵元组件接收信号在经过低噪声放大、下变频和模数变换后,进行快速傅氏变换( FFT)处理,形成正交波束后,分别采用恒模算法(CMA)或最大比值合并分集(MRC)算法。野外移动试验确认了采用恒模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可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。
在此基础上,ATR的研究人员提出了如图2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。
随后,ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨,最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合,在天线处实现了空间滤波。本文将在第4节讨论该天线。
欧洲的智能天线发展
欧洲通信委员会(CEC)在RACE (Research intoAdvanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究, 称为TSUNAM I ( TheTechnology in Smart Antennas for Universal AdvancedMobile 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8个阵元组成,射频工作频率为1. 89 GHz,阵元间距可调,阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型3 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。系统评估了识别信号到达方向的基于MU-SIC算法的空间参考自适应波束, 和基于NLMS(Normalized LeastMean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法的时间参考自适应波束。
实验系统验证了智能天线的功能,在2个用户4个空间信道(包括上行和下行链路)下,试验系统的误码率(BER)优于10- 3。实验评测了采用MU-SIC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,而市区环境则更适合采用简单的直线阵。
此后,欧洲通信委员会(CEC)又在ACTS (Advanced Communication Technologies and Services) 计划中继续进行了第二阶段智能天线技术研究,即TSUNAM I Ⅱ,旨在考察第三代移动通信中采用智能天线系统的可行性和具体优势 。项目组利用Orange PCS公司位于英国Bristrol的第二代DCS1800测试网络作为搭建实验平台的基础,在1998年1月到5月间进行了大量宏蜂窝和微蜂窝的实验,用以验证智能天线系统在商用网络中的工作情况。基站处不但设置了一套收发两用的智能天线系统,还保留了一套标准的扇型天线系统。通过对两套系统收发性能的比较,证实了实际的智能天线方向图与理论方向图的一致性,实际所能达到的干扰抑制能力与理想的干扰抑制能力相差通常在2 dB 以内。实验结果同时也说明,智能天线系统在郊区宏蜂窝环境下的干扰抑制水平比较理想,而在市区微蜂窝环境下的干扰抑制能力则与环境杂波有关。
其他国家的智能天线发展
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司也研制出应用于无线本地环路(WLL)的智能天线系统。该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4倍。此外, ArrayComm公司还研制出用于GSM、PHS和无线本地环路的IntelliCell天线,目前,该天线已经在全球多个国家投入实用。
除ArrayComm以外,美国Metawave公司、Raython公司以及瑞典Ericsson公司都有各自的智能天线产品,这些智能天线系统都是针对移动通信开发的,用于GSM、TDMA或者CDMA。
由我国提出的具有自主知识产权的3G标准之一——TD - SCDMA之中就明确规定要采用智能天线。大唐电信与西安海天天线合作开发的“TD -SCDMA移动通信智能天线系统”项目是西安市2002年重点建设项目之一,项目总投资14 940 万元,正在取得阶段性成果,多套初步成型的天线产品正在紧锣密鼓的测试之中。中山宇通通信设备有限公司也已经研制出一系列适用于TD - SCDMA 或SCDMA的定向和全向智能天线,其定向TD - SCDMA天线阵已经进入国家MTnet第二阶段测试网测试,结果表明,该天线阵性能卓越,完全符合TD -SCDMA系统要求。在WCDMA和CDMA2000标准中也已经将智能天线的应用作为下一阶段的发展目标,目前中兴、华为已经证实了在下一代WCDMAR5 /R6标准的套片开发中将全面支持智能天线技术。
从多角度看智能天线技术
随着智能天线技术的日趋成熟,其技术种类也开始分化,以下我们将从各种不同的技术角度来进行讨论。
模拟和数字智能天线技术
首先,从大的技术类别来讲,智能天线技术可分为模拟智能天线技术和数字智能天线技术。通常我们所讲的智能天线都是与软件无线电联系在一起的数字智能天线技术,而实际上早期的相控阵天线与较新的ESPAR天线都采用了模拟智能天线技术。
模拟智能天线技术是指那些无需对射频或变至中频或基带的模拟信号进行模数转换和数字处理,而直接对接收到的模拟信号操作,实现智能天线的功用。这类天线通常比较简单,易于实现,成本也较低。但由于没有将模拟信号数字化,因而很多数字域的信号处理方法都无用武之地,限制了信号处理的可能手段。
数字智能天线技术则指在射频或中频将模拟信号数字化,然后利用丰富的数字信号处理理论和发达的集成电路技术造就的DSP、FPGA或ASIC实现快速的数字波束形成(DigitalBeam Forming, DBF) 。
常用的波束形成算法主要有2种:非盲波束形成算法和盲波束形成算法。非盲波束形成算法通过发送参考信号或训练序列来确定信道响应,然后根据一定的准则调整权值,常用的准则有MMSE (最小均方误差) 、LMS (最小均方) 和RLS (递归最小二乘)等。而盲波束形成算法又分为2种,一种是依赖于波达方向(DOA)估计的盲波束形成算法,通过对接收到的阵列矢量信号的协方差矩阵进行分析,从而估计期望信源的方向。如MUSIC (Multip le Signal Classification)法和ESPR IT( Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法,两者均属于特征结构的子空间法,利用在阵元个数超过信源个数时,阵列数据的信号分量所在的低秩子空间能够唯一确定信号的波达方向的原理,通过奇异值分解精确确定波达方向。
另一种则是利用信道的信号处理模型和/或信号的性质估计期望信号方向向量的盲波束形成算法,如利用通信信号恒模特性的恒模算法和利用信号循环平稳性的盲处理算法。前者要求确知天线的阵列流形,而且其应用效果与信道条件关系很大,通常要求每个信号只能有几个清晰的传输路径;后者则与信道的空间性质或天线的阵列校正无关。
多RF通道技术和单RF通道技术
现代阵列信号处理多发生在中频( IF)或基带,因此天线和IF或基带之间信号幅度和相位的传递就要求十分准确。于是传统阵列接收机都要求为每一个天线单元分配一个单独的射频(RF)通道,这就是多RF通道技术。采用多RF通道技术构造的智能天线系统结构虽然看似简单明了,但随着智能天线实用化需求的呼声越来越高,这种技术带来的问题也日益明显:
(1) 一个N单元的天线阵需要N个RF通道,因此,硬件复杂度和功耗大约是单天线系统的N倍;
(2) 系统成本高;
(3) 多天线单元加多RF通道必然需要多馈线,也必然增大RF电路的复杂度,从而更容易引入噪声;
(4) 难以实现小型化和集成。
而这些缺陷正是智能天线系统实用化过程中存在的最大障碍。为了解决这些问题,缩减RF通道个数的技术开始展现其优势。
本文将详细介绍的ESPAR天线采用单有源阵子和多无源阵子结合的方式构成阵列天线,每个无源阵子下接一个可调电阻。改变每个阵子下接电阻的值就可改变每个天线阵子上的信号相位,从而利用天线阵子之间的互耦改变空间混合信号,也就是改变天线方向图。由于N 个阵元中,只有中心阵元是有源阵子,所以只需要一个RF通道。
日本横滨国立大学工程系的师生们则提出了“跳空”( space hopp ing)这一概念,即对阵列天线中N个阵元接收到的信号进行不同的时间延迟Td ,然后根据延迟时间的由短到长的顺序,对每一路天线阵元的接收信号顺序切换,以保证N路接收信号经过切换控制电路后连续进入系统唯一的RF通道,如图3所示。阵列中各天线单元等距排列,距离在λ/4到λ/2 之间。如果阵元切换的速度高于接收信号的符号速率, 就叫做“快跳空”( fast spacehopp ing) , 反之, 则叫做“慢跳空”( slow spacehopp ing) 。设每个阵元切换所需时间为t,则“快跳空”时,所有N 个天线阵元全部接通一次所需的时间T ( T =N ×t)恰好等于接收信号的符号周期Ts。这样,第k个天线单元接收信号后需要的延迟时间Td = k ×Ts/N。天线单元切换电路所需的定时信号由早先捕获的符号定时信息控制,以保证顺序进入RF通道的各天线阵元的接收信号是同一时刻的接收信号,从而保证数字信号处理单元能够正常完成数字波束形成。
“跳空”方法在实施之前,需要系统先获得接收信号的符号定时信息,而且 | 
