智能天線波束賦形技術(shù)

　　本文對于智能天線技術(shù)信號處理領(lǐng)域內(nèi)的波束賦形技術(shù)的相關(guān)研究作一個總結(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)問題，并通過對現(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)

　　在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，由于用戶通常分布在各個方向，加之無線移動信道的多徑效應(yīng)，有用信號存在一定的空間分布。其一，當(dāng)基站接收信號時，來自各個用戶的有用信號到達基站的方向可能不同，且信號與其到達角度之間存在復(fù)雜的依賴關(guān)系;其二，當(dāng)基站發(fā)射信號時，可被用戶有效接收的也只是部分的信號?？紤]到這一因素，調(diào)整天線方向圖使其能實現(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源。

　　隨著信號處理，尤其是數(shù)字信號處理芯片的普及以及算法的發(fā)展，原來必須依靠射頻硬件實現(xiàn)的波束賦形轉(zhuǎn)為使用中頻或者基帶的數(shù)字信號處理來實現(xiàn)。在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，又進一步出現(xiàn)了智能天線的概念。智能天線的目標(biāo)是能根據(jù)實際信道情況實時調(diào)整自身參數(shù)，有效追蹤多個用戶，在系統(tǒng)中實現(xiàn)空分多址(SDMA)。智能天線一般由射頻部分的無線信號接收發(fā)射，A/D、D/A轉(zhuǎn)換，以及基帶(或者中頻)部分的數(shù)字信號處理組成。傳統(tǒng)意義上的波束賦形與多種信號處理方法融合，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)天線陣列的信號處理相關(guān)的文獻中，波束賦形特指根據(jù)參數(shù)計算最優(yōu)權(quán)重矢量的過程;而在其他場合有時特指嚴格意義上的空域波束賦形，有時則泛指根據(jù)測量以及估算參量進行數(shù)字信號處理(可包括時域和空域)的過程。本文取波束賦形的一般含義，即根據(jù)測量以及估算參數(shù)，實現(xiàn)信號最優(yōu)(次優(yōu))組合或者最優(yōu)(次優(yōu))分配的過程。

　　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)，形成對基帶(中頻)信號的最佳組合或者分配。具體地說，其主要任務(wù)是補償無線傳播過程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號衰落與失真，同時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，而后才可能根據(jù)系統(tǒng)性能要求，將信號的組合或分配表述為一個數(shù)學(xué)問題，尋求其最優(yōu)解。

　　1. 系統(tǒng)模型

　　根據(jù)應(yīng)用場合的不同，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。無論是哪種情況，總可以用一個時變矢量(MIMO)信道來描述用戶端與基站端的信號關(guān)系，如圖2所示。對于上行鏈路，多個發(fā)射信號實質(zhì)上是K個用戶設(shè)備同時發(fā)送的信號，基站則使用多個天線單元接收信號，對其進行處理和檢測，這時發(fā)送端的信號分配僅在各個支路分別進行;對于下行鏈路，基站仍可能使用多個天線單元向特定用戶發(fā)射信號，但用戶設(shè)備使用單天線檢測與其有關(guān)的信號，這時接收部分降為一維，信號組合也僅對于單路信號進行。

　　通常根據(jù)研究重點的不同，對于原始信號以及實際接收信號的位置會有不同的定義。對于波束賦形技術(shù)，一般其研究的范圍從發(fā)送端擴譜與調(diào)制單元的輸出端，到接收端解擴與解調(diào)單元的輸入端，而研究過程中又常將信號分配單元輸出端到信號組合單元輸入端之間的部分合并，統(tǒng)稱為無線移動信道，由于無線移動通信環(huán)境的極度復(fù)雜，無法得到其輸入輸出關(guān)系的確切描述，一般采用大量測量和理論研究相結(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與原始信號的關(guān)系，并據(jù)此在一定程度上恢復(fù)信號。因此，波束賦形的一般過程為：

　?、鸥鶕?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(代價函數(shù))，一般這是權(quán)重矢量與一些參數(shù)的函數(shù);

　?、撇捎靡欢ǖ姆椒ǐ@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，上述過程的每一階段都可有不同的實現(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)研究的一個重要方面。