软件无线电中的智能天线技术

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        软件无线电起源于军事通信,为了保证不同无线电台之间的互通性,使各军兵种实现高效,高可靠的协同通信,军方开始了最早的软件无线电台的研制。 随着技术的不断进步,软件无线电逐渐被民间商用移动通信领域所重视。软件无线电的核心思想是:将A/D尽可能靠近天线,用软件完成尽可能多的无线电功能。它的最终目的就是要使通信系统尽可能多的摆脱硬件结构的束缚,在系统结构相对通用和稳定的情况下,用软件实现各种功能,使得系统的改进和升级非常方便且代价较小,并且可以实现不同系统之间的互联和兼容。智能天线是软件无线电不可替代的硬件出入口,也是其关键技术之一。随着现代高速并行数字信号处理器的发展,智能天线的实现成为可能,从而也使软件无线电的应用成为现实。

    一、智能天线及其发展

      智能天线技术在20世纪60年代就已经出现,其研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的系统性能和电子对抗能力。近年来,随着微计算器和数字信号处理技术的飞速发展,DSP芯片的处理能力日益提高,且价格也逐渐能够为现代通信系统接受。另外,移动通信频谱资源日益紧张,如何消除多址干扰(MAI)、共信道干扰(CCI)以及多径衰落的影响成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素。而智能天线利用现代数字信号处理技术,选择合适的自适应算法,动态形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的。软件无线电的核心是使用高速的数字信号处理器完成中频采样之后的所有数字运算,由于DSP的可编程性,导致了软件无线电灵活的个性化配置。因此,固定的天线阵列与数字信号处理器的结合,就构成了可以动态配置天线特性的智能天线。 智能天线不同于常规的扇区天线和天线分集方法,它可以为每个用户提供一个很窄的定向波束,使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号发射功率,降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。智能天线引入了空分多址(SDMA)的概念,即在相同时隙,相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号的不同传播路径来区分。SDMA是一种新的信道增容方式,与其它多址方式(FDMA,TDMA,CDMA)完全兼容,因此可以实现组合的多址方式。

   二 智能天线的原理与功能

      智能天线也叫自适应天线,由多个天线单元组成,每一个天线后接一个复数加权器,最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理,同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网络(结构上与时域FIR均衡器相同)。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。


  假设天线满足窄带传输条件,即入射信号在天线各单元的响应输出只有相位差,且入射信号为平面波(即只有一个入射方向),则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值,一定的入射信号强度,不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同,合并器后的输出信号强度也会不同。理想情况下,我们可以做到将天线方向图主瓣对准有用信号,而把副瓣或零陷对准干扰。但实际的无线通信环境很复杂,干扰信号很多,存在多径效应,有限的自由度限制(由天线阵元数决定),有用信号和干扰信号在入射方向上只有很小的夹角等因素都使得实际情况达不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我们的最终目标。

  三、智能天线的系统组成

  智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵,阵元间距1/2波长(若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图形成不必要的栅瓣,故一般取半波长)。智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向(即DOA估计),并在此方向形成天线主波束,它根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道,等同于有线传输时的线缆,从而可以有效的抑制干扰。

  考虑到软件无线电系统要求在中频进行采样,然后用软件完成中频处理。每秒几十兆的采样速率要求DSP必须有足够快的速度完成操作。但是粗略的计算表明,即使采用最快的器件,在DSP上用软件实现下变频功能还是不现实的,因为DSP只能完成基带处理的功能。一个比较实用的方案是采用专业的可编程逻辑器件来完成高速的滤波和处理,以减轻DSP的压力。由于实时处理时对处理速度的需求很高,仅靠单DSP系统性能的提高已经不能满足要求。而并行通用浮点DSP将片间并行功能集成在单片DSP内部,可以获得很高的并行处理能力和并行效率,因此在实际系统中都是采用并行DSP阵列来提高处理能力。理论上,N个DSP并行可以提供N倍的处理能力,但在实际系统中必须在算法设计上付出很大的代价。一个好的算法应该能够尽量并行而且适合多个DSP同时实现,同时还要使得处理器之间的数据交换应尽可能少和尽可能快。

  四、智能天线采用的自适应算法和波束形成 算法

  自适应算法是智能天线研究的核心,一般分为非盲算法和盲算法两类。非盲算法是指需要借助参考信号(导频序列或导频信道)的算法,此时收端知道发送的是什么,按一定准则确定或逐渐调整权值,使智能天线输出与已知输入最大相关,常用的相关准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号,它一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征,如恒模、子空间、有限符号集、循环平稳等,并调整权值以使输出满足这种特性,常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但需浪费一定的系统资源。将二者结合产生一种半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整,这样做可综合二者的优点,同时也与实际的通信系统相一致,因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。 波束赋形的目标是根据系统性能指标,形成对基带信号的最佳组合与分配。具体说,波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落与失真,同时降低用户间的共信道干扰。软件无线电系统均采用数字方法实现波束合成,即数字波束形成(DBF),从而可以使用软件设计完成自适应算法更新,在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性,根据波束形成的不同过程,实现智能天线的方式又分为两种:阵元空间处理方式和波束空间处理方式。阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样并进行加权处理后,形成阵列输出,使天线方向图主瓣对准用户信号到达方向,天线阵列各阵元均参与自适应调整;波束空间处理方式实际上包含两级处理过程,第一级对各阵元信号进行固定加权求和,形成指向不同方向的波速率,第二级对第一级输出进行自适应加权调整并合成,此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数,而是只对部分阵元作自适应处理,它的特点是计算量小,收敛快,并且有良好的波束保形性能。

  五、结束语

  在软件无线电系统中应用智能天线技术,将会在以下方面得到性能的提高:
    (1)提高整个系统的容量;
    (2)提高频谱的利用率;
    (3)提高基站接收机灵敏度,降低基站发射功率,降低无线基站成本;
    (4)提高信噪比,改善通信质量。

  虽然智能天线技术带给软件无线电系统的优势是其它技术都难以取代的,但是它也产生一些新的问题,如:智能天线的实时自动校准和波束赋形的速度问题,以及由于智能天线的引入带来的设备复杂性问题等。因此,使用智能天线时,必须结合其它基带数字信号处理技术,如:干扰抵消、联合检测和Rake接收等。智能天线系统未来将向着数字化、集成化,适合宽带高速传输并能抑制更多个干扰的方向发展。

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