基于软件无线电的智能天线技术

熊建云

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628017）

0 引言

随着信息化社会的发展，移动通信频谱资源日益紧张，如何消除多址干扰、共信道干扰以及多径衰落的影响成为提高无线通信系统性能时要考虑的主要因素。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。

1 智能天线的基本概念

智能天线是基于自适应天线阵列原理，利用天线阵波束成形技术，使天线阵的波束指向能跟踪期望信号的天线，是软件无线电技术与数字多波束技术相结合的产物。智能天线采用空分多址技术(SCDMA),利用信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。

智能天线有波束转换智能天线和自适应智能天线两类。波束转换天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应就是指天线阵列接收到的信号，经过自适应算法的处理，能够按照某一确定的准则调整天线阵列的权值，从而在期望的信号方向形成高的接收/发射增益，在干扰信号方向形成“零陷”或低的发射增益，并且随着用户的移动和信道的变化，能够自动调整天线阵列的权值，使高增益波束始终对准期望信号。

2 基于软件无线电的智能天线结构

基于软件无线电的智能天线具有自动地适应环境变化，增强系统有用信息的检测能力，优化天线方向图，并能有效地跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声，从而保持系统性能在某种准则下处于最佳状态。使用软件设计完成自适应算法更新，可以在不改变硬件配置前提下增加系统的灵活性。基于软件无线电的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。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。智能天线的典型结构如图1所示，主要由天线阵列、射频前端、A/D转换器、自适应信号处理器和接口电路等组成。当系统处于接收状态时，由各个天线单元接收到的信号，首先经过射频前端进行滤波、放大、下变频等处理后，再进行A/D变换，送入自适应信号处理器与一组复加权系数进行加权处理（实现接收信号与权矢量之间的内积运算），从而产生波束输出。

图1 智能天线的结构

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。

3 智能天线的基本算法

智能天线所处理的信号是在时域、频域上完全重叠，只在空域上分离(来自不同方向)的多路信号，智能天线所起的作用实质上就是—个空域滤波器。自适应波束形成算法是将天线与数字处理技术相结合，利用空间特性来改进接收系统输出信噪比，通过软件编程在自适应信号处理器上实现的。它不用对硬件做任何操作，只需要通过修改软件，就可以方便新系统，以适应不同环境和不同场合的要求。采用自适应波束形成技术的智能天线可通过自适应算法调整权值，任意改变方向图，在有用信号方向形成主波束，而在其它用户方向增益较低或零陷，减少了其它用户所引起的多址干扰，同时还可以降低接收信号的衰落程序，提高系统性能。

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，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。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。

4 结束语

基于软件无线电的智能天线具有自动地适应环境变化，增强系统有用信息的检测能力,同时不需要对硬件组态进行任何改变，所以系统具有易维护、易应用的操作环境，可以提高系统的运用弹性和扩充能力。将智能天线用于移动通信系统，可增大信道容量，提高系统可靠性，扩大基站覆盖范围、降低邻道干扰等。但是智能天线引入使得对元器件性能要求更高，增加系统的复杂性以及波束赋形的性能导致移动速度受限等。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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