智能天线技术及其发展

　　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。

图1:用于旁瓣对消的单Howells-Applebaum环路

　　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。

图2基于环境选择算法的智能天线概念

　　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。

图3：“跳空”单RF通道方案的框图

 　　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,由于该系统中并没有考虑将接收系统的时钟与发射时钟同步,所以每隔一段时间之后,接收系统还必须暂停“跳空”操作,再 次捕捉接收信号的符号定时信息,以保证接下来的“跳空”能够正常进行。整个符号定时信息的捕获过程见图4。

图4：“跳空”方案的符号定时信息捕获过程

　　实验证明,采用这种方案的单RF通道阵列天线系统的误码率可以接近传统的多RF通道方案。但这种方案的局限性是它无法保留所有原始信号的信息,因而只适用于短距瑞利多径衰落环境,并且天线上需要复杂的定时控制单元和可变延迟线,实际中并不容易实现。

　　此外,另一种单RF通道的智能天线接收机阵列采用一种本地阵元的空间复用方案( SpatialMultip lexing of Local Elements, SM ILE) ,利用可高速开关的P IN二极管,以高于信号带宽的速度顺序开关每一个天线阵元。这一过程等效于利用脉冲序列对天线接收到的已调载波进行采样。然后,再通过一种类似通信中TDMA 的方式将不同阵元所得的空间采样信号复接起来,通过单馈线输出,进入系统唯一的射频电路通道。这一组合信号经过放大和下变频,在IF或基带被解复,还原为每个天线单元的原始信号。接着,就可以对这个还原后的阵列信号进行采样和数字域的处理,实现数字波束形成。以4单元天线阵为例的系统框图见图5。

图5：SMLE单RF通道智能天线系统框图

　　根据奈奎斯特采样定律,解复后的阵列信号经过低通滤波之后,相对于天线处的原始信号,不会丢失信息。这种单RF通道智能天线不但大大降低了RF电路的复杂度,也降低了整个系统的功耗并减小了系统的电路体积,从而推进了智能天线阵的实用化进程。但在微波网络中进行采样仍然存在问题,因为系统在对不同的天线阵元进行切换时,接收机和天线之间的阻抗匹配特性会发生变化,所以,馈电网络的设计必须十分仔细。

　　普通智能天线技术和多入多出(MIMO )技术

　　普通智能天线技术指的就是前文谈到的诸多智能天线技术,这些技术有一个共同的特点,那就是只在通信系统的一端进行智能天线设计,另一端则并未予以考虑。这样的智能天线系统利用空分复用原理,对时分复用和频分复用是一种十分有效的补充,大大提高了信道容量。

　　然而随后出现的MIMO (多入多出)技术则又更进一步,通过增加空间维数来增大系统容量。MIMO智能天线在发射端和接收端均采用多天线(或天线阵) ,见图6。假设发端有N个天线单元,收端有M个天线单元。信息流经过空时编码形成N个信息子流,再经由N个发射天线发射出去。接收端M个接收天线同时接收这N个信息子流,然后利用空时解码将这N个信息子流分离开来。M IMO的特点就在于,通过先进的空时编、解码处理,可实现各发射天线和接收天线之间的通道响应相互独立。于是,多发射天线和多接收天线之间就建立起多个共用同一频带的并行的空间通道,每个通道可以独立地传输信息。因此,多入多出智能天线能够在不增加带宽的情况下,成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

图6：MMO系统框图

　　假设收发天线之间的信道均为相互独立的瑞利衰落信道,并假设M、N均较大,那么信道容量可近似为C = [min (M,N) ) ]B log2 (ρ/2) 。其中,B为信号带宽,ρ为接收端的平均信噪比。由该式可以看出,当功率和带宽固定时,M IMO系统的最大容量随较少一端天线数的增加而线性增加。而同样条件下的普通智能天线系统的容量,则只随天线个数的对数增加。比较而言,M IMO技术在增大系统容量方面的潜力就更加明显。

　　应用于移动通信的智能天线

　　随着近期移动通信的飞速发展和普及,用户数量急剧膨胀,传统的时分复用、频分复用和码分复用已经渐渐难以满足需要,现有的移动通信系统急待扩充容量,于是利用空分复用( SDM)技术的智能天线便成为一个研究热点。

　　将智能天线用于移动通信可带来如下好处 :
　　
　　(1) 增大信道容量———通过空分复用来补偿时分、频分和码分的仍不能满足的对信道容量的需求;

　　(2) 提高频谱效率;

　　(3) 扩大基站覆盖范围;

　　(4) 激励多波束以便同时跟踪多个目标;

　　(5) 可对孔径抖动进行电补偿;

　　(6) 减小时延扩展;

　　(7) 减小多径效应的影响;

　　(8) 降低邻道干扰———智能天线系统应用于移动通信时最重要的性能之一就是消除邻道干扰。邻道干扰是由使用同一组信道频率的通信设备同时发射信号时产生的。而通过直接将波束对准目标信号,将波束零点对准其他接收机,这样就能降低发送模式下的邻道干扰。在接收模式下,只要已知信号源的方位,就可以使用干扰抵消策略来降低邻道干扰;

　　(9) 降低系统复杂度;

　　(10) 降低误码率;

　　(11) 降低通话中途断线的可能性。

　　根据应用环境造成的增益、波束宽度和天线尺寸要求的不同,移动通信中的智能天线主要分为基

　　站用智能天线和移动终端用智能天线。 

　　基站用智能天线

　　以往的基站天线一般采用固定波束天线,天线方向图为扇形。当移动终端位于波束边缘时,就比较容易造成断线。而基站用智能天线多采用多波束天线,这样的天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号,在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小,甚至为零。

图7：ESPAR天线原理图

　　移动终端用智能天线

　　虽然近几年国内外的智能天线研究都十分火热,但绝大多数的讨论是针对基站用智能天线进行的。因为基站用智能天线安装在移动通信的基站上,其体积受到的限制比较小,因而天线的一些机械参数,例如阵元个数、阵形安排、阵元间距及阵元尺寸等,都可以在较宽松的范围内进行设计,较易使天线达到预期的性能指标。而移动终端用智能天线的设计则相对非常困难。首先,手机的便携性限制了其体积,也就同时限制了天线的许多机械参数———阵元个数不能过多,阵元间距不能过大,阵形也受到一定限制。这就同时限制了天线的增益、指向性等性能。其次,智能天线的阵列性质使得天线后的RF处理电路很难简化,因为通常的阵列天线阵元个数就决定了RF电路的通道个数,即有N个阵元就需要N套相同的射频处理电路,而各射频通路的平衡性也很难实现,从而更加增大了中频和基带处理的难度。

　　国内外针对移动终端用智能天线所作的研究中,较突出的是日本ATR研究所研究的电激励单端口ESPAR天线,该天线巧妙利用各阵元之间的耦合,在天线上实现空间滤波,简化了RF电路。

　　ESPAR天线结构如图7所示,天线为一个7单元λ/4单极阵子的六边形阵,其中只有中心阵元是有源阵子,其他6个阵元均为无源阵子,分别下接一个可变电阻,对称分布在以中心阵子为圆心、半径为λ/4的圆周上。天线的作用原理就是通过一种自适应算法改变每个阵元下可变电阻的阻值,从而改变天线的方向图,形成对准目标的波束和对准干扰的零点。

　　ESPAR天线由于只有一个有源阵子,因而只需一个RF端口,这大大简化了整个系统所需的RF电路。同时,该天线采用了模拟方法实现波束形成,也极大地降低了天线系统的成本,为将其应用于移动通信的移动终端提供了保障。

　　但也正是由于ESPAR天线在天线处就利用耦合实现了空间滤波,中频接收到的只是单RF通道传送下来的信息,每个单元天线接收下来的信号经过混合之后,其幅度和相位信息均被丢失,故无法利用先进的矢量信号处理办法。

　　图8为ESPAR 天线的结构示意图,图9为ESPAR天线实物模型照片。

图８：单元 ESPAR天线示意图

图9：ESPAR天线实物照片

　　结语

　　随着技术的发展,智能天线已经从理论走向了实用。除了前文谈到的适用于移动通信的智能天线产品外,智能天线在宽带无线网络中也开始一展所长。美国Turbowave研制的用于Wi - Fi的右旋圆极化智能天线最大增益可达16 dB i;专门研究将智能天线集成入IC的Motia公司也推出了适用于Wi- Fi的Javelin芯片,该芯片将智能天线技术集成到2. 4 GHz无线LAN卡和接入点,摩托罗拉公司已宣布将采用Motia公司的智能天线技术扩大未来W i -Fi 设备的覆盖范围, 提高信号强度; FIDEL ITYCOMTECH公司也推出了其专利的适用于天线局域网(WLAN)的智能天线产品,并称其能在几毫秒时间内动态改变天线方向图; Vivato公司也在其802.11bWi - Fi交换机中使用了智能天线,以实现较大的室内和室外覆盖范围。

　　国内外对智能天线的研究方兴未艾,新的智能天线产品层出不穷,本文不可能一一列举。但智能天线技术的发展步伐日益加快,应用前景日益广阔却是不争的事实。相信不久的将来,不论是模拟或是数字智能天线,单RF通道或是多RF通道智能天线,普通智能天线或是多入多出智能天线,都能在市场上找到属于它们自己的舞台,让我们拭目以待。