智能天線波束賦形技術(shù)

相關(guān)專題: 無(wú)線 芯片

□ 上海大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司 范柰青 馬軍


    近年來(lái)移動(dòng)通信的迅速發(fā)展以及其他無(wú)線應(yīng)用的開(kāi)發(fā)使得無(wú)線頻譜資源日趨緊張,要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量,滿足用戶數(shù)量增加和新業(yè)務(wù)開(kāi)展的需要,就必須提高系統(tǒng)頻譜的利用率。因此,如何更為有效地復(fù)用無(wú)線資源成為無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的首要問(wèn)題。智能天線技術(shù)研究了無(wú)線資源的空域可分特性,是進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量的有效途徑。本文對(duì)于智能天線技術(shù)信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)的波束賦形技術(shù)的相關(guān)研究作一個(gè)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(wèn)題,并通過(guò)對(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)中,由于用戶通常分布在各個(gè)方向,加之無(wú)線移動(dòng)信道的多徑效應(yīng),有用信號(hào)存在一定的空間分布。其一,當(dāng)基站接收信號(hào)時(shí),來(lái)自各個(gè)用戶的有用信號(hào)到達(dá)基站的方向可能不同,且信號(hào)與其到達(dá)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(hào)時(shí),可被用戶有效接收的也只是部分的信號(hào)。考慮到這一因素,調(diào)整天線方向圖使其能實(shí)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(lái)源。

    隨著信號(hào)處理,尤其是數(shù)字信號(hào)處理芯片的普及以及算法的發(fā)展,原來(lái)必須依靠射頻硬件實(shí)現(xiàn)的波束賦形轉(zhuǎn)為使用中頻或者基帶的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這一基礎(chǔ)上,結(jié)合無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展,又進(jìn)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(shí)際信道情況實(shí)時(shí)調(diào)整自身參數(shù),有效追蹤多個(gè)用戶,在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA)。智能天線一般由射頻部分的無(wú)線信號(hào)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(hào)處理組成。傳統(tǒng)意義上的波束賦形與多種信號(hào)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(hào)處理相關(guān)的文獻(xiàn)中,波束賦形特指根據(jù)參數(shù)計(jì)算最優(yōu)權(quán)重矢量的過(guò)程;而在其他場(chǎng)合有時(shí)特指嚴(yán)格意義上的空域波束賦形,有時(shí)則泛指根據(jù)測(cè)量以及估算參量進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理(可包括時(shí)域和空域)的過(guò)程。本文取波束賦形的一般含義,即根據(jù)測(cè)量以及估算參數(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)最優(yōu)(次優(yōu))組合或者最優(yōu)(次優(yōu))分配的過(guò)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(duì)基帶(中頻)信號(hào)的最佳組合或者分配。具體地說(shuō),其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真,同時(shí)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(hào),而后才可能根據(jù)系統(tǒng)性能要求,將信號(hào)的組合或分配表述為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題,尋求其最優(yōu)解。

    1. 系統(tǒng)模型

    根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(wú)論是哪種情況,總可以用一個(gè)時(shí)變矢量(MIMO)信道來(lái)描述用戶端與基站端的信號(hào)關(guān)系,如圖2所示。對(duì)于上行鏈路,多個(gè)發(fā)射信號(hào)實(shí)質(zhì)上是K個(gè)用戶設(shè)備同時(shí)發(fā)送的信號(hào),基站則使用多個(gè)天線單元接收信號(hào),對(duì)其進(jìn)行處理和檢測(cè),這時(shí)發(fā)送端的信號(hào)分配僅在各個(gè)支路分別進(jìn)行;對(duì)于下行鏈路,基站仍可能使用多個(gè)天線單元向特定用戶發(fā)射信號(hào),但用戶設(shè)備使用單天線檢測(cè)與其有關(guān)的信號(hào),這時(shí)接收部分降為一維,信號(hào)組合也僅對(duì)于單路信號(hào)進(jìn)行。

    根據(jù)圖2的系統(tǒng)模型,就可以描述發(fā)送端的原始信號(hào)與接收端實(shí)際接收信號(hào)之間的關(guān)系,通常根據(jù)研究重點(diǎn)的不同,對(duì)于原始信號(hào)以及實(shí)際接收信號(hào)的位置會(huì)有不同的定義。對(duì)于波束賦形技術(shù),一般其研究的范圍從發(fā)送端擴(kuò)譜與調(diào)制單元的輸出端,到接收端解擴(kuò)與解調(diào)單元的輸入端,而研究過(guò)程中又常將信號(hào)分配單元輸出端到信號(hào)組合單元輸入端之間的部分合并,統(tǒng)稱為無(wú)線移動(dòng)信道,由于無(wú)線移動(dòng)通信環(huán)境的極度復(fù)雜,無(wú)法得到其輸入輸出關(guān)系的確切描述,一般采用大量測(cè)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(hào)與原始信號(hào)的關(guān)系,并據(jù)此在一定程度上恢復(fù)信號(hào)。因此,波束賦形的一般過(guò)程為:


    ⑴根據(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(jià)函數(shù)),一般這是權(quán)重矢量與一些參數(shù)的函數(shù);

    ⑵采用一定的方法獲得需要的參數(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(guò)程的每一階段都可有不同的實(shí)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(gè)重要方面。

    2. 波束賦形算法的性能

    由于波束賦形技術(shù)建立在通信環(huán)境模型以及系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,因此在考察波束賦形算法的性能時(shí),要考慮到環(huán)境因素的影響以及其對(duì)于系統(tǒng)的要求,以便于得到更符合實(shí)際需要的性能估計(jì)。綜合各種因素,一般可以從以下幾個(gè)方面考察波束賦形算法的性能。


    ⑴算法運(yùn)算性能:這主要包括算法的收斂速度、復(fù)雜程度、精度、穩(wěn)定性以及對(duì)誤差的正確判斷性等。前四項(xiàng)指標(biāo)是常見(jiàn)的衡量算法性能的指標(biāo),而最后一項(xiàng)在智能天線應(yīng)用領(lǐng)域有特別的意義。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,由于天線規(guī)模等實(shí)際條件的限制以及移動(dòng)無(wú)線信道復(fù)雜情況的影響,對(duì)波達(dá)方向的測(cè)量估計(jì)誤差較大,因此對(duì)于采用基于波達(dá)方向估計(jì)的波束賦形算法,能否降低其對(duì)誤差的敏感度就顯得十分重要,尤其是在下行鏈路中,一旦發(fā)生較大的指向偏差,不僅會(huì)使得目標(biāo)用戶無(wú)法獲得一定質(zhì)量的信號(hào),還可能會(huì)帶來(lái)對(duì)其他用戶的干擾,從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。


    ⑵算法的測(cè)量要求:主要包括算法需要了解的信道特征參量的種類和數(shù)量以及是否需要提供參考信號(hào)等。信道特征參量的種類可以包括多普勒頻移、入射信號(hào)的角度分布以及相應(yīng)的時(shí)延分布等;而數(shù)量則是指需要了解的信道的數(shù)量,如在了解天線與目標(biāo)用戶間信道的同時(shí)是否需要了解天線與其他非目標(biāo)用戶(干擾源)之間的信道參量等。通過(guò)預(yù)定義的參考信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)是一種常用的方法,不同的算法對(duì)是否需要參考信號(hào)以及對(duì)參考信號(hào)長(zhǎng)度等參數(shù)會(huì)有不同的要求。⑶算法對(duì)系統(tǒng)的其他要求:主要包括達(dá)到一定性能需要的天線單元數(shù)目、是否有對(duì)傳輸協(xié)議的額外要求(如是否需要反饋鏈路)、是否對(duì)輸入信號(hào)有一定的要求(如是否為恒包絡(luò)的調(diào)制信號(hào))等。

    3. 波束賦形技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

    波束賦形技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,出現(xiàn)了大量的具體技術(shù),其命名、分類并不完全統(tǒng)一,加之近年來(lái)與其他技術(shù)(如聯(lián)合檢測(cè)、功率控制等)的結(jié)合乃至融合,使得相關(guān)的具體技術(shù)更顯紛繁復(fù)雜。通?梢砸罁(jù)的分類有,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同將波束賦形技術(shù)分為上行鏈路波束賦形和下行鏈路波束賦形;根據(jù)其所使用的信道特征參量的種類,可分為使用信道空域參量的技術(shù)和使用信道空時(shí)域參量的技術(shù);根據(jù)不同的波束賦形技術(shù)對(duì)于問(wèn)題采用的描述方法,可分為優(yōu)化類和自適應(yīng)濾波器類;根據(jù)波束賦形技術(shù)計(jì)算使用的方法可分為線性算法和非線性算法。


    對(duì)于上行鏈路,由于可以獲得可靠的信道實(shí)時(shí)估計(jì),因此可以采用信道的空時(shí)域參量進(jìn)行波束賦形,以提高上行鏈路性能。針對(duì)移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng),尤其是CDMA系統(tǒng)的實(shí)際情況,上行鏈路的波束賦形可以結(jié)合信號(hào)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)多用戶的聯(lián)合檢測(cè)。但是應(yīng)用這一方法存在以下兩個(gè)問(wèn)題:算法要求測(cè)量所有信道的空時(shí)域參數(shù),且測(cè)量要求高(除了盲檢測(cè)算法,大部分算法需要使用訓(xùn)練序列,并要求在獲得同步以后進(jìn)行測(cè)量);計(jì)算過(guò)于復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn),尤其是針對(duì)多用戶的方案。實(shí)際可采用的方法有:采用性能次優(yōu)但較為簡(jiǎn)單的方法;設(shè)計(jì)便于并行運(yùn)算的結(jié)構(gòu),以硬件代價(jià)滿足運(yùn)算時(shí)間方面的要求;或者結(jié)合兩種方法。其中,通過(guò)有限度降低算法性能提高算法可實(shí)現(xiàn)性的具體方法包括:減少計(jì)算需要的參量;減少計(jì)算的維數(shù)(如使用訓(xùn)練序列進(jìn)行初始化,或者分解全局優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)榛ゲ幌嚓P(guān)的局部?jī)?yōu)化問(wèn)題的疊加);選擇計(jì)算復(fù)雜度較低的計(jì)算方法等。在保證性能的前提下進(jìn)一步降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度主要依賴于使用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的處理單元,根據(jù)傳統(tǒng)的均衡和檢測(cè)領(lǐng)域的研究,非線性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法可以大大降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度,目前對(duì)判決反饋結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在波束賦形領(lǐng)域的應(yīng)用已有初步研究。


    對(duì)于下行鏈路,由于條件限制很難在下行鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)于信道的可靠實(shí)時(shí)估計(jì)。對(duì)于TDD模式的系統(tǒng),在上下行信道間隔時(shí)隙很小的條件下,可以近似認(rèn)為信道未發(fā)生變化,從而可以在下行鏈路使用由上行數(shù)據(jù)獲得的信道空時(shí)域參數(shù)的估計(jì)值,甚至可以直接使用上行波束賦形的數(shù)據(jù)。但是對(duì)于FDD系統(tǒng),則一般無(wú)法滿足上下行信道頻率間隔足夠小的要求使得兩者的變化強(qiáng)相關(guān),因此如果不使用反饋回路獲取移動(dòng)站的測(cè)量數(shù)據(jù),僅可根據(jù)上行數(shù)據(jù)獲得一些與頻率變化無(wú)關(guān)或者弱相關(guān)的信道參量,這包括信道的空域參量以及空時(shí)域參量的平均值等。其中使用空時(shí)域參量平均估計(jì)值的方法原理上同使用空時(shí)域信道參量的方法并無(wú)區(qū)別,只是由于缺乏對(duì)于信道狀況的實(shí)時(shí)跟蹤,性能會(huì)有所下降。而僅依賴信道空域參量的算法則符合波束賦形的傳統(tǒng)含義,即使基站實(shí)現(xiàn)下行指向性發(fā)射。


    僅依賴信道空域參量的算法需要了解目標(biāo)移動(dòng)站與基站的相對(duì)位置,為了抑制同信道用戶間的干擾可能還需要了解同信道移動(dòng)站與基站的相對(duì)位置。這些信息可以由上行信道數(shù)據(jù)得到,即根據(jù)上行數(shù)據(jù)對(duì)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì),因此這種算法又可稱為基于DoA估計(jì)的算法,由于使用的信息可以認(rèn)為與上下行信道載頻無(wú)關(guān),因此可以適用于TDD或者FDD模式的系統(tǒng)。這類算法的主要局限在于較大的DoA估計(jì)誤差以及天線單元數(shù)限制了算法的性能,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)性能并不理想。一般,為了減小天線增益凹陷的指向偏差,必須配合使用凹陷點(diǎn)展寬(Null
Broadening)技術(shù),即在計(jì)算所得的凹陷點(diǎn)附近形成凹陷區(qū),確保對(duì)其他用戶的干擾降低到最小的程度。

    目前,由于上行波束賦形技術(shù)的發(fā)展,下行鏈路性能成為提高系統(tǒng)性能的瓶頸,因此迫切需要有效的方法。在可以獲得可靠的空時(shí)域參量的條件下(TDD模式的系統(tǒng),或者使用反饋鏈路的系統(tǒng)),可以應(yīng)用空時(shí)處理方法,但是在具體的表述、算法的實(shí)現(xiàn)等方面仍需進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。如果無(wú)法獲得可靠的空時(shí)域參量(不采用反饋鏈路的FDD模式的系統(tǒng)),那么基于DoA估計(jì)的算法應(yīng)該是最終的解決方案,但是目前的估計(jì)精度很難滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要,必須發(fā)展對(duì)估計(jì)誤差不敏感的波束賦形算法。

    三、 相關(guān)技術(shù)

    波束賦形直接建立在信道參量的基礎(chǔ)上,因此無(wú)線移動(dòng)信道的建模與估計(jì)是波束賦形技術(shù)的基礎(chǔ),無(wú)論是算法描述還是算法性能分析以及仿真都必須依賴這一基石。另外,根據(jù)無(wú)線傳播理論和對(duì)各種通信環(huán)境的實(shí)際測(cè)量建立合理的無(wú)線移動(dòng)信道模型,可以降低波束賦形算法對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求,是在較小的系統(tǒng)復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)的波束賦形算法的一種途徑。

    上行波束賦形與用戶信號(hào)檢測(cè)有密切的關(guān)系,在基于CDMA的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中,波束賦形可結(jié)合各種信號(hào)檢測(cè)技術(shù),尤其是多用戶檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)聯(lián)合檢測(cè),這也是波束賦形實(shí)用化研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。下行波束賦形與功率分配存在一定的關(guān)系,一般希望使用波束賦形實(shí)現(xiàn)對(duì)于同信道用戶的空域(角度域)分辨,而由功率控制技術(shù)進(jìn)一步克服位于同一方向的同信道用戶之間的相互干擾,這涉及到上層的控制與分配,并與多種信令過(guò)程有關(guān),需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。


    綜上所述,智能天線技術(shù)可充分利用無(wú)線資源的空間可分隔性,提高無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線資源的利用率,并從根本上提高系統(tǒng)容量。波束賦形技術(shù)作為智能天線數(shù)字信號(hào)處理部分的核心,雖然在理論和實(shí)際兩方面都已進(jìn)行了大量的研究,但在其表述、數(shù)學(xué)解法、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及與其他相關(guān)技術(shù)的結(jié)合使用乃至融合方面仍有大量問(wèn)題有待解決。但可以肯定,隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)制造技術(shù)的進(jìn)步,智能天線的SDMA方案最終將大大改善實(shí)際系統(tǒng)的性能。

摘自《通信世界》

   

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