智能天線在TD—LTE中的應(yīng)用分析

　　【摘 要】文章從技術(shù)層面介紹了智能天線的基礎(chǔ)技術(shù)、波束賦形技術(shù)和自適應(yīng)算法，介紹了TD-LTE中智能天線的單流波束賦形、雙流波束賦形技術(shù)及相關(guān)算法，分析了智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用情況，最后簡述了智能天線技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。

　　【關(guān)鍵詞】TD-LTE 智能天線 波束賦形

　　1 概述

　　智能天線(Smart Antenna)技術(shù)是在微波技術(shù)、自動(dòng)控制理論、自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理DSP(Digital Signal Processing)技術(shù)和軟件無線電技術(shù)等多學(xué)科基礎(chǔ)上綜合發(fā)展而成的一門新技術(shù)。智能天線是具有一定程度智能性的自適應(yīng)天線陣列。智能天線早期應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，自3G時(shí)代開始走向民用通信，在今天的TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)和商用網(wǎng)中，智能天線技術(shù)得到了飛速發(fā)展。

　　智能天線技術(shù)利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g相干性，通過調(diào)整天線陣列陣元發(fā)送信號(hào)的權(quán)值，產(chǎn)生空間預(yù)定波束，將無線信號(hào)導(dǎo)向具體方向，使主瓣波束自適應(yīng)地跟蹤用戶主信號(hào)到達(dá)的方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)的方向，達(dá)到充分和高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)，刪除或抑制干擾信號(hào)的雙重目的。智能天線可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空域?yàn)V波和定位，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾。

　　智能天線通常應(yīng)用在基站側(cè)，可在下行鏈路對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)加權(quán)實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)送，也可在上行鏈路對接收的混疊信號(hào)進(jìn)行不同加權(quán)合并得到對應(yīng)的波形。智能天線因其具有增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和擴(kuò)大小區(qū)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于TD-SCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)?？梢钥隙ǖ氖牵榫盎?、小型化、電調(diào)化、寬帶化和集成化相結(jié)合的智能天線，將在TD-LTE及后期演進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。

　　2 智能天線簡介[1]

　　由于無線移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境具有復(fù)雜性和不確定性，主要受多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展等不利因素影響，存在符號(hào)間串?dāng)_、同信道間干擾和多址干擾等惡化通信環(huán)境的情況，直接降低了鏈路性能和系統(tǒng)容量，而智能天線是解決這些問題的重要手段之一。

　　2.1 智能天線的信號(hào)模型

　　圖1為智能天線接收部分簡圖，由陣元、加權(quán)和合并三部分組成。用戶發(fā)射信號(hào)經(jīng)過多徑信道衰減和延遲后，到達(dá)天線陣列各陣元的是所有發(fā)射信號(hào)及各自延遲副本的疊加。

　　假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，陣列有M個(gè)陣元，為了簡單，采用均勻線陣模型，則在某時(shí)刻第k個(gè)用戶的信號(hào)到達(dá)陣列的接收信號(hào)矢量可表示為：

　　(1)

　　其中，βk，l為第l條徑的衰落幅值，τk，l為第l條徑的延遲時(shí)間，sk(t)為第k個(gè)用戶的發(fā)射信號(hào)。α(θk，l)是陣列響應(yīng)矢量，而對應(yīng)第k個(gè)用戶在經(jīng)過信道第l條徑時(shí)到達(dá)的角為θk，l，并可表示為：

　　(2)

　　其中，f為信號(hào)頻率，且滿足fc-B/2≤f ≤fc+B/2，fc為載波頻率，B為信號(hào)帶寬;τ是由于信號(hào)有限傳播速度造成的在相鄰天線陣元上的時(shí)延，它與信號(hào)的到達(dá)角、陣元間隔和信號(hào)傳播速度有關(guān)，可以表示為τ=(dsinθk，l)/c，d為陣元間隔，通常取λc/2，λc為載波波長，c為信號(hào)的傳播速度。

　　由于接收天線接收的是所有用戶信號(hào)的疊加，所以(1)式可表達(dá)為：

　　(3)

　　其中，η(t)為接收端的加性白噪聲矢量。

　　因陣列具有方向性，據(jù)圖1所示，通過對每個(gè)陣元加權(quán)wk，根據(jù)一定準(zhǔn)則和信號(hào)檢測要求，由陣列信號(hào)處理模塊計(jì)算后，可得陣列加權(quán)合并矢量的波束賦形輸出為：

　　(4)

　　式(4)是智能天線形成波束信號(hào)的基本模型，也是智能天線的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　2.2 波束賦形技術(shù)

　　式(4)是陣列波束賦形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是陣列信號(hào)的預(yù)處理技術(shù)，其中的權(quán)值wk僅僅需要匹配信道的慢變化，如來波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路損。因此，在進(jìn)行波束賦形時(shí)，也可以不必使用終端反饋所需的信息，而是在基站側(cè)通過上行接收信號(hào)獲得來波方向和路損信息，這既可減小空口傳輸負(fù)擔(dān)，又能方便地得到計(jì)算權(quán)值的參數(shù)。另外，為了獲得波束賦形增益，需要使用較多的天線單元，目前LTE中最多只可使用4個(gè)公共導(dǎo)頻，無法支持在超過4副天線單元的天線陣列上使用波束賦形，因此波束賦形中還需要使用專用導(dǎo)頻。

　　圖2為波束賦形的基本原理流程：從天線陣列的上行信號(hào)獲得DOA估計(jì)后，給天線權(quán)值控制器產(chǎn)生權(quán)值，再將權(quán)值反饋給天線陣列，由天線陣列形成賦形波束。顯然，波束賦形過程中的關(guān)鍵問題可簡單地表述為：(1)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)，即權(quán)重矢量和相關(guān)參數(shù)的函數(shù));(2)采用一定的方法獲得需要的參數(shù);(3)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)重矢量值。

　　2.3 自適應(yīng)算法

　　眾所周知，智能天線實(shí)際上是一項(xiàng)包括多種先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)工程，但它的核心技術(shù)是自適應(yīng)算法。典型的算法有盲自適應(yīng)和非盲自適應(yīng)兩大類。后者是基于訓(xùn)練序列的方法，如最小均方(LMS)法、遞歸最小方差(RLS)法和采樣矩陣求逆(SMI)法等;前者是不用訓(xùn)練序列的方法，如基本DOA估計(jì)法、特征值恢復(fù)和解擴(kuò)重?cái)U(kuò)法等，而常用的DOA估計(jì)法是直接利用(4)式延遲相加法。下面簡單介紹幾種算法。

　　(1)最小均方LMS算法：遵循最小均方差(MMSE)準(zhǔn)則，根據(jù)(4)式，加權(quán)矢量迭代更新方法可表示為估計(jì)二次型表面(即誤差平方)關(guān)于權(quán)值的梯度，將權(quán)值沿遞度負(fù)方向移動(dòng)一個(gè)步長常數(shù)，進(jìn)而反復(fù)迭代，即：

　　估計(jì)輸出：

　　誤差形成：

　　系數(shù)更新：

　　其中，y(n)為已知期望響應(yīng)樣本，x(n)為接收信號(hào)矢量的采樣樣本，μ為步長。LMS算法的收斂速度和穩(wěn)定性與輸入信號(hào)x(n)的協(xié)方差矩陣的特征根分布密切相關(guān)，一般特征根散布不是很大時(shí)，LMS算法的收斂較快。

　　(2)遞歸最小方差RLS算法：該算法總是使從濾波器開始運(yùn)行到目前時(shí)刻的總平方誤差達(dá)到最小，與LMS算法不同，RLS遵循的準(zhǔn)則是最小方差(LSE)。若設(shè)、、、，則有：

　　同時(shí)得到最小二乘誤差的更新為：。

　　RLS算法的收斂情況與相關(guān)矩陣的特征值擴(kuò)展無關(guān)，而與λ的取值有關(guān)(小于或等于1)。