智能天线的本质技术及其智能实现

李望　王亚军　张艳

[摘要]智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪目标及数字波束形成等功能，被认为4G和未来5G移动通信的关键必选技术。本交介绍了智能天线的本质特征——空分多址技术，讨论和分析了实现空分多址与智能性的各种自适应算法。

[关键词]智能天线 空分多址 波束形成 算法

空分多址技术通过用户空间特征的差异，使用自适应波束形成算法控制的天线阵列来实现多个用户的同步通信。它是智能天线的本质特征和集中体现，可以在相同的时域、频域、码域下根据位置来区分和识别不同的用户，空分多址可以有效降低用户间的串扰，大大增加系统容量和提升通信质量。

一、智能天线的基本概念和本质技术

1.1智能天线的基本概念

智能天线起源于天线阵列，最早应用在雷达和声呐等军事领域，具有空间滤波和目标定位等特点。随着控制理论、数字信号处理技术等学科的发展和硬件实现，阵列天线的自适应性得以增强。上世纪八、九十年代该领域的一些学者把这种自适应性称为智能性，从此智能天线的名字逐渐响亮。从阵列的智能化角度看，智能天线的工作方式包括波束切换、类主波束形成和完全自适应阵列三种，同时这也是智能天线发展的三个阶段，第三种方式是真正意义上的智能天线，也是未来发展的趋势和主流。智能天线的基本思想是利用多个相距一定距离天线阵元（一般取4、8、16）组成的阵列天线和现代数字信号处理技术将无线波束导向指定的目标方向，即利用自适应波束形成算法使用阵列天线产生所需要的最佳波束，使得天线的主瓣对准用户目标信号，旁瓣或栅瓣对准干扰信号的来源方向，实现最大程度利用用户有用信号和抑制和消除干扰信号的双重目的。

1.2智能天线的本质技术

俗话说，时代造就英雄，英雄的产生离不开特定的历史条件，智能天线技术也是出现于特殊的通信环境。上世纪后叶个人通信的数量爆炸式的增长和逐渐匮乏的无线通信资源形成了显著的矛盾，通信技术人员在充分挖掘时域、频域、码域资源以后，逐渐对空域资源重视起来，于是智能天线技术在这个背景下应运而生并逐渐成长。世界各国对智能天线都高度重视，经过几十年的发展，智能天线对无线通信系统产生了重要的影响，智能天线技术理所当然成为4G、5G未来移动通信的关键必选技术之一。

智能天线是继已有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（MDMA）方式之后的第四种多址技术——空分多址（SDMA）技术，它是智能天线的本质技术和集中体现。SDMA在中移动3G通信系统TD-SCDMA中开始引入，其利用目标空间位置的不同来区分不同的用户，即使这些用户使用相同的通信信道，智能天线仍然可以根据信号在空间的不同传播路径来区分用户。智能天线的SDMA技术是采用自适应的方法对空间进一步的开发和利用，在相同的时隙内可以多路传输信号，从而可以达到更高效率的传输、能够大大提高无线通信系统的容量。另一方面，SDMA技术从不同的空间位置使用不同的定向波束接受信号，可以大大降低不同信号之间的相互干扰，提高信号的传输质量。

二、智能天线的智能性实现

2.1智能天线的智能性

智能天线实现了空分多址，把不同位置的目标在相应的传播路径上区分开来，但这并不是智能天线的智能性。它的智能性主要表现在该天线能实时跟踪用户的移动，能根据用户的位置变化实现天线方向图的自由切换和利用数字信号处理技术实时重建针对此每个用户的最佳波束，做到将高增益的窄波束指向目标用户、充分抑制干扰信号，实现每路信号的实时最佳传输。智能天线的智能性依托于波束转换技术和自适应空间数字处理技术，这些技术都是通过智能天线的自适应算法来完成。

2.2智能天线的自适应算法

智能天线利用一定的最有准则产生最佳波束，使得波束的主瓣对准目标用户，并且能随着无线信道的变化或目标信号的移动，智能天线的权值向量作实时性的更新或自适应地调整，之后把生成的权值向量作用到每一个阵元上发射出去。这个实时改变的过程就叫做自适应波束形成，调整权值的最优算法称为自适应波束形成算法，它是智能天线的核心研究内容，也是智能天线实现智能性的根本保证。到目前，相关学者已经提出过多种实用的算法，按其是否需要参考信号或训练序列可分为非盲算法、盲算法和半盲算法三种。

2.2.1非盲算法

非盲算法，顾名思义需要先知的训练序列，利用这些序列在接收端对随机信号的概率统计特性进行实时估计，随后按一定的最优准则来计算和逐渐实时调整权值，以使智能天线阵列的输出与已知输入关联度最大。常用的非盲算法有最小均方误差算法（LMS）、递归最小二乘法（RLS）、采样矩阵求逆法（sMI）等。这些算法各有特点，LMS是基于最速下降的估计方法，而SMI和RLS是基于维纳解最优表达式直接求解或最小二乘求解。在迭代方式上，LMS和RLS是迭代求解，而SMI是矩阵块直接求精确解，但矩阵阶数较高时运算量极大SMI的劣势明显。共轭梯度法也是一种非盲算法，它依然是基于均方误差最小化，通过梯度搜索，以迭代形式寻找最优解。

2.2.2盲算法

盲算法是相对非盲算法来讲的，它不需要参考信号或导频信息，而只利用调制信号本身的特征信息和一定的最优准则使得调整天线权值的输出满足这些特征信息。与非盲算法相比，盲算法具有无需预先发送导频信号、频谱利用率较高等优点，但其却收敛速度略差。常见的盲算法有恒模算法（CMA）、判决导向算法（DDA）、谱自相干恢复算法（SCORE）等。CMA利用的是信号的恒模特性，因此该算法的突出优点是对载波同步和采样时刻没有较高的要求。DDA在初始信噪比较高的情况下比恒模算法具有更快的收敛速度，它可以和非盲算法结合使用，利用非盲算法的训练序列作为伪训练序列，用以获取所需信号并实时跟踪信道的变化。SCORE是一种特征恢复性盲算法，当干扰信号和有用信号没有相同的循环平稳性质时，SCORE就能利用有用信号的循环平稳特性将该目标信号从夹带干扰信号的接收信号中提炼出来。

2.2.3半盲算法

介于非盲算法和盲算法之间的是半盲算法，该算法吸取以上两种算法的优点，把接收到的已知信号作为导频信号应用非盲算法，导频信号结束之后再利用盲算法继续进行计算、调整和跟踪而获得最优权值，该算法在一定程度下保证了较好的收敛速度和较小的收敛误差。

三、结语

智能天线的本质是空分多址，在无线通信中利用多天线阵元和自适应算法实现通信系统指定波束的自适应形成和实时调整。智能天线能极大地增强系统的抗衰落性和抗干扰性，提高频谱的利用率、增加系统容量。随着移动通信需求的提高，作为未来5G关键技术的智能天线技术的研究将会不断深入，智能天线的智能性会进一步增强，应用领域也会大大拓展，智能天线技术势必对未来移动通信产生深远的影响。