波束成形

第四章智能天线自适应波束成形算法简介

4.1 引言

智能天线技术作为一种新的空间资源利用技术，自20世纪90年代初由一些学者提出后，近年来在无线通信领域受到了人们的广泛关注。它是在微波技术、自动控制理论、数字信号处理(DSP)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线技术从实质上讲是利用不同信号在空间上的差异，对信号进行空间上的处理。与FDMA,TDMA及CDMA相对应，智能天线技术可以认为是一种空分多址SDMA技术，它使通信资源不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下，根据用户信号在空域上的差异来区分不同的用户。智能天线技术与其它通信技术有机相结合，可以增加移动通信系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。

4.2 智能天线技术及其优点

智能天线，即具有一定程度智能性的自适应天线阵，自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下，自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小，使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰，增强系统有用信号的检测能力，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，即使在干扰和信号同频率的情况下，也能成功地抑制干扰。如果天线的阵元数增加，还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源。实际干扰抑制的效果，一般可达25--30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户，同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声，使系统处于最佳的工作状态。

智能天线利用空域自适应滤波原理，依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来，它主要包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰；二是对基站发送信号进行数字波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。在普遍采用扩频技术的CDMA系统中，采用智能天线的优势主要体现在以下几个方面：

1) 提高了基站接收机的灵敏度

基站接收到的信号，是来自各天线单元和收信机接收到的信号之和，如果采

用最大功率合成算法，在不计多径传播的条件下，则总的接收信号将增加101gNdB,其中，N为天线单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将视多径传播条件及上行波束成形算法而改变，其结果也在IO1gNdB上下。

2) 提高了基站发射机的等效发射功率

发射天线阵在进行波束成形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加201gNdBo。

3) 降低了系统的干扰信号的接收是有方向胜的，对接收方向以外的干扰有强的抑制。例如，如果使用上述最大功率合成算法，则可能将千扰降低IO1gNdBo。4) 增加了CDMA系统的容量

CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说，降低干扰对CDMA系统极为重要，降低千扰就可以大大增加CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，使得CDMA系统容量增加一倍以上成为可能。

5) 改进了小区的覆盖

对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向确定。当然，天线的辐射方向是可能根据需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向是不可能改变和很难调整的。但智能天线的辐射则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或出现新的建筑物使原覆盖改变时，均可非常简单地通过软件来优化。

6)降低了无线基站的成本

所有无线基站设备中，最昂贵的是高功率放大器(HPA)，CDMA系统中要使用高线性的HPA，因而成本更高。可以预见，无论是FDMA,TDMA移动通信系统，还是CDMA移动通信系统，天线阵列都能够使这些系统的容量得到提高，系统性能得到改善，以小的代价换来大的回报。

4.3 智能天线的基本原理

图 4.1

智能天线是一种阵列天线，排列方式多样，包括有直线阵、圆阵、面阵等，其中以等距离线阵最为常见。如图4.1所示，首先建立智能天线的信号模型。设间距直线阵的N阵元个数为，阵元间隔为d，以第1个阵元为参考阵元，信号()

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