移動通信系統中的寬帶智能天線技術

梁奐暉

（廣州科技職業技術學院，廣東 廣州 510275）

移動通信系統中的寬帶智能天線技術

梁奐暉

（廣州科技職業技術學院，廣東 廣州 510275）

自適應信號處理是下一代高性能移動通信技術中一項重要的必不可少的技術。而寬帶智能天線的自適應處理技術則是自適應技術中一個重要的研究分支。本文對無線通信中的智能天線自適應處理技術的發展和現狀進行了介紹，針對寬帶智能天線優化算法高復雜性，提出了一種新的基于頻不變理論的波束優化，并對算法性能進行分析。

自適應；寬帶智能天線；頻不變

1．引言

隨著現代移動通信系統用戶數量以及數據業務的急劇上升，對于移動通信系統的容量以及性能有了越來越高的要求。用戶數量的增加，通信環境的復雜化，使得接收端接到的干擾信號對移動通信系統性能如通信質量、系統容量等方面性能的影響越來越大。

國內外多年來大量的研究成果表明，在復雜多變的無線移動傳輸信道下，智能天線技術可以有效地降低干擾，提高系統容量以及通信質量等方面的性能[1]。從20世紀70年代開始，如何降低智能天線優化算法的復雜度，提高系統收斂速度，一直是智能天線研究領域中一個熱點問題。尤其是隨著現代移動通信技術的發展，寬帶乃至超寬帶無線通信將會成為未來通信技術發展的趨向[2]，近年來大量的研究文章可以充分說明智能天線技術得到了研究人員大量的研究和關注[3，4]。

但遺憾的是對多年來的研究結果進行分析比較可以發現，智能天線技術的研究，絕大多數都是集中于窄帶通信系統，也就是說假定入射信號為窄帶信號，入射信號的能量集中于載頻，不考慮信號帶寬對系統性能的影響[1]，忽略了信號帶寬對系統的影響。而實際上對于寬帶通信系統，信號能量集中于中心載頻的假設不再成立，需要考慮信號頻率對系統的影響。寬帶智能天線采用空時聯合結構解決了這個問題，但空時聯合結構的存在，導致了智能天線算法的高復雜性，低收斂速度，難以實際應用到移動通信系統中。

在寬帶無線系統中，智能天線要想獲得與在窄帶環境下相類的效果，頻率因素是不能忽略的，國內外的研究都表明，智能天線在寬帶環境下所形成的波束圖不僅與信號的入射角，還與入射信號的頻率有關[5]。這也就意味著智能天線系統要想能獲得所期望的空域響應，必須還要針對不同頻率的入射信號作出頻率補償。

本文在現有的窄帶優化算法的基礎上，針對寬帶系統，基于頻不變原理提出了一種新的寬帶智能天線優化算法結構，并對算法的性能進行了初步的分析。

2．寬帶智能天線優化算法

對于智能天線的優化算法，如果沒有特別說明的話，都是基于窄帶假設，也就是假定入射信號能量集中于中心載頻。但實際上，隨著寬帶乃至超寬帶無線通信技術的提出，入射信號的窄帶假設不再成立，那這也就是意味著需要對寬帶無線通信系統中的智能天線優化算法進行修正。

但實際上，寬帶智能天線所涉及到的寬帶陣列自適應信號處理從20世紀60年代開始在雷達、聲納等系統中就已經得到研究與應用[7]。而在個人通信領域，隨著移動通信系統由窄帶向寬帶系統演化發展，信號的窄帶假設不再成立，這也意味著智能天線技術必須由窄帶轉化為寬帶結構。寬帶系統中，天線陣列的輸出輸出會隨著輸入信號頻率的變化而變化。上個世紀90年代中期開始人們開始關注起寬帶智能天線陣列[6]。寬帶智能天線陣列輸出波束的形成主要有時域和頻域兩種實現形式[7]，傳統的寬帶智能天線是在M元陣列的每個陣元后面加上一個長度為K的抽頭延時線結構。這使得需要優化的系數個數從M轉變為M*K，需要優化的系數的倍數增加直接導致了天線優化算法計算復雜度急劇上升。對寬帶智能天線系統來說，頻域實現形式是根據不同頻率上的設計波束與期望波束之間的誤差，建立優化準則，進 而設計相應的FIR濾波器組，從而實現在整個頻段范圍內恒 定的波束輸出[8]。

FFT變換能將時域上的延時信號轉變為頻域信號[9]，為了降低傳統寬帶智能天線優化算法的運算復雜度，人們提出 了一種新的結構子帶自適應天線技術[10]。而這些年來寬帶智能天線的研究多數也是集中在子帶結構的智能天線實現上。子帶結構的寬帶智能天線陣列可以采用濾波器組利用FFT變換將時域信號轉化為頻域信號，也可以采用頻率濾波器分頻。如何設計適當的濾波器組，如何選用適當的優化算 法，使得在有效帶寬范圍內寬帶陣列能獲得頻不變的輸出波束，達到系統的性能最優，這也得到了很多的關注，但是寬帶陣列的計算復雜度問題還是沒有得到解決[11]。

正交頻分復用（OFDM）技術利用IFFT變換，將寬頻帶劃分為相互正交的子頻帶，單獨使用窄帶自適應算法對子頻帶上的信號進行處理[12]，需要大量的導頻信息，甚至有可能會要求將一些子載波利用為專用導頻信道，從而導致載波的利用率下降。

3．頻不變的寬帶天線優化算法

針對寬帶智能天線的空時聯合結構的運算高度的復雜性，本文提出了一種新型的優化算法，利用作者以前提出一種應用于窄帶智能天線系統的波束綜合算法[13]，來實現一種較低計算復雜度的寬帶智能天線優化算法，使得智能天線能獲得一個寬帶頻不變的波束。

該波束綜合算法[13]能在給定一個任意的參考波束的前提下，獲得一個權矢量，使得天線陣列的輸出波束與給定的參考波束之間的差異最小。該算法對寬帶智能天線系統的設計有重要的參考意義。因為通過該算法能夠根據參考波束，在不同的頻點，進行優化，進行波束合成，也就是說獲得對應于該頻點的一個最優權矢量，從而使得在該頻點的輸出能夠與參考波束基本一致，那么這樣組合操作的結構就使得寬帶智能天線系統在整個有效頻帶內的陣列輸出不會隨頻率的變化而發生變化了。

根據參考波束，引入虛擬干擾，能有效地調節目標波束形狀。在不同頻點的單獨處理中，優化算法在迭代過程中，可以通過調整陣列權矢量進行優化，最終使得陣列輸出的目標波束與參考波束兩者之間差異逐漸趨于最小化。

本算法借鑒自交頻分復用系統中的智能天線概念以及子帶自適應濾波器的理念，首先寬帶的時域信號將被轉換為頻域信號，那復雜的空時聯合結構則被拆分成為頻域上多個相互獨立的窄帶結構。再根據參考波束，利用新的波束綜合算法，對相互獨立的各個子帶結構分別并行處理，可以獲得相應頻點的一組權系數。

本論文所提出的結構，與傳統的寬帶智能天線結構相比，首先是分別在空域、時域、頻域依次進行，原來復雜的聯合優化過程被分解成多個相互獨立的子系統并行進行，子系統間的優化運算互不干擾，因而整個優化系統的復雜度明顯下降。

對于這種結構，在分解的子帶結構中，不管是輸入信號還是輸出信號都被分割成多個子帶，對各個不同子帶進行自適應處理，相對而言，這種算法將可以得到比全頻帶優化算法更快的收斂速度。在優化寬帶智能天線結構算法的同時，如果要進一步降低優化算法的運算量，將相鄰子帶進行分組，每個分組中只需要對其中一個子帶自適應陣列結構的權值進行優化計算[14]，每組采用相同的權值。通過分組得到的權值為次優解，相對每個子系統都進行優化計算求得的最優解，系統性能會有下降，但是整體的計算量將隨著分組數目的增加而線性減少。

4．結束語

寬帶移動通信系統中信號不再滿足能量信號的窄帶假設，能量不能認為集中于中心載頻，這導致智能天線算法結構的復雜性大幅度上升。本文針對寬帶智能天線優化算法的高復雜性，將復雜的寬帶智能天線結構，轉化到空時頻域依次處理。原來復雜的優化過程被分解到相互獨立的多個空頻子系統中并行處理，大大降低了寬帶智能天線系統優化算法的運算量，有效地提高了寬帶智能天線系統的性能。

[1]Joseph C．Liberti，Theodore S．Rappaport．無線通信中的智能天線：IS-95和第三代CDMA中的應用[M]．馬涼等譯．北京：機械工業出版社，2002．

[2]Clint Smith，Daniel Collins．第三代無線通信網絡[M]．李波等譯．北京：人民郵電出版社，2003．

[3]Tuan Do-Hong，Peter Russer．Signal processing for wideband smart antenna array applications[J]．IEEE Microwave Magazine，2004，(3)：57-67．

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[5]Paulraj，A．J，and C．B．Papadias．Space-time Processing for Wireless Communications[J]．IEEE Signal Processing Magazine，1997，(14)：49-83．

[6]D．B．Ward，R．A．Kennedy，R．C．Williamsan．Theory and design of broadband sensor arrays with frequency-invariant far-field beampattern[J]．Journal of Acoustic America，vol．98，no．2，Jul．1995，pp．230-240．

[7]Tuan Do-Hong，Peter Russer．Signal Processing for Wideband Smart Antenna Array Applications[J]．IEEE Microwave Magazine，Mar．2008，pp．57-67．

[8]Doclo S and Moonen M．Design of broadband beamformers robust against gain and phase errors in the microphone array characteristics[J]．IEEE Trans．on Signal Processing，vol．15，no．10，Oct．2006；pp．2511-2526．

[9]Compton，R．T．The relationship between tapped delay-line and FFT processing in adaptive arrays[J]．Compton Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，vol．36，no．1，Jan．1988，pp．15-26．

[10]Yimin Zhang，Kehu Yang．Adaptive subband arrays for multipath fading mitigation[J]．Proc．IEEE Antenna and Propogation Society International Symposium，Atlanta．Sept．1998，pp．380-383．

[11]Ward D B，Kennedy R A，Williamson R C．FIR filter design for frequency-invariant beamformers[J]．IEEE Signal Processing Letter，vol．3，pp．69-71，Mar，1997．

[12]Ye Li，Nelson R．sollenberger．Adaptive antenna arrays for OFDM systems with cochannel interference[J]． IEEE Transactions on Communication，vol．47，no．2，Feb 1999，pp．217-229．

[13]Liang Huanhui．A pattern synthesis algorithm based on adaptive array theory[J]．IEEE 2005 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communication (MAPE2005)，Aug．2005 Beijing，China． [14]Sun，Y．；Matsuoka，H．A novel adaptive antenna architecturesubcarrier clustering for high-speed OFDM systems in presence of rich cochannel interference[Z]．Vehicular Technology Conference，2002．VTC Spring 2002．IEEE 55th，vol．3，May 2002，pp．1564-1568．

The Wideband SmartAntenna Technology in Mobile Communication System

Liang Huanhui
(Guangzhou Science Vocational Technology College,Guangzhou 510275,Guangdong)

The technology of smart antenna signal processing is an essential technology in mobile communication.In the paper, the development and present status of smart antenna technology are introduced.For the high complexity of wideband smart antenna optimal algorithms,a novel optimization algorithm based on the frequency-invariant synthesis is presented.

adaptive signal processing;wideband smart antenna;frequency-invariant

梁奐暉，男，廣東陽江人，研究生，高級工程師。研究方向：自適應陣列算法優化。

廣州科技職業技術學院資助項目，項目編號：2014ZR08。