智能天線演算法

1. 智能天線技術的基本介紹

智能天線也叫自適應陣列天線，它由天線陣、波束形成網路、波束形成演算法三部分組成。它通過滿足某種准則的演算法去調節各陣元信號的加權幅度和相位，從而調節天線陣列的方向圖形狀，以達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術適宜於TDD方式的CDMA系統，能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統容量。但是由於存在多徑效應，每個天線均需一個Rake接收機，從而使基帶處理單元復雜度明顯提高。
起源發展
智能天線通常包括多波束智能天線和自適應陣智能天線。智能天線最初廣泛應用於雷達、聲納及軍事通信領域，由於價格等因素一直未能普及到其它通信領域。
近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理晶元處理能力不斷提高，晶元價格已經可以為現代通信系統所接受。同時，利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統的可靠性與靈活程度，智能天線技術因此開始在移動通信中得到應用。另一方面移動通信用戶數增加迅速，人們對移動通話質量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區在大容量下仍有高的話音質量。使用智能天線可以在不顯著增加系統復雜度的情況下滿足服務質量和擴充容量的需要。不同於常規的扇區天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發送和接收，充分利用了信號發射功率，降低了信號全向發射帶來的電磁污染與相互干擾。不同於傳統的時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分。
智能天線相當於空時濾波器，在多個指向不同用戶的並行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高了移動通信系統的性能：
⑴擴大系統的覆蓋區域；
⑵增加系統容量；
⑶提高頻譜利用效率；
⑷降低基站發射功率，節省系統成本，減少信號間干擾與電磁環境污染。

2. 什麼是最小均方(LMS)演算法

全稱 Least mean square 演算法。中文是最小均方演算法。
感知器和自適應線性元件在歷史上幾乎是同時提出的，並且兩者在對權值的調整的演算法非常相似。它們都是基於糾錯學習規則的學習演算法。感知器演算法存在如下問題：不能推廣到一般的前向網路中；函數不是線性可分時，得不出任何結果。而由美國斯坦福大學的Widrow和Hoff在研究自適應理論時提出的LMS演算法，由於其容易實現而很快得到了廣泛應用，成為自適應濾波的標准演算法。
LMS演算法步驟：
1,、設置變數和參量：
X(n)為輸入向量，或稱為訓練樣本
W(n)為權值向量
b(n)為偏差
d(n)為期望輸出
y(n)為實際輸出
η為學習速率
n為迭代次數
2、初始化，賦給w(0)各一個較小的隨機非零值，令n=0
3、對於一組輸入樣本x(n)和對應的期望輸出d，計算
e(n)=d(n)-X^T(n)W(n)
W(n+1)=W(n)+ηX(n)e(n)
4、判斷是否滿足條件，若滿足演算法結束，若否n增加1，轉入第3步繼續執行。

3. 智能天線的實現原理

智能天線技術前身是一種波束成形（Beamforming）技術。波束成形技術是發送方在獲取一定的當前帶指時刻當前位置發送方和接收方之間的信道信息，調整信號發送的參數，使得射頻能量向接收方所處位置集中，從而使得接收方接收到的信號質量較好，最終能保持較高的吞吐量。該技術又分為晶元方式（On-Chip） 和硬體智能天線方式 （On-Antenna）的兩種。
智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對准用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對准干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號並刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術利用各個移動用戶間信號空間特徵的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不攔塵發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網路擴容的需要。
智能天線系統的核心是智能演算法，智能演算法決定瞬時響應速率和電路實現的復雜程度，因此重要的是選擇較好演算法實現波束的智能控制。通過演算法自動調整加權值得到所需空間和頻率濾波器的作用。已提出很多著名演算法，概括地講有非盲演算法和盲演算法兩大類。非盲演算法是指需藉助參考信號（導頻序列或導頻信道）的演算法，此時，接收端知道發送的是什麼，進行演算法處理時要麼先確定信道響應再按一定準則（比如最優的迫零准則zero forcing）確定各加權值，要麼直接按一定的准則確定或逐漸調整權值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關准則有SE（最小均方誤差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲演算法則無需發端傳送已知的導頻信號，判決反饋演算法（Decision Feedback）是一種較特殊的演算法，接收端自己簡行禪估計發送的信號並以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。

4. 移動的SA是什麼意思

智能天線(SA)作為一種可以抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能,被認為是未來移動通信的關鍵技術。
所謂「智能夭線」就是利用數字信號處理(DSP)技術,在空間產生指向性波束,使陣列主瓣對准用戶信號到達方向,旁瓣或零陷對准干擾信號到達方向,從而可以高效地利用移動用戶信號的空域信息最大化接收期望信號並刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線的「天線」不僅是指將傳統的電磁波轉化為無線頻率信號,或反之將無線信號轉化為電磁波的器件,這在智能天線中稱為感測器件.此外,還包括合成模式網——由若干個線性時變濾波器組成．智能天線的「智能"體現在系統中的一個自適應處理器上,它能夠根據得到的信號對天線輸出進行加權處理,使整個鏈路性能達到最優化.由下圖所示的智能天線組成可看出,當系統處於接收狀態時,由各個天線單元接收到的信號,首先經過射頻單元進行放大和下變頻等處理後,再進行A/D變換,送入自適應信號處理器中與一組權值進行加權處理,合成後一路得到輸出信號;另一路生成誤差信號,並用它在某個選定的准則下按照一定的演算法控制自適應信號處理器進行權值的更新、完成自適應信號處理。

5. 無線技術的工作原理

假設滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天線所走路線的長度差決定。若入射信號為平面波（只有一個入射方向），則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權值、一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由於在天線問的相位差不同，合並器後的輸出信號強度也會不同。 智能天線是一種伸縮性較好的技術。在移動通信發展的早期，運營商為節約投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區域，這就意味著用戶的信號在到達BTS（基站收發信設備）前可能經歷了較長的傳播路徑，有較大的路徑損耗（path loss），為使接收到的有用信號不至於低於門限，要麼增加移動台的發射功率、要麼增加基站天線的接收增益，由於移動台（特別是手機〕的發射功率通常是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對而言用智能無線實現較大增益比用單天線容易。
在移動通信發展中為擴大系統容量、支持更多用戶，需要收縮小區范圍、降低頻率復用系數提高頻率利用率，通常採用的方法是小區分裂和扇區化，隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實是藉助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線，藉助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合並權值，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對准有用信號，低增益副瓣對准主要的干擾信號，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子（比如在GSM中使復用因子3成為可能）和同時支持更多用戶（CDMA中）。從某種角度我們可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。 要實現智能天線的下行發相對較困難，這是因為智能天線在設計發波束（transmitting beamforming）時很難准確獲知下行信道的特徵信息（特別是主要傳播路徑的出射角度），而理想的天線工作模式應是與信道相匹配的。一種方法是象IS-95上行功控一樣，做成閉環測試結構，但它有以下缺點：浪費寶貴的系統資源、附加時延、受上行信道干擾等。還有一種方法是利用上行信道信息來估計下行信道，在TDD（時分雙工）系統中這顯然行得通，這也是中國提交的TD-SCDMA第三代建議（TDD方式）得到較多注意的主要原因。但在FDD（頻分雙工）系統中情況卻並非如此由於上、下行信道使用的是不同頻率（第三代系統相對第二代有更大的上、下行頻差），上、下行信道的相關性是很弱的，很多參數並不相同，目前較多研究者相信的是上、下行信道主要傳播路徑的入射、出射角基本相同，所以我們只可能獲得下行信道的部分信息，所形成的發波束也絕不會是最優的。
下行信道包括控制信道和業務信道控制信道，由於是大家共用的，應該形成定波束，而對應各個用戶的業務信道則應用窄波束傳送，也就是說它們有不同的加機系數，這樣控制信道（如導頻信道）和業務信道實際經歷了不同的傳輸環境，會有不同的衰落，而移動台在做下行接收肘通常利用導頻信道來估計信道的幅度和相位畸變，以對業務信道進行相干接收，但這建立在兩個信道有相同傳輸環境基礎上，顯然前者並不滿足這一條件，而非相干接收相對相干接收有較大的信喚比損失。一些建議（比如CDMA2000）已考慮這一點，下行信道還有輔助尋頻信道（auxiliary Pilot channel），可將它也以窄波束發送，但由於數目有限，更為可行的是將它分配給一群用戶（此時形成的波束也應該對准這群用戶，這可能發生在熱點地區和基於激活用戶數較多時進行的智能扇區化中）或某一要求鏈路質量較高的用戶（如向他傳送高速數據時）。 用智能無線實現下行發面臨的另一難題是由於加權是在天線前端進行的（實際中多在基帶或中頻實現，因更容易更靈活），後級的濾波器、D/A數模轉換器、混頻器、天線陣元（各路的）特性變化必然使形成的發波束發生變化，而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來調整加權系數以抵消這種變化，一種可行但並不是很好的方法是周期性地對後級特性進行測試和調整。
由於目前智能天線技術並不很成熟。第三代移動通信的各種後選方案除了中國的TD-SCDMA，都只將智能天線作為可選技術，沒有寫入具體建議中，第二代系統也普遍未採用智能天線技術，智能天線作上行收時由於對移動台的發並未提出新的要求。很容易將其作為全向天線、扇型天線的升級版本用於已有基站系統，但當智能天線用於下行發時。通常會對移動台的收也提出新要求。牽涉面大，靈活性較小。
目前的移動通信系統（主要是窄帶CDMA系統）存在下行容量超過上行的現象，即使考慮軟切換的損失情況依然如此，從表面看提高上行容量是當務之急，但在第三代系統中高速數據、多媒體業務更可能出現在下行信道中，考慮到這種非對稱需求，以後的瓶頸可能是下行，所以雖然存在上述的種種困難，研究智能天線的下行發依然是很必要和很迫切的。
TDD方式下的下行發和上行收處理差別不大，這里不單獨論述。 全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種演算法均存在所需數據量、計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重、特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。正是在這一背景下，基於預多波束的切換波束工作方式被提出。此時全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個（也有可能是幾個，但需合並後再輸出）作為工作模式與自適應方式相比它顯然更容易實現，實際上我們可將其看作是介於扇形天線與全自適應天線問的一種技術。波束切換天線中值得研究的有以下內容：如何劃分空域，即確定波束的問題，包括數目和形狀；挑選波束的准則；波束跟蹤的實現，主要指的是實現快速搜索演算法等；以及切換波束與自適應波束成型的理論關系。
作為智能天線研究的基礎，建立更合理的信道傳播模型，研究天線各陣元的較優位置分布等都是很有意義的。 更多內容請看無線網狀網介紹、Wimax技術與趨勢、家庭無線區域網專題，或進入討論組討論。