智能天線波束賦形技術(shù)

2. 波束賦形算法的性能

　　由于波束賦形技術(shù)建立在通信環(huán)境模型以及系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，因此在考察波束賦形算法的性能時，要考慮到環(huán)境因素的影響以及其對于系統(tǒng)的要求，以便于得到更符合實際需要的性能估計。綜合各種因素，一般可以從以下幾個方面考察波束賦形算法的性能。

　?、潘惴ㄟ\算性能：這主要包括算法的收斂速度、復(fù)雜程度、精度、穩(wěn)定性以及對誤差的正確判斷性等。前四項指標是常見的衡量算法性能的指標，而最后一項在智能天線應(yīng)用領(lǐng)域有特別的意義。在實際的通信系統(tǒng)中，由于天線規(guī)模等實際條件的限制以及移動無線信道復(fù)雜情況的影響，對波達方向的測量估計誤差較大，因此對于采用基于波達方向估計的波束賦形算法，能否降低其對誤差的敏感度就顯得十分重要，尤其是在下行鏈路中，一旦發(fā)生較大的指向偏差，不僅會使得目標用戶無法獲得一定質(zhì)量的信號，還可能會帶來對其他用戶的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。

　?、扑惴ǖ臏y量要求：主要包括算法需要了解的信道特征參量的種類和數(shù)量以及是否需要提供參考信號等。

　　3. 波束賦形技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

　　波束賦形技術(shù)發(fā)展過程中，出現(xiàn)了大量的具體技術(shù)，其命名、分類并不完全統(tǒng)一，加之近年來與其他技術(shù)(如聯(lián)合檢測、功率控制等)的結(jié)合乃至融合，使得相關(guān)的具體技術(shù)更顯紛繁復(fù)雜。通?？梢砸罁?jù)的分類有，根據(jù)應(yīng)用場合的不同將波束賦形技術(shù)分為上行鏈路波束賦形和下行鏈路波束賦形;根據(jù)其所使用的信道特征參量的種類，可分為使用信道空域參量的技術(shù)和使用信道空時域參量的技術(shù);根據(jù)不同的波束賦形技術(shù)對于問題采用的描述方法，可分為優(yōu)化類和自適應(yīng)濾波器類;根據(jù)波束賦形技術(shù)計算使用的方法可分為線性算法和非線性算法。

　　對于上行鏈路，由于可以獲得可靠的信道實時估計，因此可以采用信道的空時域參量進行波束賦形，以提高上行鏈路性能。針對移動無線通信系統(tǒng)，尤其是CDMA系統(tǒng)的實際情況，上行鏈路的波束賦形可以結(jié)合信號檢測，實現(xiàn)多用戶的聯(lián)合檢測。但是應(yīng)用這一方法存在以下兩個問題：算法要求測量所有信道的空時域參數(shù)，且測量要求高(除了盲檢測算法，大部分算法需要使用訓(xùn)練序列，并要求在獲得同步以后進行測量);計算過于復(fù)雜難以實現(xiàn)，尤其是針對多用戶的方案。實際可采用的方法有：采用性能次優(yōu)但較為簡單的方法;設(shè)計便于并行運算的結(jié)構(gòu)，以硬件代價滿足運算時間方面的要求;或者結(jié)合兩種方法。其中，通過有限度降低算法性能提高算法可實現(xiàn)性的具體方法包括：減少計算需要的參量;減少計算的維數(shù)(如使用訓(xùn)練序列進行初始化，或者分解全局優(yōu)化問題變?yōu)榛ゲ幌嚓P(guān)的局部優(yōu)化問題的疊加);選擇計算復(fù)雜度較低的計算方法等。在保證性能的前提下進一步降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度主要依賴于使用結(jié)構(gòu)較為簡單的處理單元，根據(jù)傳統(tǒng)的均衡和檢測領(lǐng)域的研究，非線性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法可以大大降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，目前對判決反饋結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在波束賦形領(lǐng)域的應(yīng)用已有初步研究。

　　對于下行鏈路，由于條件限制很難在下行鏈路實現(xiàn)對于信道的可靠實時估計。對于TDD模式的系統(tǒng)，在上下行信道間隔時隙很小的條件下，可以近似認為信道未發(fā)生變化，從而可以在下行鏈路使用由上行數(shù)據(jù)獲得的信道空時域參數(shù)的估計值，甚至可以直接使用上行波束賦形的數(shù)據(jù)。但是對于FDD系統(tǒng)，則一般無法滿足上下行信道頻率間隔足夠小的要求使得兩者的變化強相關(guān)，因此如果不使用反饋回路獲取移動站的測量數(shù)據(jù)，僅可根據(jù)上行數(shù)據(jù)獲得一些與頻率變化無關(guān)或者弱相關(guān)的信道參量，這包括信道的空域參量以及空時域參量的平均值等。其中使用空時域參量平均估計值的方法原理上同使用空時域信道參量的方法并無區(qū)別，只是由于缺乏對于信道狀況的實時跟蹤，性能會有所下降。而僅依賴信道空域參量的算法則符合波束賦形的傳統(tǒng)含義，即使基站實現(xiàn)下行指向性發(fā)射。

　　僅依賴信道空域參量的算法需要了解目標移動站與基站的相對位置，為了抑制同信道用戶間的干擾可能還需要了解同信道移動站與基站的相對位置。這些信息可以由上行信道數(shù)據(jù)得到，即根據(jù)上行數(shù)據(jù)對波達方向進行估計，因此這種算法又可稱為基于DoA估計的算法，由于使用的信息可以認為與上下行信道載頻無關(guān)，因此可以適用于TDD或者FDD模式的系統(tǒng)。這類算法的主要局限在于較大的DoA估計誤差以及天線單元數(shù)限制了算法的性能，因此在實際應(yīng)用時系統(tǒng)性能并不理想。一般，為了減小天線增益凹陷的指向偏差，必須配合使用凹陷點展寬(Null Broadening)技術(shù)，即在計算所得的凹陷點附近形成凹陷區(qū)，確保對其他用戶的干擾降低到最小的程度。

　　目前，由于上行波束賦形技術(shù)的發(fā)展，下行鏈路性能成為提高系統(tǒng)性能的瓶頸，因此迫切需要有效的方法。在可以獲得可靠的空時域參量的條件下(TDD模式的系統(tǒng)，或者使用反饋鏈路的系統(tǒng))，可以應(yīng)用空時處理方法，但是在具體的表述、算法的實現(xiàn)等方面仍需進一步的系統(tǒng)研究。如果無法獲得可靠的空時域參量(不采用反饋鏈路的FDD模式的系統(tǒng))，那么基于DoA估計的算法應(yīng)該是最終的解決方案，但是目前的估計精度很難滿足實際系統(tǒng)的需要，必須發(fā)展對估計誤差不敏感的波束賦形算法。