智能天線波束賦形技術

2. 波束賦形算法的性能

　　由于波束賦形技術建立在通信環境模型以及系統模型的基礎上，因此在考察波束賦形算法的性能時，要考慮到環境因素的影響以及其對于系統的要求，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。

　　⑴算法運算性能：這主要包括算法的收斂速度、復雜程度、精度、穩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用領域有特別的意義。在實際的通信系統中，由于天線規模等實際條件的限制以及移動無線信道復雜情況的影響，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，一旦發生較大的指向偏差，不僅會使得目標用戶無法獲得一定質量的信號，還可能會帶來對其他用戶的干擾，從而導致系統性能急劇下降。

　　⑵算法的測量要求：主要包括算法需要了解的信道特征參量的種類和數量以及是否需要提供參考信號等。

　　3. 波束賦形技術的現狀及發展方向

　　波束賦形技術發展過程中，出現了大量的具體技術，其命名、分類并不完全統一，加之近年來與其他技術(如聯合檢測、功率控制等)的結合乃至融合，使得相關的具體技術更顯紛繁復雜。通常可以依據的分類有，根據應用場合的不同將波束賦形技術分為上行鏈路波束賦形和下行鏈路波束賦形;根據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和使用信道空時域參量的技術;根據不同的波束賦形技術對于問題采用的描述方法，可分為優化類和自適應濾波器類;根據波束賦形技術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，尤其是CDMA系統的實際情況，上行鏈路的波束賦形可以結合信號檢測，實現多用戶的聯合檢測。但是應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，且測量要求高(除了盲檢測算法，大部分算法需要使用訓練序列，并要求在獲得同步以后進行測量);計算過于復雜難以實現，尤其是針對多用戶的方案。實際可采用的方法有：采用性能次優但較為簡單的方法;設計便于并行運算的結構，以硬件代價滿足運算時間方面的要求;或者結合兩種方法。其中，通過有限度降低算法性能提高算法可實現性的具體方法包括：減少計算需要的參量;減少計算的維數(如使用訓練序列進行初始化，或者分解全局優化問題變為互不相關的局部優化問題的疊加);選擇計算復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結構的復雜度主要依賴于使用結構較為簡單的處理單元，根據傳統的均衡和檢測領域的研究，非線性的系統結構和算法可以大大降低系統結構的復雜度，目前對判決反饋結構、神經網絡技術等在波束賦形領域的應用已有初步研究。

　　對于下行鏈路，由于條件限制很難在下行鏈路實現對于信道的可靠實時估計。對于TDD模式的系統，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生變化，從而可以在下行鏈路使用由上行數據獲得的信道空時域參數的估計值，甚至可以直接使用上行波束賦形的數據。但是對于FDD系統，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，因此如果不使用反饋回路獲取移動站的測量數據，僅可根據上行數據獲得一些與頻率變化無關或者弱相關的信道參量，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含義，即使基站實現下行指向性發射。

　　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據得到，即根據上行數據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，因此可以適用于TDD或者FDD模式的系統。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限制了算法的性能，因此在實際應用時系統性能并不理想。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，即在計算所得的凹陷點附近形成凹陷區，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的發展，下行鏈路性能成為提高系統性能的瓶頸，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，或者使用反饋鏈路的系統)，可以應用空時處理方法，但是在具體的表述、算法的實現等方面仍需進一步的系統研究。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)，那么基于DoA估計的算法應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的需要，必須發展對估計誤差不敏感的波束賦形算法。