智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用摘要：智能天線被公認(rèn)為是未來移動(dòng)通信的一種發(fā)展趨勢。文章對天線的基本 概念、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)性能的改善及國外研究狀況等進(jìn)行了闡述,指出了研究過 程中存在的問題及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：智能天線移動(dòng)通信空分多址1引言在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個(gè)最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾 乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù)。智能天線技術(shù)對移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶 來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)所難以替代的。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信中最具 有吸引力的技術(shù)之一。2智能天線的基本概念智能天線是一種具有測向和波束形成能力的天線陣列，最初廣泛應(yīng)用于雷 達(dá)、聲納和軍事通信領(lǐng)域。近年來，由于數(shù)字信號(hào)處理技

2、術(shù)的迅速發(fā)展、tc處 理速度的提高和價(jià)格的普及，使其在商用無線通信系統(tǒng)屮的應(yīng)用可能性大幅提 高。智能天線主要由天線陣、波束形成單元和自適應(yīng)控制單元三部分組成。其中 天線陣列是收發(fā)射頻信號(hào)的輻射單元，常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。 波束形成單元?jiǎng)t將來自每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號(hào)加權(quán)相加，其中的權(quán)系數(shù)為 復(fù)數(shù)。自適應(yīng)控制單元是狛能天線的核心，該單元的功能是根據(jù)一定算法和優(yōu)化 準(zhǔn)則，主動(dòng)適應(yīng)周圉電磁環(huán)境的變化。它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過滿足某一 準(zhǔn)則的算法來調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的加權(quán)幅度和相位，動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生空間定向波束，使天 線的主波束跟蹤用戶信號(hào)的到達(dá)方向，旁瓣或零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)的到達(dá)方 向，

3、進(jìn)而達(dá)到抑制干擾信號(hào)，提高所需信號(hào)信噪比的目的。3智能天線的結(jié)構(gòu)與原理智能天線是一種具有測向和波束形成能力的天線陣列，利用數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波朿，使天線主波束對準(zhǔn)期望用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或 零陷對準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抑制干擾信號(hào)的 r的。智能天線類似一個(gè)空間濾波器，發(fā)射機(jī)把高增益天線波束對準(zhǔn)通屮的接機(jī), 這樣既可增大通信距離，又可減少對其他方向上接收機(jī)的干擾。接收機(jī)把高增益 天線對準(zhǔn)通信中的發(fā)射機(jī)，可增大接收信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)把零點(diǎn)對準(zhǔn)其他干擾信 號(hào)的入射方向，可濾除同道干擾和多址干擾，從而提高接收信號(hào)的載干比。智能 天線利用了天線陣列中各單元間的位置

4、關(guān)系，即利用了信號(hào)間的相位關(guān)系。這是 與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)有的頻分多址fdma,時(shí)分多址tdma和碼分多 址cdma,分別在頻域、時(shí)域和碼組上實(shí)現(xiàn)用戶的多址接入，而智能天線采用了 第四維多址，空分多址sdma技術(shù)。4智能天線的優(yōu)勢4. 1實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的定位當(dāng)基站采用智能天線系統(tǒng)后，可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲 得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向，繼而將用戶終端定位在一個(gè)較小的區(qū)域，由于 目前的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)能確定移動(dòng)臺(tái)處于哪個(gè)小區(qū)，因而移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí) 現(xiàn)就可以推出許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)，繼而提高運(yùn)營商的競爭力。4 2 抗衰落 抗干擾移動(dòng)通看的一個(gè)主要問題是信號(hào)的衰落，普通全向天線或

5、定向天線都會(huì)因 衰落使信號(hào)失真較大。采用智能天線控制接受方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性, 降低信號(hào)衰落的影響，采用智能天線還可以增加分集增益，這等效于同吋提高 了天線陣列的接收靈皺度，或增加了基站發(fā)射機(jī)的等效各向同性輻射功率。由智 能天線的工作原理圖可知，信號(hào)的接收是有方向性的，能夠?qū)邮辗较蛞酝獾?信號(hào)進(jìn)行抑制，有效降低了系統(tǒng)的干擾。4. 3提高通信系統(tǒng)質(zhì)量智能天線可以從多方面來提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。多徑傳播使接收信號(hào)產(chǎn) 生時(shí)延擴(kuò)展和多徑衰落，時(shí)延擴(kuò)展引起碼間串?dāng)_(isi),限制了數(shù)據(jù)傳輸率。多 徑衰落使接收信號(hào)的信噪比(snr)惡化。由丁-能夠在某一特定方向形成高增益波 束而在其它方向形

6、成波束零點(diǎn)，因此可以抗衰落，提高質(zhì)量。5、采用軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線智能天線需根據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸特性和環(huán)境，選用不同的算法來調(diào)整波束， 甚至改變系統(tǒng)的資源管理狀態(tài)，為提高其運(yùn)用彈性和靈活度，采用軟件無線電 (sdr)實(shí)現(xiàn)智能天線己成為主流趨勢。軟件無線電采用開放式架構(gòu)，以硬件作為其通用的基本平臺(tái)，通過軟件完成 功能性的重組，以滿足不同環(huán)境、多模式、多功能的通信要求，同時(shí)具備可適應(yīng) 性信號(hào)處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟件控制方式改變碩件特 性的通信設(shè)備，均可視為軟件無線電系統(tǒng)。軟件無線電系統(tǒng)的發(fā)展方式類似于軟 件開發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)硬件組件模塊可視為功能不同的對象(object),根據(jù)

7、呼叫 的不同啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行程序，因此可直接通過下載程序代碼的方式來置換對象， 即可顯現(xiàn)在同一硬件平臺(tái)上，可適應(yīng)性的調(diào)整應(yīng)用架構(gòu)，借以提高系統(tǒng)的運(yùn)用彈 性和擴(kuò)充能力，提供高效率、高彈性、高適應(yīng)性的處理能力。因?yàn)椴粚τ布M態(tài) 進(jìn)行任何改變，所以系統(tǒng)具有易維護(hù)、易應(yīng)用的操作環(huán)境。鑒于未來無線通信系統(tǒng)的體制繁多，為使智能天線能配合系統(tǒng)進(jìn)行平滑的技 術(shù)演進(jìn)，進(jìn)而能更彈性地運(yùn)用于多模系統(tǒng)中，軟件無線電將是未來猶能天線研制 的重要系統(tǒng)架構(gòu)。利用軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意如圖1所示。圖1軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意圖軟件無線電系統(tǒng)由不同的硬件模塊所構(gòu)成，其中包扌舌可組態(tài)通信系統(tǒng)模塊、 基頻處理單元（含d

8、sp及fpga模塊）、數(shù)字寬頻收發(fā)單元（含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （adc）、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（dac）、實(shí)吋操作系統(tǒng)及智能天線單元等。運(yùn)用 軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展智能天線的最大挑戰(zhàn)在于各種算法的建立。6、智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用在實(shí)際的移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境中，干擾和多徑衰落現(xiàn)象異常復(fù)雜，智能天 線的使用能有效改善系統(tǒng)的性能，擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域、提高系統(tǒng)容量、提高數(shù)據(jù) 傳輸速率、提高頻譜利用效率、降低基站發(fā)射功率、節(jié)省系統(tǒng)成本、減少信號(hào)間 干擾和電磁環(huán)境污染等。由于智能天線技術(shù)是物理層技術(shù)，不會(huì)影響系統(tǒng)的高層 協(xié)議，因此，它適用于各種無線接口，在現(xiàn)有和未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)中將發(fā)揮越 來越大的作用。7智

9、能天線在td -s c d m a中的應(yīng)用td- scdma中智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的 對稱性而獲得，同時(shí)，智能天線不僅可以減小小區(qū)間干擾，也可以減小小區(qū)內(nèi) 干擾。td- scdma系統(tǒng)釆用的智能天線，陣列是由8個(gè)天線單元組成圓形陣列， 直徑為25cm,各陣元間距為半個(gè)載波波長，同全方向天線相比，它可以獲得較 大的增益，其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵(lì)， 利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使用dsp數(shù)字信號(hào)處理器， 使主瓣自適應(yīng)地指向移動(dòng)臺(tái)方向，就可達(dá)到提高信號(hào)的載干比，降低發(fā)射功率 等目的。由于每個(gè)用戶在小區(qū)中的位置不同，因此

10、一方面要求天線具有多向性，另 一方面則要求在每一個(gè)獨(dú)立方向上，系統(tǒng)都能跟蹤個(gè)別用戶，通過dsp控制用戶 的方向測量即可實(shí)現(xiàn)，td- scdma系統(tǒng)中，無線子幀的長度是5ms,在移動(dòng)臺(tái)的 移動(dòng)速度不超過120km/h的情況下，移動(dòng)臺(tái)在5n）s的位置變化在2ghz頻段小于 一個(gè)波長，這時(shí)上行鏈路與下行鏈路的信道特性雖然存在偏差，但很小，利用 上行獲得的波束信息來做下行的波束成形仍然能夠正常工作。同時(shí)，td- scdma 系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)勢，即用戶信號(hào)的發(fā)送和接收都在相同的頻段上，因此兩個(gè)鏈 路的傳輸條件是相同的，使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低，使系統(tǒng)有最 佳性能。8結(jié)束語智能天線技術(shù)近年來備受關(guān)注，未來的第四代移動(dòng)通信已經(jīng)把智能天線技 術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一，智能天線技術(shù)帶給移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是其他技術(shù)都難 以取代的，但是也存在著問題，比如智能天線的實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)和波束成型的速 度問題以及由于智能天線的引入帶來的設(shè)備復(fù)雜性問題等。到目前為止，智能天 線技術(shù)還沒有完全成熟，智能天線技術(shù)本身也在發(fā)展進(jìn)步，并不斷和其他信號(hào) 與信息處理技術(shù)互相結(jié)合，相信在未來智能天線技術(shù)必將發(fā)揮它巨大的潛力和 優(yōu)勢！參考文獻(xiàn)1 田雨等智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的