智能天線論文

1、1. 引言1.1發(fā)展歷程年代以來，陣列處理技術(shù)引入移動(dòng)通信領(lǐng)域，很快形成了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)智能天線（SmartAntennas）。智能天線應(yīng)用廣泛，它在提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價(jià)和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。智能天線技術(shù)因此用于

2、具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。此外，隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)迅速增長和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA（direction of arrinal），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)

3、擴(kuò)容的需要。實(shí)際上它使通信資源不再局限于時(shí)間域（TDMA）頻率域（FDMA）或碼域（CDMA）而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。1.2智能天線的基本思想天線以多個(gè)高增益窄帶波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶；接收模式下，來自窄帶波束以外地信號(hào)被抑制；發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大，同時(shí)使窄帶波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。1.3空分多址的概念與傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA）、十分多址（TDMA）和碼分多址不同，智能天線引入空分多址（SDMA），利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶；在相同時(shí)隙，相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)不同的傳播路徑來區(qū)分；SDMA

4、是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式，例如空時(shí)碼分多址（SD-CDMA）；智能天線與傳統(tǒng)天線在概念上的區(qū)別，智能天線理論支撐是信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測與估計(jì)理論，信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理。1.4智能天線和自適應(yīng)天線的區(qū)別智能天線以自適應(yīng)天線為基礎(chǔ)的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過抑制干擾和對(duì)抗衰落來增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而提高頻譜利用率，不僅涉及智能接收，還包括智能發(fā)射；智能天線與自適應(yīng)天線有著本質(zhì)的區(qū)別，后者只能對(duì)功率方向圖進(jìn)行調(diào)整，而前者還可以獨(dú)立的對(duì)信道方向圖進(jìn)行調(diào)整。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號(hào)方向的不同，將不同信號(hào)分開，從

5、而對(duì)傳統(tǒng)信道空分復(fù)用，增加系統(tǒng)容量。2 . 智能天線的形式2.1根據(jù)工作方式的不同根據(jù)工作方式不同可分為：欲多波束或切換波束系統(tǒng)（圖一所示）和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)（圖二所示）。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線陣列一般采用416天線陣元

6、結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。 圖一 欲多波束或切換波束系統(tǒng) 圖二 自適應(yīng)陣列系統(tǒng)2.2根據(jù)波束形成的不同根據(jù)波束形成不同可分為：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對(duì)各陣元按接收信號(hào)采樣進(jìn)行加權(quán)求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向。由于各種陣元均參與自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整，這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處理。波束空間處理方式包含兩級(jí)處理過程，第一級(jí)對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行固定加權(quán)求和

7、，形成多個(gè)指向不同方向的波束；第二級(jí)對(duì)第一級(jí)的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出，此方案不是對(duì)全部陣元是從整天計(jì)算最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對(duì)其中的部分陣元作自適應(yīng)處理，因此，屬于部分自適應(yīng)陣列處理；計(jì)算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。3.智能天線的結(jié)構(gòu)3.1典型陣列均勻線陣（如圖三a）；隨機(jī)分步線陣（如圖三b）；十字陣（如圖三c）；圓陣；面陣，等。圖三 （從上至下a,b,c）幾種典型陣列3.2結(jié)構(gòu)原理圖（如圖四所示）圖四 結(jié)構(gòu)原理圖3.3系統(tǒng)組成3.3.1天線陣列：天線陣元數(shù)量與天線陣元的配置方式，對(duì)智能天線的性能有著重要的影響；

8、3.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換：接收鏈路：模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)發(fā)射鏈路：數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)3.3.3智能處理：天線波束在一定范圍內(nèi)能根據(jù)用戶的需要和天線傳播環(huán)境的變化而自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，包括：以數(shù)字信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理器，用來產(chǎn)生自適應(yīng)的最優(yōu)權(quán)值系數(shù)：以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)4.智能天線的信號(hào)模型在多用戶情況下，K：系統(tǒng)中的用戶數(shù)；M：天線陣元個(gè)數(shù)；則在頻率選擇性衰落情況下，接收到的第k個(gè)用戶的信號(hào)矢量為：（其中Lk表示第k個(gè)用戶的多徑數(shù)，表示第k個(gè)用戶第l徑的復(fù)信道增益）則在平坦衰落情況下，接收到的第k個(gè)用戶的信號(hào)矢量為：5.智能天線的賦形5.1波束形成技術(shù)：

9、使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高陣列輸出所需信號(hào)的強(qiáng)度；5.2零點(diǎn)技術(shù)：使陣列天線方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，減少干擾信號(hào)的強(qiáng)度；5.3空間譜估計(jì)技術(shù)：處理帶寬內(nèi)信號(hào)的到達(dá)方向DOA（Direction of Arrival）問題；圖五 各用戶的天線方向圖6.智能天線的常用準(zhǔn)則6.1最大信干噪比準(zhǔn)則：最佳加權(quán)使得陣列輸出信號(hào)的信號(hào)干擾噪聲比最大；6.2最小均方誤差準(zhǔn)則：最佳加權(quán)使得陣列輸出和有用信號(hào)的均方誤差最小；6.3最小方差準(zhǔn)則：最佳加權(quán)使得陣列輸出噪聲的方差最小；6.4最大似然準(zhǔn)則：經(jīng)過空時(shí)加權(quán)后的估計(jì)信號(hào)與期望信號(hào)有最大可能的相似；7智能天線提高系統(tǒng)性能的原理 7.1提高頻譜利

10、用率采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運(yùn)營商成本。 7.2迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量。 7.3抑制干擾信號(hào)智能天線對(duì)來自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過對(duì)各天線元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。 74抗衰落高頻無線通信的主要問題是信號(hào)的衰

11、落，普通全向天線或定向天線都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(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。通過此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競爭力的必然手段8.智能天線在3G中的應(yīng)用8.1歐洲歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE

12、(Research into Advanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，1995年初開始現(xiàn)場試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。 8.2日本ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。 8.3中國ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。中國的TD-SCDMA是3G中比較明確使用智能天線的方案。 9.智能天線的現(xiàn)狀及展望我國已將智能天線技術(shù)列入國家863-317通信技術(shù)主課題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)；我