智能天線及其在移動通信中的應(yīng)用

1、智能天線及其在移動通信中的應(yīng)用1智能天線的基本概念及組成1.1基本概念及工作原理在移動通信中,智能天線是天線陣在感知和判斷自身所處電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上,依據(jù)一定的準(zhǔn)則,自動地形成多個高增益的動態(tài)窄波束,以跟蹤移動用戶,同時抑制波束以外的各種干擾和噪聲,從而處于最佳工作狀態(tài)。智能天線吸取了自適應(yīng)天線的抗干擾原理,依靠陣列信號處理和數(shù)字波束形成技術(shù)發(fā)展起來。1.2組成及關(guān)鍵技術(shù)(1)射頻部分射頻部分包括陣列天線和高頻處理。在移動通信系統(tǒng)中,天線陣通常采用直線陣和平面陣兩種方式。陣的形式確定下來后,天線單元的選擇非常關(guān)鍵,除了必須滿足系統(tǒng)提出的頻帶、駐波比、增益、極化等性能指標(biāo)外,在實(shí)際中還要做到單元間

2、的互耦小、一致性好和加工方便等,微帶天線憑借自身特有的優(yōu)勢,已經(jīng)在這方面得到廣泛的應(yīng)用。高頻處理主要是指對接收或發(fā)射信號進(jìn)行放大,以滿足A /D變換或發(fā)射功率的要求?？紤]到智能天線對誤差非常敏感,還要保證射頻部分各個支路幅度和相位的一致性。(2)中頻部分目前受數(shù)字器件水平的限制,還不能直接對來自天線單元的微波信號進(jìn)行采樣。較為常用的辦法是:先利用下變頻器將微波高頻信號變到中頻,然后使該支路的模擬信號經(jīng)過濾波和放大等中頻處理,最后對它進(jìn)行采樣,典型的實(shí)現(xiàn)方法有兩種,分別如圖2(a)、(b)所示。圖2(a)所示的是雙下變頻接收機(jī),通過兩級混頻器,完成高頻信號到中頻的變換。這種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是降低了對

3、A /D變換器采樣速率的要求,而且整個接收機(jī)的增益分配也有一定的靈活性。圖2(b)為直接采樣接收機(jī),它借助于更快速度的A /D變換器和其他一些輔助的數(shù)字器件,在中頻直接對信號進(jìn)行采樣,避免了信道中I和Q兩路信號的匹配問題。圖中均衡器的作用是補(bǔ)償各支路間幅度和相位的不一致。(3)數(shù)字波束形成部分?jǐn)?shù)字波束形成(DBF)是智能天線的核心部分,在硬件上需要有高速率的數(shù)字信號處理芯片支持。目前能用于該領(lǐng)域的數(shù)字器件主要有兩種:一種是通用的DSP芯片,如TMS 320系列;另一種是專用集成電路(ASIU),其中最為典型的是能進(jìn)行大規(guī)模并行處理的FPGA。2移動通信系統(tǒng)采用智能天線的好處 2.1提高系統(tǒng)容量

4、和頻譜效率智能天線通過以下途徑來提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率:(1)產(chǎn)生多個窄波束來對準(zhǔn)移動用戶,以致處于發(fā)射狀態(tài)時能減少對附近小區(qū)移動用戶的共信道干擾,處于接收狀態(tài)時各種干擾信號因落入方向圖零點(diǎn)而被抑制;(2)具有空分多址性能。假設(shè)智能天線形成N個波束來跟蹤移動用戶,那么在理論上,該小區(qū)內(nèi)相同的頻率就可重復(fù)利用N次,系統(tǒng)的容量增加N倍,或者在容量不變的情況下,服務(wù)的小區(qū)面積可增加N1r倍(r是電波傳播損耗因子,通常為4);(3)智能天線還能明顯提高接收信號的信噪比,改善系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量,意味著在不提高服務(wù)質(zhì)量的條件下可增加用戶數(shù)量。研究表明,現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的每個基站都使用四單元的智能天線后,

5、系統(tǒng)的容量可提高7倍,而在同樣條件下,采用四個固定波束的天線只能增加1倍的容量。以上結(jié)果都是與全向天線相比而言。2.2智能化的信道分配和越區(qū)切換智能天線采用數(shù)字信號方式將各支路的有用信號保留到A /D變換之后,借助于陣列信號處理,可對各種信號(包括通信信號和干擾信號)的參數(shù)(如信號個數(shù)、頻率、到達(dá)角等)進(jìn)行估計,對移動用戶進(jìn)行定位和跟蹤。有了這些重要信息,智能天線就能打破傳統(tǒng)按固定邊界小區(qū)分配信道數(shù)的思路,將其波束覆蓋的區(qū)域定義為一個智能小區(qū),根據(jù)該小區(qū)內(nèi)用戶群業(yè)務(wù)量的大小,實(shí)時分配信道,大大提高了信道利用率。3國外智能天線的研究3.1用于衛(wèi)星移動通信的智能天線L波段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的智能天線

6、陣采用由16個環(huán)形微帶貼片天線組成的44方形平面陣,射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A /D變換器的采樣速率為128kHz,分辨率為8位。在數(shù)字信號處理部分,選用10個FPGA芯片,其中8片用于16個天線支路的準(zhǔn)相干檢測和快速傅立葉變換,另外2片起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應(yīng)算法選用CMA。對該系統(tǒng)進(jìn)行外場測試發(fā)現(xiàn),能產(chǎn)生16個波束來覆蓋整個上半空間,并且不需要借助任何傳感器,就能用最高增益波束自動捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號, 在各種復(fù)雜環(huán)境下都能提供比其他天線高得多的通信質(zhì)量。3.2用于蜂窩移動通信系統(tǒng)的智能天線用于蜂窩移動通信基站的智能天線基本設(shè)計思想是當(dāng)天線

7、工作在接收狀態(tài)時,利用高分辨測向算法(如ESPRIT)獲得通信信號的引導(dǎo)矢量,求得上行鏈路加權(quán)系數(shù)。當(dāng)智能天線處于發(fā)射狀態(tài)時,對于時分復(fù)用系統(tǒng),由于上下行鏈路使用相同頻率,上行鏈路的加權(quán)系數(shù)可直接用于下行鏈路;對于頻分復(fù)用系統(tǒng),上下行鏈路之間一般有四十幾MHz的頻率間隔,因此上行鏈路的加權(quán)系數(shù)必須經(jīng)過適當(dāng)處理后,才能用于下行鏈路。該智能天線工作在900MHz,天線陣選用間距為/2的8個微帶天線所排成的直線陣,中頻頻率為144MHz。對于(1)視線內(nèi)無阻擋、無多徑信號,(2)視線內(nèi)無阻擋、有一路多徑信號,(3)視線內(nèi)有阻擋,天線只能接收到反射信號,在這三種不同的環(huán)境下,對該天線的性能指標(biāo)進(jìn)行多次測試發(fā)現(xiàn):與單個天線的情況相比,智能天線能明顯地減少上下行鏈路的衰落,提高信噪比。3.3其它智能天線歐洲RACE TSUNAMI計劃中的智能天線采用DECT標(biāo)準(zhǔn),射頻頻率為1.89GHz,天線陣由8個微帶貼片組成,