智能天線技術(shù)資料PPT課件

1、目錄目錄 智能天線技術(shù)基本概念 智能天線技術(shù)的基本原理 智能天線的用途 智能無線技術(shù)的分類 智能天線對無線網(wǎng)絡(luò)性能及電磁輻射的改善 TD智能天線的四大趨勢第1頁/共29頁智能天線技術(shù)基本概念智能天線技術(shù)基本概念 智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線，它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，以達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個天線均需一個Rake接收機，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。第2頁/

2、共29頁柵狀拋物面天柵狀拋物面天線線八木定向天線基站天線它是為了擴頻通信系統(tǒng)而設(shè)計的它是由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，它的特點是有很好的方向性基站天線設(shè)置需要重點考慮下傾角、方向角、天線掛高、天線分集距離和隔離距離等參數(shù)。第3頁/共29頁手機天線手機天線車載衛(wèi)星天線它是配合GPS定位儀和RSSI信號強度分析設(shè)備，實現(xiàn)高速移動中變向搜索信號的功能，內(nèi)置多個控制電機。同時可收看國內(nèi)外超過300個頻道，和更多電影電視頻道的電視節(jié)目。我們打電話、發(fā)短信、玩網(wǎng)絡(luò)游戲、轉(zhuǎn)微博都是通過天線模塊實現(xiàn)的。第4頁/共29頁智能天線技術(shù)的基本原理智能天線技術(shù)的基本原理 智能天線采用空分多址技

3、術(shù)(SCDMA),利用信號在傳輸方向上的差別,將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來,最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數(shù)字信號處理技術(shù)組成。第5頁/共29頁智能天線技術(shù)的基本原理智能天線技術(shù)的基本原理 右圖描述了一個具有智能天線、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框圖。和傳統(tǒng)的沒有 智 能天線的基站比較 , 他在硬件上由一個天線陣和一組收發(fā)信機組成了其射頻部分, 而在基帶信號處理部分的硬件則基本相同。必須說明的是, 這一組收發(fā)信機將使用同一個本振源, 以保證此組收發(fā)信機是相干工作的。第6頁/共29頁智能天線技術(shù)的基本原理智能天線技術(shù)的基本原理人們在習(xí)慣

4、上還將智能天線系統(tǒng)分為兩類，開關(guān)波束和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。開關(guān)波束具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，其天線系統(tǒng)可形成多個固定的波束，在特定的方向上提高靈敏度。它從幾個預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。自適應(yīng)天線具有無限數(shù)目的、隨時間調(diào)整的方向圖，該技術(shù)是目前最先進的智能天線方法，它采用多種較新的信號處理算法，可以有效地跟蹤、鎖定各種類型的信號，動態(tài)抑制其干擾到最小，而所希望的信號最大。 第7頁/共29頁開關(guān)波束天線接收機開關(guān)波束天線接收機波束切換系統(tǒng)原理圖開關(guān)波束天線方向圖第8頁/共29頁波束形成步驟 首先，估計所有多徑分量的入射角；

5、 其次，確定某一方向的信號為有用信號還是干擾信號，當(dāng)然這需要有用戶識別信號； 第三，計算出天線加權(quán)值，形成特定的波束，得到最優(yōu)化的信號噪聲干擾信號比。該波束自適應(yīng)波束形成需三個能夠最大限度地放大有效信號，同時以零陷對準(zhǔn)干擾信號，使干擾信號在理論上被完全地抑制。第9頁/共29頁智能天線的用途智能天線的用途智能天線在移動通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統(tǒng)容量以及移動臺的定位。第10頁/共29頁抗衰落抗衰落 采用智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減少信號衰落的影響。智能天線還可以用于分集，減少衰落?？垢蓴_高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA基站

6、，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用實質(zhì)是空間域濾波。增加系統(tǒng)容量為了滿足移動 通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。實現(xiàn)移動臺定位目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向，即用戶終端的方位。第11頁/共29頁智能無線技術(shù)的分類智能無線技術(shù)的分類智能天線是一個天線陣列，它由N個天線單元組

7、成。每個天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：第12頁/共29頁自適應(yīng)方向圖智能天線自適應(yīng)方向圖智能天線 采用自適應(yīng)算法，其方向圖沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。另外，由于波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實時優(yōu)化上。第13頁/共29頁自適應(yīng)天線陣接收機自適應(yīng)天線陣接收機自適應(yīng)天線陣方向圖第14頁/共29

8、頁自適應(yīng)天線的發(fā)展自適應(yīng)天線的發(fā)展自適應(yīng)天線已有30多年，大體上可以分成三個發(fā)展階段 第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點控制上。 第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特征空間正交譜估計等等。 第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上。第15頁/共29頁自適應(yīng)算法自適應(yīng)算法最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則最小二乘(LS)準(zhǔn)則最大信噪比準(zhǔn)則統(tǒng)計檢測準(zhǔn)則最優(yōu)準(zhǔn)則自適應(yīng)算法是采用基于梯度的算法，其中最小均方誤差算法（即LMS算法）尤為常用。自適應(yīng)算法可以用硬件(處理電路)或軟件（程序控制）兩種辦法實現(xiàn)。前者依據(jù)算法的數(shù)學(xué)模型設(shè)計電路，后者則將算法的數(shù)學(xué)模型編制成程序并用計算機實

9、現(xiàn)。第16頁/共29頁固定形狀方向圖智能天線固定形狀方向圖智能天線 固定形狀方向圖智能天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達方向(DOA)，然后根據(jù)信號的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。第17頁/共29頁智能天線對無線網(wǎng)絡(luò)性能智能天線對無線網(wǎng)絡(luò)性能及電磁輻射的改善及電磁輻射的改善 對無線干擾的控制一直是移動通信運營商關(guān)注的問題，良好的干擾控制不僅可以

10、提高通信質(zhì)量，而且可以提升網(wǎng)絡(luò)所能承載的用戶數(shù)。為了有效地控制干擾，移動通信基站從單小區(qū)全向站發(fā)展到了三小區(qū)定向站，CDMA系統(tǒng)甚至使用六小區(qū)定向站。第18頁/共29頁麥得威的麥得威的GSMGSM智能天線智能天線 麥得威的GSM智能天線系統(tǒng)實際是一個近似十二小區(qū)的系統(tǒng)，在使用上，廣播信道和公用控制信道使用三小區(qū)系統(tǒng)，而話務(wù)信道使用十二小區(qū)系統(tǒng)。如圖是12小區(qū)的系統(tǒng)相對與全向站，載干比有大約11dB B的增益。的增益。第19頁/共29頁 對一些同頻信道進行了干擾強度的比較測試，結(jié)果是這些信道的干擾強度在使用智能天線后，得到了很大程度的控制。從表中可以看出對其他小區(qū)同頻信道的干擾減少了3.56dB

11、。上行、下行信號的誤率也降 低，移動臺的發(fā)射功率、場強也降低了。第20頁/共29頁測試次測試次數(shù)數(shù) 測試測試頻點頻點 平均干擾強度平均干擾強度（傳統(tǒng)天線）（傳統(tǒng)天線） 平均干擾強平均干擾強度（智能天度（智能天線線） 干擾降干擾降低低 第一次 同頻1 -80.19 dBm -85.70 dBm 5.52 dB 同頻2 -82.27 dBm -87.91 dBm 5.64 dB 第二次 同頻1 -82.91 dBm -89.00 dBm 6.09 dB 同頻2 -84.14 dBm -87.62 dBm 3.48 dB 第21頁/共29頁第22頁/共29頁第23頁/共29頁TDTD智能天線的四大趨

12、勢智能天線的四大趨勢 趨勢一：與MIMO技術(shù)相結(jié)合 MIMO技術(shù)是4G中的一項關(guān)鍵技術(shù)，可以大大增加無線通信系統(tǒng)的容量，并有效改善無線通信系統(tǒng)的性能，非常適合未來移動通信系統(tǒng)中對高速率業(yè)務(wù)的要求。 智能天線和MIMO都屬于多天線系統(tǒng)中的技術(shù)，兩者既有共性又有顯著區(qū)別：智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)；而MIMO是在無線鏈路兩端都使用多元天線陣列，將發(fā)送分集和接收分集結(jié)合起來的技術(shù)。智能天線的原理是利用到達天線陣的信號之間完全相關(guān)性形成天線方向圖，利用信號的相位關(guān)系克服多徑干擾，實現(xiàn)信號的定向發(fā)送和接收；而在MIMO中天線收發(fā)信號是全方位的，并且到達天線陣的信號必

13、須相互獨立，用多個天線接收信號來克服信號到達接收機的空間深衰落，增加分集增益。 智能天線技術(shù)可以形成能量集中的波束，增強有用信號并降低干擾，而MIMO技術(shù)可以充分利用多徑信息來提高系統(tǒng)容量。如果將兩者結(jié)合起來，充分利用兩種技術(shù)帶來的增益，將給系統(tǒng)性能和容量帶來極大的提升。因此，充分結(jié)合MIMO技術(shù)和智能天線技術(shù)的優(yōu)點，進一步開發(fā)空域資源，使得通信終端能在更高的移動速度下實現(xiàn)可靠傳輸，則成為智能天線未來發(fā)展的必然趨勢之一。第24頁/共29頁TDTD智能天線的四大趨勢智能天線的四大趨勢 趨勢二：一體化智能天線 目前，現(xiàn)網(wǎng)使用的雙極化智能天線都需要通過9條上跳線額外連接RRU設(shè)備，其中8條連接天線射

14、頻通道，1條是智能天線校準(zhǔn)線。這種智能天線和RRU分體通過電纜連接的方式有著一些不可避免的缺點，如：9條上跳線均需要做好接頭防水處理，電大量防水接頭施工給工程帶來極大的不便，使得安裝困難的同時還降低了設(shè)備的穩(wěn)定性；天線和RRU設(shè)備之間的線纜連接也使得基站室外美觀性大大降低，站點選擇及協(xié)調(diào)困難，周圍居民抵觸情緒較高；分別安裝RRU和天線，耗費工時，安裝復(fù)雜；8個天線端口需要有很好的幅度和相位一致性，以便在智能天線的方向圖合成中以及校準(zhǔn)中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。在實際應(yīng)用中，9根上跳線的幅相一致性以及長期戶外應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性都將難以保證等。 一體化智能天線是將天線與RRU整合為一體的智能天線，此類天

15、線是在普通雙極化天線的基礎(chǔ)上，外部結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整完成的，在電氣性能，電性能測試等方面，與普通雙極化天線一致。 考慮到室外F、E頻段的引入，一體化智能天線必將登上TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的舞臺，成為智能天線發(fā)展的重要趨勢之一。第25頁/共29頁TDTD智能天線的四大趨勢智能天線的四大趨勢 趨勢三：電調(diào)智能天線 目前，現(xiàn)網(wǎng)采用的智能天線均采用預(yù)置下傾和機械下傾相結(jié)合的方式來調(diào)整天線的下傾角。雖然這種方式也能滿足覆蓋要求，但在工程應(yīng)用中也暴露了一些機械調(diào)下傾角無法克服的缺點，如：調(diào)整下傾角困難，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工程中，需要耗費大量的人力資源，調(diào)節(jié)效率低；由于采用機械下傾，站點在進行隱蔽工程時，隱蔽外罩需

16、要預(yù)留較大的下傾角調(diào)節(jié)空間，造成隱蔽工程體積龐大；在大角度下傾時水平面覆蓋產(chǎn)生畸變，且伴隨交叉極化和主極化特性變差、水平面前后比與無下傾時趨勢不一致等。 正是由于常規(guī)智能天線存在這些不可克服的缺點，電調(diào)智能天線的開發(fā)與應(yīng)用將必然成為未來TD-SCDMA智能天線發(fā)展的重要趨勢之一。電調(diào)智能天線有以下優(yōu)點： 可實現(xiàn)波束下傾角的連續(xù)動態(tài)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化動態(tài)實時調(diào)整時不需要閉站，可以及時平衡覆蓋、容量、干擾等多方面的矛盾； 在結(jié)構(gòu)上垂直安裝，無需考慮下傾預(yù)留空間，安裝件簡單可靠，且便于美化； 監(jiān)控數(shù)據(jù)庫保存各站址天線波束的調(diào)整數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，便于結(jié)合遠程監(jiān)控分析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋。第26頁/共29頁 趨勢四

17、：介質(zhì)智能天線 對于基站天線來說，小型化天線有著不可比擬的優(yōu)勢：不僅可以降低機械承載，方便天線的安裝，而且可以節(jié)省寶貴的天面資源，為多系統(tǒng)的天線共站提供了更加便利的條件，此外，也非常有利于天線美化和隱蔽工程。雖然目前的雙極化智能天線尺寸已比最初的智能天線尺寸減少了一半左右，但還不能稱之為小型化天線，小尺寸智能天線的研發(fā)和應(yīng)用仍是智能天線未來的發(fā)展方向之一。 由于電磁波在不同的介質(zhì)傳播特性有所不同，介質(zhì)的存在就會影響電磁波的傳播，利用這個特性，采用低損耗高頻介質(zhì)作為填充材料，結(jié)合適當(dāng)?shù)奶炀€結(jié)構(gòu)，在選擇適當(dāng)形狀、介電常數(shù)以及饋電方式的情況下，介質(zhì)諧振器可以作為天線來使用。介質(zhì)天線的一大優(yōu)點就是在不改變天線性能的情況下，可以將天線的尺寸大幅度降低。 介質(zhì)智能天線就是將介質(zhì)天線和智能天線相結(jié)合而制造出來的幾何尺寸較小的智能天線。TD-SCDMA系統(tǒng)使用的智能天線是由多個天線單元組