無線通訊智能天線

1、智能天線技術(shù)隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這個問題?；窘榻B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)波未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

2、調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀。達(dá)到增強(qiáng)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(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。起源發(fā)展智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代智能天線陣通信系統(tǒng)所接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)智能天線陣在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法

3、，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時分多址（TDMA ）、頻分多址（FDMA ）或碼分多址（CDMA ）方式，智能天線引入了第四維多址方式空分多址（SD

4、MA ）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)的性能：（1）擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；（2）增加系統(tǒng)容量；（3）提高頻譜利用效率；（4）降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。 編輯本段工作原理天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對于全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個元素的加權(quán)參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大

5、增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實(shí)時地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應(yīng)的方向圖的設(shè)備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的 智能天線原理圖(單個用戶主瓣對準(zhǔn)有用信號，而在智能天線原理圖(單個用戶 其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實(shí)時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關(guān)于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元

6、，按一定的方式排列，構(gòu)成天線陣列。構(gòu)成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，并且取向相同。智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成, 如圖所示。實(shí)際智能天線結(jié)構(gòu)比圖復(fù)雜, 因?yàn)閳D中表示的是單個用戶情況, 假如在一個小區(qū)中有K 個用戶, 則圖1中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用, 其余自適應(yīng)數(shù)字信號處理器與相應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)需要每個用戶一套, 共K 套。以形成K 個自適應(yīng)波束跟蹤K 個用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶, 剩下的K- 1 個用戶均為干擾用戶。智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益, 在干擾源的方向降

7、低增益. 因此, 智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用可以帶來如下好處：提高系統(tǒng)容量、減小衰減、抗干擾能力較強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)移動臺定位、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力等。編輯本段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。（1）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。（2）抗干擾高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA 基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能。抗干擾應(yīng)用實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。（3）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(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少

8、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。（4）實(shí)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(jī)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(dá)方向，即用戶終端的方位。編輯本段技術(shù)分類智能天線是一個天線陣列，它由N 個天線單元組成。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：自適應(yīng)方向圖智能天線它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲

9、相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)時優(yōu)化上。智能天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意圖性，但它是從信號干軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意圖擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線 方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時建立了信號環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自

10、適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號處理的理論和方法、自動控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。 自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來，已有30多年。大體上可以分成三個發(fā)展階段：第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點(diǎn)控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計(jì)上，諸如最大似然譜估計(jì)、最大熵譜估計(jì)、特征空間正交譜估計(jì)等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應(yīng)信號處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。 固定形狀方向圖智能天線固定形狀方向圖智能天線在工作時，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(dá)方向(DO

11、A，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于處于非主瓣區(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。近年來，一些研究小組針對個人移動通信環(huán)境的DOA 檢測算法進(jìn)行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究。Bigler 等人的實(shí)驗(yàn)表明，在900MHz 移動通信頻段的DOA 的實(shí)測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實(shí)驗(yàn)中DOA 估計(jì)值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4度。在

12、多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測量是目前理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進(jìn)行了分析，給出了對應(yīng)的模型。在美國的Boston 地區(qū)，New Jersey 的高速公路, 德國的Munich 地區(qū)等進(jìn)行了大量的測試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點(diǎn)之一。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，

13、采用軟件無線電（SDR ）實(shí)現(xiàn)智能天線已成為主流趨勢。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，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，同時具備可適應(yīng)性信號處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟件控制方式改變硬件特性的通信設(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)中各個硬件組件模塊可視為功能不同的對象（object ），根據(jù)呼叫的不同啟動相應(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

14、。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智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)示意如圖所示。軟件無線電系統(tǒng)由不同的硬件模塊所構(gòu)成，其中包括可組態(tài)通信系統(tǒng)模塊、基頻處理單元（含DSP 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)時操作系統(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。編輯本段技術(shù)應(yīng)用在3G 中的應(yīng)用在WCDMA 和C

15、DMA2000 中的應(yīng)用。第3 代系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一個可以提供相當(dāng)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。但是, 它們還會像第2 代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)認(rèn)識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用, 并且在3G 標(biāo)準(zhǔn)中制訂了相關(guān)的條款。如WCDMA 和CDMA2000 都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導(dǎo)頻信道, 但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。對于WCDMA 和CDMA2000 系統(tǒng)而言, 智能天線雖然是推薦配置, 但是當(dāng)今的一些WCDMA 和CDMA2000 的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。在TD- SCDMA 系統(tǒng)中的應(yīng)用。TDSCDMA(時分同步的碼分多址 智能天線的高效率

16、是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性( 無線環(huán)境和傳輸條件相同 而獲得的。此外, 智能天線可減少小區(qū)間干擾, 也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。 TD- SCDMA 系統(tǒng)的智能天線是由8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm 。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。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，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)字信號處理器 使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達(dá)到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。由于

17、每個用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨(dú)立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP 控制用戶的方向測量使上述要求可以實(shí)現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達(dá)角進(jìn)行測量。在TD- SCDMA系統(tǒng)中, 由于無線子幀的長度是5ms ，則至少每秒可測量200 次，每用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。TDD(時分雙工 模式的TD- SCDMA 的進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2 個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的, 使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低, 從而獲得最佳的

18、系統(tǒng)性能。編輯本段存在問題智能天線技術(shù)對無線通信，特別是CDMA 系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA 系統(tǒng)時，必須考慮所帶來的問題，并在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上解決這些問題。1. 全向波束和賦形波束上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實(shí)現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時( 空閑狀態(tài) ，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射( 如系統(tǒng)中的pilot 、同步、廣播、尋呼等物理信道 。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時所必須考慮的。2. 智能天線的校準(zhǔn)在使用智能天線時，