智能天線技術(shù)

1、移動(dòng)通信原理學(xué)院：信息工程學(xué)院班級(jí)：電子與通信工程學(xué)號(hào)： 2111703317 姓名：蔣阿康智能天線技術(shù)隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的業(yè)務(wù)將通過(guò)無(wú)線電波的方式來(lái)進(jìn)行，有限的頻譜資源面對(duì)著越來(lái)越高的容量需求的壓力。對(duì)于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM，在我國(guó)的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)了容量供應(yīng)困難的現(xiàn)象，小區(qū)蜂窩的半徑已經(jīng)很小，而目前作為應(yīng)用研究重點(diǎn)的3G以及它的業(yè)務(wù)模式無(wú)疑將對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量有更高的要求。高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將作為3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一個(gè)主要特點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在3G系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與第二代系統(tǒng)明顯的差別服務(wù)，充分體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)容量將是網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)

2、營(yíng)者必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。就目前的情況而言，智能天線技術(shù)將是提高網(wǎng)絡(luò)容量最有效的方法之一，尤其對(duì)于3G中以自干擾為主要干擾形式的通信系統(tǒng)。     天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號(hào)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)變化的天線稱為智能天線。與普通天線以射頻部分為主不同，智能天線包括射頻部分以及信號(hào)處理和控制部分。同時(shí)，由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對(duì)于智能天線的研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天線或者扇區(qū)天線，這些天線具有固定的天線方向圖形式，而智能天線將具有根據(jù)信號(hào)情況實(shí)時(shí)變化的方向圖特性。 圖 1如圖1所示，在使用扇區(qū)天線的系統(tǒng)中

3、，對(duì)于在同一扇區(qū)中的終端，基站使用相同的方向圖特性進(jìn)行通信，這時(shí)系統(tǒng)依靠頻率、時(shí)間和碼字的不同來(lái)避免相互間的干擾。而在使用智能天線的系統(tǒng)中，系統(tǒng)將能夠以更小的刻度區(qū)別用戶位置的不同，并且形成有針對(duì)性的方向圖，由此最大化有用信號(hào)、最小化干擾信號(hào)，在頻率、時(shí)間和碼字的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)從空間上區(qū)別用戶的能力。這相當(dāng)于在頻率和時(shí)間的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個(gè)新的維度，能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量以及與之相關(guān)的目錄。1.智能天線技術(shù)的概念   智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向

4、特性。 智能天線是將無(wú)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 Arrival)，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)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)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(wú)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)擴(kuò)容的需要。2.智能天線的分類(lèi)及組成   智能天線主要包含兩類(lèi)：開(kāi)關(guān)波束系

5、統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中，只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號(hào)提供最佳增益的同時(shí)，識(shí)別、跟蹤和最小化干擾信號(hào)。  2.1智能天線技術(shù)的分類(lèi) （1）多波束天線  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(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)

6、點(diǎn)。 （2）自適應(yīng)陣列天線    自適應(yīng)天線陣列一般采用416天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。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(lèi)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。智能天線的組成  智能天線包括射頻天線陣列部分和信號(hào)處理部分，其中信號(hào)處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實(shí)時(shí)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(wú)線信號(hào)的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí)，也可能是通信對(duì)端關(guān)于發(fā)送信號(hào)接收情況

7、的反饋信息。  由于移動(dòng)通信中無(wú)線信號(hào)的復(fù)雜性，所以這種根據(jù)通信情況實(shí)時(shí)調(diào)整天線特性的工作方式對(duì)算法的準(zhǔn)確程度、運(yùn)算量以及能夠?qū)崟r(shí)完成運(yùn)算的硬件設(shè)備都有很高的要求。這決定了智能天線的發(fā)展是一個(gè)分階段的、逐步完善的過(guò)程。 2.2智能天線基本結(jié)構(gòu)  自適應(yīng)天線陣由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)加權(quán)器（即乘以某一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)通常是復(fù)數(shù)，既調(diào)節(jié)幅度又調(diào)節(jié)相位，而在相控陣?yán)走_(dá)中只有相位可調(diào)），最后用相加器進(jìn)行合并，這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理；同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜些，每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)（結(jié)構(gòu)

8、上與時(shí)域FIR均衡器相同）。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以恰當(dāng)改變和自適應(yīng)調(diào)整。上面介紹的是智能天線用作接收天線時(shí)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進(jìn)行發(fā)射時(shí)結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒(méi)有相加合并器。3.智能天線技術(shù)的基本原理  如圖2，智能天線由天線陣列，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，自適應(yīng)算法控制器和波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。其中，波束形成網(wǎng)絡(luò)是由每個(gè)單元空間感應(yīng)信號(hào)加權(quán)相加，其權(quán)系數(shù)是復(fù)數(shù)，即每路信號(hào)的幅度和相位均可以改變。自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)是智能天線的核心，該單元的功能是根據(jù)一定的算法和優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的加權(quán)幅度和相位，動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生空間動(dòng)態(tài)定向波束。  

9、;智能天線技術(shù)主要基于自適應(yīng)天線陣列原理,天線陣收到信號(hào)后,通過(guò)由處理器和權(quán)值調(diào)整算法組成的反饋控制系統(tǒng),根據(jù)一定的算法分析該信號(hào),判斷信號(hào)及干擾到達(dá)的方位角度,將計(jì)算分析所得的信號(hào)作為天線陣元的激勵(lì)信號(hào),調(diào)整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應(yīng)及其它參數(shù)。利用天線陣列的波束合成和指向,產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束,自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖,跟蹤信號(hào)變化,對(duì)干擾方向調(diào)零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號(hào)的載干比,改善無(wú)線網(wǎng)基站覆蓋質(zhì)量,增加系統(tǒng)容量。在方向圖的選擇和形成上智能天線的基本原理是在滿足窄帶傳輸假設(shè)（即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒(méi)有幅度變化）下，各陣元上入射信號(hào)的波程差導(dǎo)致了

10、陣元上接收信號(hào)的相位差，若入射信號(hào)為平面波，則上述相位差將由載波波長(zhǎng)、入射角度、天線位置分布唯一確定。具有相同信號(hào)強(qiáng)度、不同入射角度的信號(hào)，由于它們?cè)谔炀€陣元間的相位差不同，通過(guò)一個(gè)矢量加權(quán)合并后，各自的陣列輸出信號(hào)功率也會(huì)有所不同，由此可做出這個(gè)權(quán)矢量對(duì)應(yīng)的方向圖。以入射角為橫坐標(biāo)、輸出功率(dB)為縱坐標(biāo)所作的圖稱為方向圖。智能天線的方向圖不同于全向天線的方向圖（理想時(shí)為一直線），而是接近于方向性（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe）旁瓣（side lobe）等。 圖 2 結(jié)構(gòu)原理圖4.智能天線的實(shí)現(xiàn)   智

11、能天線陣系統(tǒng)主要包括天線陣列、自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)。天線陣列是收發(fā)射頻信號(hào)的輻射單元。自適應(yīng)處理器把有一定規(guī)律的激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與各波束相對(duì)應(yīng)的幅度和相位,提供給各輻射單元,用來(lái)確定波束形成網(wǎng)絡(luò)各部分方向圖的增益。波束形成網(wǎng)絡(luò)利用天線陣元產(chǎn)生的方向圖,實(shí)現(xiàn)智能天線的各種應(yīng)用。  自適應(yīng)處理器產(chǎn)生的各支路幅度和相位調(diào)整系數(shù),是波束形成網(wǎng)絡(luò)工作的重要依據(jù)。自適應(yīng)處理器包括信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法器。信號(hào)處理器根據(jù)所需進(jìn)行的信號(hào)處理,自適應(yīng)算法器根據(jù)均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度,用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕ{(diào)整方向圖,形成網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù),使智能天線陣系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。最初的智能天

12、線采用復(fù)雜的模擬電路,如今采用數(shù)字波束形成(DBF)方式,用軟件完成算法更新,也可采用數(shù)模相結(jié)合的處理方法,既保證處理精度,又保證處理速度及靈活性。此外,為了使智能天線具有良好性能,應(yīng)根據(jù)具體的電波傳播環(huán)境,選擇相應(yīng)的智能算法。采用軟件無(wú)線電技術(shù)使系統(tǒng)具有良好的改善能力,提高系統(tǒng)性能。為了盡量減少對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改動(dòng),也可使用多波束智能天線。多波束天線利用多個(gè)指向固定的波束覆蓋全方向,雖然不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn),且無(wú)需判定所接收信號(hào)的方向。 4.1智能發(fā)射技術(shù) 在蜂窩系統(tǒng)中，為滿足多媒體業(yè)務(wù)通信質(zhì)量的要求，發(fā)射信號(hào)功率一定要?jiǎng)討B(tài)控制，在保證整個(gè)蜂窩系統(tǒng)各小區(qū)

13、的信號(hào)總功率平衡的情況下（各小區(qū)干擾基本穩(wěn)定），滿足各種業(yè)務(wù)的不同傳輸速率和不同的誤碼率要求。 智能化發(fā)射技術(shù)利用用戶的空間差異，保證每個(gè)用戶只接收基站發(fā)給它的下行信號(hào)，不受同一信道中基站發(fā)給其他用戶信號(hào)的干擾。實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)射有基于反饋和基于上行鏈路參數(shù)估計(jì)兩種方法。前一種方法是基站通過(guò)移動(dòng)臺(tái)返回基站的訓(xùn)練信號(hào)，估計(jì)下行信道的響應(yīng)情況，其缺點(diǎn)是浪費(fèi)帶寬?；谏闲墟溌穮⒘抗烙?jì)的方法是利用一些特征參量相對(duì)于上下行鏈路的不變性，通過(guò)各用戶對(duì)上行信號(hào)的估計(jì)，確定下行鏈路的波束形成方案。TD-SCDMA采用后一種方法。 在時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)中，上、下行鏈路使用同一載波頻率，在信道

14、特征變化相對(duì)較慢的情況下，可以近似認(rèn)為上、下行鏈路的信道特征相同，可使用對(duì)上行信道的估計(jì)設(shè)置下行鏈路參數(shù)。在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)中，由于上、下行鏈路載頻不同，上、下行鏈路的信道特性差異很大，要分別估計(jì)上、下行鏈路特征，所以在FDD系統(tǒng)中使用智能天線比在TDD系統(tǒng)中使用要復(fù)雜得多，這也是TDD系統(tǒng)較FDD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。4.2智能接收技術(shù) 應(yīng)用智能天線CDMA系統(tǒng)中，由于不同用戶占用同一信道，不同用戶帶來(lái)的多址干擾（MAI）和多徑信道帶來(lái)的碼間干擾（ISI）會(huì)使到達(dá)基站的用戶信號(hào)產(chǎn)生畸變，所以必須采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)，將各用戶信號(hào)進(jìn)行分離和恢復(fù)（即多用戶檢測(cè)MUD）。整個(gè)上行信道等

15、效為一個(gè)多重單輸入多輸出系統(tǒng)。 另一方面，為了給智能發(fā)射提供依據(jù)，在上行中還需要估計(jì)反映用戶空間位置信息的參量，如入射角（DOA）、空域特征（SS，Spatial Signature）等，它們的精度估計(jì)將直接影響到下行選擇性發(fā)送的性能。目前，完成智能化接收的方法主要有基于高分辨率陣列信號(hào)處理方法和基于信號(hào)時(shí)域結(jié)構(gòu)方法兩類(lèi)。前一類(lèi)方法又分子空間方法和基于參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則的方法兩大類(lèi)。后一類(lèi)方法主要利用信號(hào)的時(shí)域信息和先驗(yàn)特征進(jìn)行空域處理。4.3動(dòng)態(tài)信道分配  通信中，信道分配是保障通信質(zhì)量、有效利用信道的關(guān)鍵技術(shù)之一。在空分信道引入系統(tǒng)后，空、頻、時(shí)和碼分信道

16、的動(dòng)態(tài)分配技術(shù)已成為新的技術(shù)難點(diǎn)。后三種信道分配技術(shù)是確定性的，可由系統(tǒng)根據(jù)用戶情況動(dòng)態(tài)分配，但空分信道分配不同。在基站處，接收功率相差不大和用戶方向角度差大于天線主波瓣的用戶，可分享同一時(shí)、頻域信道。這樣，空分信道分配就成為動(dòng)態(tài)的條件組合問(wèn)題，且隨著用戶空間位置的移動(dòng)，為跟蹤用戶，空分信道必須相應(yīng)變化，隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配?？辗中诺婪峙浔仨毰c時(shí)、頻信道分配和切換相結(jié)合，這就需要形成一種高效算法，以適應(yīng)用戶的移動(dòng)性。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，由于其容量是軟容量，信道分配相對(duì)簡(jiǎn)單。智能天線本身具有功率控制功能，其性能要優(yōu)于現(xiàn)有的功率控制技術(shù)。同時(shí)基站間的越區(qū)切換也將更為靈活。5.智能天線的用途 &

17、#160;(1)抗衰落  在陸地移動(dòng)通信中,電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成,隨著移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)及環(huán)境變化,信號(hào)瞬時(shí)值及延遲失真的變化非常迅速,且不規(guī)則,造成信號(hào)衰落。采用全向天線接收所有方向的信號(hào),或采用定向天線接收某個(gè)固定方向的信號(hào),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,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,減小信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集,減少衰落。電波通過(guò)不同路徑到達(dá)接收天線,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線,將這些分量隔離開(kāi),然后再合成處理,即可實(shí)現(xiàn)角度分集。(2)抗干擾   用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FDMA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比,用12個(gè)30°波束天線陣列組成360°全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站,可減少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾,改善系統(tǒng)性能。抗干擾應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。智能天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無(wú)線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)“權(quán)值”,其調(diào)整方式與具有時(shí)域?yàn)V波特性的自適應(yīng)均衡器類(lèi)似,可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將