移動(dòng)通信中的電波傳播與天線第二講_移動(dòng)通信天線（doc X頁）

1、天線與電波傳播第3章 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的常用天線移動(dòng)通信天線=基地站天線 + 移動(dòng)臺(tái)天線一 設(shè)計(jì)要求：基地站天線設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)與無線電鏈路有關(guān)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)風(fēng)載設(shè)計(jì)、地震負(fù)載設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝區(qū)域結(jié)構(gòu) 要求的D/U有無分集 頻率陣和單元的設(shè)計(jì)方向圖合成 單元饋電電路 交調(diào)l 基地站天線的設(shè)計(jì)關(guān)鍵移動(dòng)臺(tái)天線設(shè)計(jì)車載天線設(shè)計(jì)手持機(jī)天線設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)水平面全向 保型結(jié)構(gòu)車體不引起畸變寬頻帶、收發(fā)共用 分集機(jī)械設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)易于安裝電氣設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)高效率寬頻帶、收發(fā)共用人體產(chǎn)生失真小分集體積小/重量輕易于處理 l 移動(dòng)臺(tái)天線的設(shè)計(jì)關(guān)鍵二主要技術(shù)：1對(duì)基地站天線的主要要求：高電平均勻照射自區(qū)、壓縮自區(qū)以外的

2、輻射（頻率復(fù)用）、寬頻帶（多信道、收發(fā)共用或系統(tǒng)共用）、不變的接收電平降低延遲擴(kuò)展、體積小、重量輕2對(duì)移動(dòng)臺(tái)天線的主要要求： 車載天線工作頻率、帶寬、方向性、極化、分集接收 手持機(jī)天線高增益、有效增益、人體的影響、對(duì)人體的輻射3主要技術(shù)l 賦形波束技術(shù)對(duì)天線水平面和垂直面的方向圖進(jìn)行調(diào)整 利用角反射器得到水平面的扇形波束扇形區(qū)和全向區(qū)的干擾距離RDDR 利用天線陣得到垂直面的余割波束以及主波束傾斜 垂直平面的賦形波束為了使固定在一定高度的天線照射在一有限的水平面區(qū)域內(nèi)，使該區(qū)域有相等的接收電平。使用垂直平面的余割平方或P次方賦形波束功率方向圖可實(shí)現(xiàn)這一要求。 波束傾斜波束下傾技術(shù)的主要目的是傾

3、斜主波束以壓縮朝重用頻率的蜂窩方向的輻射電平而增加(C/I)ANT，即有用波方向和干擾波方向的天線方向圖用分貝表示的差值。天線下傾主要是改變天線的垂直方向圖主瓣的指向，使垂直方向圖主瓣方向指向覆蓋小區(qū)，而垂直方向圖主的零點(diǎn)或副瓣對(duì)準(zhǔn)其干擾的同頻小區(qū)。這樣，既改善了服務(wù)小區(qū)覆蓋蜂窩內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度，也就提高了服務(wù)小區(qū)內(nèi)的C/I值，同時(shí)由減少了對(duì)遠(yuǎn)處同頻小區(qū)的干擾，因此提高了系統(tǒng)的頻率復(fù)用的能力，增加了系統(tǒng)的容量。另外天線下傾還可以改善激戰(zhàn)附近的室內(nèi)覆蓋特性。天線下傾技術(shù)可以通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)：一種是機(jī)械下傾，另一種是電下傾。機(jī)械下傾是通過機(jī)械調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)天線向下傾斜所需的角度。電下傾天線是通過調(diào)節(jié)天

4、線各陣子單元的相位（相控陣天線技術(shù)）使天線的垂直方向圖主瓣下傾一定的角度，而天線本身仍保持和地面成垂直放置的位置。 降低和局部壓縮旁瓣電平的賦形波束通過合成的振子天線方向圖實(shí)現(xiàn)對(duì)主波束附近的旁瓣壓縮。也可有效地降低頻率重用距離。此外，還可以利用線天線陣來建立水平面或垂直面的雙頻賦形波束。l 分集接收技術(shù)所謂分集接收是指在接收機(jī)的輸入端提供兩個(gè)或多個(gè)的輸入信號(hào)，經(jīng)處理合成后得到所需的信號(hào)。由于這些輸入信號(hào)的衰落現(xiàn)象是非相干的，因此，分集接收技術(shù)可以改善系統(tǒng)的性能、克服衰落而不需要增大發(fā)射功率和帶寬。采用天線位于不同場(chǎng)址位置上的宏觀分集可以克服長(zhǎng)期衰落，而采用天線位于相同場(chǎng)址位置上的微觀分集可以克

5、服短期衰落。 幾種分集方式： 時(shí)間分集時(shí)間分集是指在不同的時(shí)隙發(fā)射相同的信息，在接收端產(chǎn)生兩個(gè)非相關(guān)的衰落信號(hào)。時(shí)間分集方式是在多信道場(chǎng)合減小互調(diào)的良好方式。但是在移動(dòng)無線電環(huán)境中，移動(dòng)體可能暫停在任一地點(diǎn)，此地具有弱的當(dāng)?shù)鼐祷蚪邮盏缴疃人ヂ?。而不管是哪一種情況，時(shí)間分集方式都無助于減小衰落，因此，一般不采用時(shí)間分集。 頻率分集頻率分集是通過發(fā)射兩個(gè)不同載波頻率的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。為了要使它們?cè)诮邮斩说乃ヂ浞窍嚓P(guān)，必須增大帶寬。頻率分集方式的成本較高，也不常采用。 空間分集空間分集是指接收機(jī)通過兩個(gè)或多個(gè)不同位置的天線來接收信號(hào)。這些信號(hào)的相關(guān)性較弱。天線的間隔隨著天線的高度而改變。空間分集是移

6、動(dòng)通信系統(tǒng)中最常用的一種方式。根據(jù)天線的不同位置關(guān)系，空間分集可分為水平空間分集和垂直空間分集。后者在商業(yè)用途上主要用做移動(dòng)站天線。目前移動(dòng)通信基站一般都采用水平空間分集，用在市區(qū)環(huán)境的蜂窩系統(tǒng)的上行（移動(dòng)臺(tái)到基站）中，通過選擇最好的接收信號(hào)或?qū)⑿盘?hào)合并，減少衰落的影響。通過隨環(huán)境的密集度增加的增加（約3-5dB）來改善基站接收，達(dá)到對(duì)上下鏈路預(yù)算平衡的作用。空間分集技術(shù)的不便之處是需要徒工幾個(gè)具有類似特性的接收機(jī)以及在接收機(jī)處處理矢量型信號(hào)，以及需要堅(jiān)固的塔結(jié)構(gòu)（為了固定不同的天線）。 方向圖分集方向圖分集又稱角度分集。這種分集方式需要若干個(gè)具有特定方向的扇形波束天線，它們構(gòu)成的總方向圖是全

7、向的。接收機(jī)通過它們接收來自不同方向的信號(hào)，并由此組合出所要的信號(hào)。 極化分集極化分集是指在基地站利用兩個(gè)正交極化天線來發(fā)射信息，而在移動(dòng)站也是有兩個(gè)正交極化的天線共同接收。正交極化天線提供是兩個(gè)非相關(guān)的信號(hào)衰落。使用極化分集的缺點(diǎn)是：由于功率分給兩個(gè)天線，故在發(fā)射場(chǎng)址減小3dB。對(duì)于室內(nèi)覆蓋，極化分集給出和空間分集同樣的結(jié)果；對(duì)于室外覆蓋，空間分集能更好的改善系統(tǒng)性能。 四種分集合成技術(shù)： 選擇合成選擇合成法是根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)準(zhǔn)則從所用的分集天線中選擇一個(gè)組成。它由選擇具有最大功率的信道或具有最好載干比（C/I）的信道組成。這種技術(shù)的性能對(duì)于利用兩個(gè)天線的系統(tǒng)是令人滿意的。 等增益合成這種方法

8、被用在很難得到信道的精確估算的系統(tǒng)中（典型的是快速跳頻系統(tǒng)），作為例子，如在快變信道情況中，所有輸入信號(hào)被相同地放大，然后相位匹配并求和。所要的信號(hào)為相干求和而噪聲為非相干求和，在合成器輸出端得到較好的信噪比（SNR） 最大比合成在這種技術(shù)中，每個(gè)天線的輸出都被每個(gè)天線接收到的載干比（C/I）的估算來加權(quán)。和用等增益合成一樣，信號(hào)被相位匹配以及從解調(diào)器輸出端的加權(quán)求和作出數(shù)據(jù)決定。這種加權(quán)方法得到的信噪比比等增益合成產(chǎn)生的信噪比還要高，使它在這三種技術(shù)中效率最高。 轉(zhuǎn)換合成它基于某一門限電平，若信號(hào)低于該門限電平，接收輸出端便轉(zhuǎn)到另一天線分支上。分集技術(shù)按分集方式可分為空間分集、頻率分集、時(shí)間

9、分集、極化分集、角度分集和能量分集等等。三常用天線：1最基本的天線類型l 電基本振子輻射場(chǎng) 電基本振子上電流的幅度，電磁波的波長(zhǎng)，電基本振子的長(zhǎng)度 或或l 對(duì)稱振子對(duì)稱振子又稱偶極天線。由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以被廣泛應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)等各種無線電技術(shù)設(shè)備中。就所使用的頻段來說，它可以應(yīng)用于短波、超短波甚至微波波段。它既可作為獨(dú)立大天線使用，也可以作為復(fù)雜天線陣的組成單元或者面天線的饋源。對(duì)稱振子的長(zhǎng)度不同，天線的特性也有所不同。電流分布 電流波腹點(diǎn)的電流振幅值輻射場(chǎng) 電磁波的波數(shù)， 對(duì)稱振子的臂長(zhǎng)（總長(zhǎng)度的一半）l 半波振子半波振子是指導(dǎo)線的總長(zhǎng)度等于半個(gè)波長(zhǎng)的對(duì)稱振子，電流近似為余弦分布。若

10、將半波振子垂直放置，則水平面無方向性，垂直面方向圖呈字形，主射線方向與導(dǎo)線垂直。半波振子的半功率張角為78度，增益等于1.64，輸入阻抗等于72.1+j42.5。這種天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與75同軸線的特性阻抗比較接近，易于實(shí)現(xiàn)匹配，所以應(yīng)用十分廣泛。半波振子也可以由同軸線構(gòu)成。電流分布 電流波腹點(diǎn)的振幅值輻射場(chǎng) 電磁波的波數(shù) 對(duì)稱振子的臂長(zhǎng)（總長(zhǎng)度的一半）天線的電流分布同軸型半波振子/4/4/4/4或或半波振子方向圖l 折合振子折合振子由兩根相互平行且十分靠近的半波振子端頭相互連接而構(gòu)成。(a) 半波折合振子(b) 等效傳輸線上的電流分布(c) 折合振子電流分布(d) 等效振子電流分布l 單極天線

11、單極天線又稱鞭狀天線，將對(duì)稱振子的一個(gè)臂變?yōu)閷?dǎo)電平面即成單極天線。通過單極天線還演變出許多具有專門特性的派生天線。單極天線及方向圖l 單極天線的派生天線型或倒L型倒F型T型傘型或倒V型錐型電感加載型頂部圓盤加載型2基地站天線類型 天線安裝位置-確定一個(gè)基地站天線的位置，既要考慮其覆蓋范圍，又要考慮受其它站干擾問題。在一個(gè)大的系統(tǒng)中，不僅要考慮單個(gè)基地站的位置，而且同時(shí)還要考慮其它所有可能的基地站的設(shè)置問題。選擇基地站位置的步驟包括確定接收電平、預(yù)選最佳位置、預(yù)測(cè)路徑損耗等等。應(yīng)遵循兩個(gè)原則：第一原則是是不要選最高點(diǎn)以避免對(duì)其它覆蓋區(qū)產(chǎn)生干擾或是在本覆蓋區(qū)出現(xiàn)弱場(chǎng)強(qiáng)信號(hào);第二個(gè)原則是提高基地站天

12、線的高度.如果一個(gè)基地站位置變動(dòng)，對(duì)其它所有基地站的位置均有影響。l 共線式天線一般由半波振子排列成的直線陣構(gòu)成，并按設(shè)計(jì)要求的功率和相位饋送到各個(gè)半波振子以提高輻射方向上的功率。振子單元數(shù)每增加一倍（相應(yīng)于長(zhǎng)度增加一倍），增益增加3db。典型的增益值是6-9dBb。受限制的因素主要是物理尺寸，例如9dBb增益的勸降天線，其高度為3米。l 定向天線（扇區(qū)天線）使用原因是覆蓋擴(kuò)展、頻率復(fù)用以及改善干擾。一般由天線陣加上反射板所構(gòu)成或者直接采用方向天線（如八木天線）。定向天線的典型增益值9-16dBd。結(jié)構(gòu)上一般為8-16個(gè)單元的天線陣。 角反射器天線引向天線方向圖（a）四單元 （b）五單元 （c

13、）六單元 （d）七單元l 八木天線l 特殊天線用于特殊用途，例如室內(nèi)覆蓋、隧道覆蓋等等。輻射方向圖是根據(jù)用途來選擇天線。特殊天線的一個(gè)例子是泄漏同軸電纜。它能起到連續(xù)不斷地覆蓋的作用，以解決室內(nèi)活隧道中的覆蓋問題。泄漏同軸電纜的波紋銅外層上的俠縫輻射出去。相反地，電纜還能接收附近移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射信號(hào)將其耦合進(jìn)入這些狹縫內(nèi)并沿電纜傳送到基站。因?yàn)樗膶拵萘?，這種電纜系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或更多的通信系統(tǒng)。泄漏同軸電纜適用于任何開放的或者封閉形式的、需要局部限制的覆蓋區(qū)域。不過相當(dāng)昂貴。而且在使用泄漏同軸電纜系統(tǒng)沒有增益，為了延伸覆蓋范圍還需要使用雙向放大器。通常能滿足大多數(shù)應(yīng)用的典型傳輸功率值是20

14、-30瓦。l 多天線系統(tǒng)由許多單獨(dú)天線形成的合成輻射方向圖。最簡(jiǎn)單的多天線系統(tǒng)類型是在塔上相反方向安裝兩個(gè)方向天線，通過功率分配器饋電。其目的是用一個(gè)小區(qū)來覆蓋大的范圍，例如沿一個(gè)街道，它比用兩個(gè)小區(qū)情況所使用的信道數(shù)要少。此外，當(dāng)不能使用全向天線時(shí)，或當(dāng)所需要的增益（較大的覆蓋面積）比一個(gè)全向天線系統(tǒng)所能提供的還要大時(shí)，也可用多天線系統(tǒng)來形成全向方向圖，例如建筑物的四周或者高大塔的四周。當(dāng)使用多天線系統(tǒng)時(shí)，空間分集非常復(fù)雜。典型的增益值將是所用單獨(dú)天線時(shí)增益減去由于功率分配器帶來的3dB損耗。3移動(dòng)臺(tái)天線類型移動(dòng)臺(tái)天線的最佳設(shè)計(jì)就是使移動(dòng)電話設(shè)備小型化并且成本要低。重要的是要把天線設(shè)計(jì)得能降

15、低發(fā)射功率，而又要保證通信質(zhì)量。 天線安裝要求任何便攜無線電話天線都有兩個(gè)主要的特點(diǎn)：一是天線必須安裝在便攜電話機(jī)的機(jī)殼上，其次就是工作期間人手握著電話機(jī)隨機(jī)指向任意方向。因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)天線的設(shè)計(jì)安裝必須要解決的主要問題就是如何提高在多路徑傳播環(huán)境中天線的平均有效增益。對(duì)于手持機(jī)而言，有許多影響天線輻射方向圖的因素。由于天線非常靠近殼體，所以不僅在天線單元上，并且也在導(dǎo)電殼提上感應(yīng)電流。電流的耗散將改變?cè)瓉淼妮椛鋱D形狀。由于天線必須靠近操作人員使用，所以強(qiáng)加與天線的人體鄰近效應(yīng)回進(jìn)一步地劣化天線的輻射效率。另外，操作人員的運(yùn)動(dòng)和習(xí)慣引起的天線方向的變化將改變輻射圖的極化。對(duì)于車

16、載天線而言，其安裝的位置非常重要。常見的有車頂棚天線、玻璃窗天線、行李箱裝天線、坐室裝天線等等。l 電感加載天線l 套筒天線l 倒F型天線l 微帶貼片天線(圓形微帶天線和具有寄生單元的寬帶微帶天線)l 雙頻天線和兼容天線4. 附屬設(shè)備發(fā)射合路器、接收耦合器、雙工器和饋線Tx頂部圓球加載型RxRxN1接收機(jī)多路耦合器N1接收機(jī)多路耦合器N1發(fā)射機(jī)合路器雙工器5.智能天線一種具有測(cè)向和波束形成能力的天線陣列。智能天線最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但由于它的成本長(zhǎng)期居高不下，一直無法投入商用。隨著近年來數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，智能天線在消除同信道干擾（CCI）,多址干擾（MAI）與多徑衰落方面上的特點(diǎn)越來

17、越受到人們的關(guān)注。有關(guān)蜂窩系統(tǒng)中智能天線技術(shù)的研究最初開始于八十年代，但是研究開發(fā)工作直到最近幾年才引起重視。1995年，Nortel公司將智能天線技術(shù)引入PCS-1900系統(tǒng)。其他公司比如Metawave也已引進(jìn)了相似的技術(shù)，而且歐洲現(xiàn)代通信技術(shù)與服務(wù)協(xié)會(huì)（ACTS）的TSUNAMI項(xiàng)目中也正在考慮將智能天線技術(shù)用于第三代無線通信系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)有關(guān)公司和高校也在進(jìn)行相關(guān)的研究 基本思想利用各用戶信號(hào)空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)各個(gè)接收準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，達(dá)到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接收和發(fā)送多個(gè)用戶的信號(hào)而又不互相干擾。智能天線技術(shù)以其獨(dú)特的抗多址干擾和擴(kuò)容能力，

18、不僅成為目前解決個(gè)人通信多址干擾、容量限制等問題的最有效的手段，而且也被公認(rèn)是未來移動(dòng)通信的一種發(fā)展趨勢(shì)，成為第三代通信系統(tǒng)的核心。 基本組成及原理其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。它主要由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中天線陣列是收發(fā)射頻信號(hào)的輻射單元，常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。波束形成網(wǎng)絡(luò)則將來自每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號(hào)加權(quán)相加，其中的權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù)。自適應(yīng)控制單元是智能天線的核心，該單元的功能是根據(jù)一定算法和優(yōu)化準(zhǔn)則主動(dòng)地去適應(yīng)周圍電磁環(huán)境的變化。它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過滿足某一準(zhǔn)則的算法來調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的加權(quán)幅度和相位，動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤用戶信

19、號(hào)的到達(dá)方向，旁瓣或零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)的到達(dá)方向，從而達(dá)到抑制干擾信號(hào)，提高所需信號(hào)信噪比的目的。 基本形式多波束天線陣列（或稱波束切換智能天線）與自適應(yīng)天線陣列l(wèi) 多波束天線陣列多波束天線將傳統(tǒng)的一個(gè)扇區(qū)一個(gè)波束變?yōu)橐粋€(gè)扇區(qū)數(shù)個(gè)波束來覆蓋整個(gè)小區(qū)。每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨著陣元數(shù)目而定，它采用波束切換技術(shù)，隨著用戶在小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)，基站自動(dòng)選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號(hào)最強(qiáng)。多波束雖然不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，且無需判定所接收信號(hào)的方向。多波束智能天線的波束寬度是由天線陣列的口徑所決定的。多波束智能天線對(duì)于處于主波束外的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的

20、。而對(duì)于處于主波束內(nèi)的干擾，多波束智能天線將無法抑制，所以它對(duì)于主波束內(nèi)的干擾信號(hào)的抑制能力是有限的。而且由于所需信號(hào)的到達(dá)方向并不一定固定在主波束中央，當(dāng)信號(hào)的到達(dá)方向隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)位于波束邊緣而干擾信號(hào)位于波束中心時(shí)，接收效果最差。此時(shí)必須進(jìn)行波束間切換，切換至載干比好的波束中。圖2.2（a）給出了一種多波束智能天線結(jié)構(gòu)。該天線由四個(gè)置于一條直線且相距半個(gè)波長(zhǎng)的陣元組成，在一個(gè)傳統(tǒng)基站120度扇區(qū)內(nèi)，該天線產(chǎn)生四個(gè)30度的并行波束。多波束智能天線通過檢測(cè)上行鏈路的到達(dá)方向（DOA）來選擇對(duì)應(yīng)的下行鏈路的最佳波束。多波束智能天線陣列Dx: 復(fù)用濾波器Rx:接收機(jī) Tx:發(fā)射機(jī)波束合成網(wǎng)絡(luò)D

21、xDxDxDxRxRxRxRx均衡與合并DOA預(yù)測(cè)波束選擇自適應(yīng)智能天線陣列波束合成網(wǎng)絡(luò)DxDxDxDxRxRx均衡與合并DOA預(yù)測(cè)波束選擇TxTxTxTxRxRxDx: 復(fù)用濾波器Rx:接收機(jī) Tx:發(fā)射機(jī)l 自適應(yīng)天線陣列自適應(yīng)天線陣列主要基于自適應(yīng)天線陣列原理，天線陣接收到信號(hào)后，通過由處理器和權(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

22、擾，從而提高接收信號(hào)的載干比，改善無線網(wǎng)基站覆蓋質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量。 特點(diǎn)智能天線在基站與移動(dòng)用戶之間建立一條能量相對(duì)集中的無線鏈路，提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和載波干擾比（C/I），l 它主要能夠完成兩大任務(wù)： 實(shí)時(shí)感知電磁環(huán)境，包括到達(dá)方向（DOA）測(cè)向、譜估計(jì)、從接收到的信號(hào)中分離出直射信號(hào)和多徑信號(hào)； 后處理過程包括信道分離、抗多徑干擾和衰落。l 智能天線對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的提高主要表現(xiàn)在下面兩個(gè)方面： 對(duì)于用戶集中的都市區(qū)，在給定小區(qū)范圍內(nèi)能容納更多的移動(dòng)用戶； 對(duì)于用戶稀疏的郊區(qū)，在保證用戶通信質(zhì)量的前提下，擴(kuò)大小區(qū)的服務(wù)范圍。l 智能天線技術(shù)是第三代移動(dòng)通信不可缺少的空域信號(hào)處理技術(shù)

23、。歸納起來，智能天線具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)： 具有測(cè)向和自適應(yīng)調(diào)零功能，能把主波束對(duì)準(zhǔn)入射信號(hào)并自適應(yīng)實(shí)時(shí)地跟蹤信號(hào)。同時(shí)還能把零響應(yīng)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。 提高輸入信號(hào)的信噪比。 能識(shí)別不同入射方向的直射波和反射波，具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同頻干擾的能力。 增強(qiáng)系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落的能力，因?yàn)樘炀€本質(zhì)上具有空間分集的能力。 可以利用智能天線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的電磁環(huán)境情況來提高網(wǎng)絡(luò)的管理能力。 應(yīng)用l 提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量智能天線通過抑制干擾，提高了載干比。而載干比將決定系統(tǒng)容量，因此載干比的提高也就意味著系統(tǒng)容量的提高。如圖2.3所示，使用智能天線的小區(qū)用戶數(shù)明顯比使用傳統(tǒng)全向天線的小區(qū)用戶數(shù)增多。在人口

24、密度大的城市地區(qū)，因?yàn)橄到y(tǒng)的容量受到可用信道的固定數(shù)量和干擾的限制，隨著用戶數(shù)量的不斷增多，使用傳統(tǒng)全向天線的系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到它的容限，使用智能天線技術(shù)可以提高它的容量。全向天線智能天線使用智能天線前后系統(tǒng)容量之比較l 增大基站的覆蓋區(qū)域采用智能天線可以增加分集增益，這等效于同時(shí)提高了天線陣列的接收靈敏度或增加了基站發(fā)射機(jī)的等效各向同性輻射功率（EIRP），因此在同等的發(fā)射功率的條件下，基站可以接收到更遠(yuǎn)的信號(hào)。如圖所示，由于增加了分集增益，使用智能天線后，小區(qū)的覆蓋范圍可以比原先擴(kuò)充很多，這種情況主要應(yīng)用在鄉(xiāng)村地區(qū)-因?yàn)猷l(xiāng)村地區(qū)人口密度相對(duì)較低，沒有必要在蜂窩系統(tǒng)的相鄰小區(qū)間復(fù)用同一頻率，系統(tǒng)性

25、能主要受噪聲的限制，而不是受干擾的限制。它所期望的是每個(gè)基站的覆蓋范圍盡可能的大，以支持更多的用戶，從而降低基站的費(fèi)用。智能天線全向天線智能天線擴(kuò)展了小區(qū)覆蓋范圍l 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。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，可以使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，然后再合成處理，即可實(shí)現(xiàn)。波束1波束2全

26、向天線l 減少同頻干擾，降低基站的發(fā)射功率 如圖所示，智能天線的波束具有很強(qiáng)的方向性，對(duì)波束以外的移動(dòng)臺(tái)不形成干擾，同時(shí)也由于信號(hào)能量相對(duì)集中，使要達(dá)到同樣的發(fā)射效果所需的發(fā)射功率下降。抗干擾應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間濾波。利用智能天線波束的方向性，將主波束方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)信號(hào)，零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)，從而達(dá)到抗同頻干擾的目的。智能天線智能天線減少蜂窩系統(tǒng)中的同頻干擾l 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的定位目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時(shí)確定持機(jī)者所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便，還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。在陸地移動(dòng)通信中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號(hào)，即對(duì)每個(gè)天線元所

27、連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。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。l 智能天線提高蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)性能用于FDMA系統(tǒng)、用于TDMA系統(tǒng)、用于CDMA系統(tǒng)、用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)、用于DECT、PHS等系統(tǒng)、用于第三代移動(dòng)通信（采用智能天線技術(shù)可提高第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量，WCDMA系統(tǒng)就采用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我國(guó)TDSCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。TDSCDMA系統(tǒng)采用TDD方式，使上下射頻信道完全對(duì)稱，可同時(shí)解決諸如天線上下行

28、波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統(tǒng)具有精確定位功能，可實(shí)現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費(fèi)。）l 兩種智能天線應(yīng)用之比較盡管多波束天線和自適應(yīng)天線這兩種智能天線都是將主瓣方向指向用戶，提高增益；將零輻射方向指向干擾，但是兩種智能天線在控制波束和零輻射方向的精度和自由度上是有所不同的。圖2.7所示的是在解決一個(gè)目標(biāo)用戶和兩個(gè)干擾用戶的方案中，這兩種系統(tǒng)所可能采用的模式。切換波束系統(tǒng)如圖左邊所示，自適應(yīng)天線系統(tǒng)如圖右邊所示。兩個(gè)系統(tǒng)都將他們的主瓣大致朝向目標(biāo)用戶，但自適應(yīng)天線對(duì)主瓣采用了更精確的控制，更有效的增強(qiáng)了信號(hào)。同樣，兩個(gè)系統(tǒng)都使干擾信號(hào)在偏離主瓣增益更低的地方到達(dá)，但自適應(yīng)天線系統(tǒng)

29、能使干擾信號(hào)得到最大限度的壓制。用戶移動(dòng)前的波束模式用戶移動(dòng)后的波束模式自適應(yīng)天線的波束模式隨著用戶的移動(dòng)和環(huán)境的改變而改變多波束天線自適應(yīng)天線目標(biāo)信號(hào)第一個(gè)同頻干擾第n個(gè)同頻干擾多波束天線和自適應(yīng)天線所采用的不同波束模式此外，自適應(yīng)天線隨著目標(biāo)用戶和干擾用戶的移動(dòng)，可以動(dòng)態(tài)的改變信號(hào)模式使系統(tǒng)性能最優(yōu)化：它采用先進(jìn)的信號(hào)處理算法來連續(xù)判別目標(biāo)信號(hào)，多徑信號(hào)和干擾信號(hào)，并且計(jì)算它們的到達(dá)方向。根據(jù)目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)位置的改變，自適應(yīng)天線系統(tǒng)也不斷更新波束模式。它可以靈活使主瓣跟蹤用戶，零輻射方向跟蹤干擾，這種能力確保了鏈路預(yù)算始終最大化。這有點(diǎn)類似人的聽力：當(dāng)一個(gè)人聽別人說話時(shí)，它的大腦用兩只耳朵收集聲音，融合聲音，并且判斷說話者的方位。如果說話者移動(dòng)了，那么聆聽者，即便閉著眼睛也能不斷調(diào)整他的聆聽角度這完全取決于他所聽的內(nèi)容。聆聽者還可以排除他不想聽到的噪音和干擾，而將精力集中到交談內(nèi)容上。而這些多波束天線做不到。如圖所示，是自適應(yīng)天線如何適應(yīng)兩個(gè)用戶在同一時(shí)間，同一小區(qū)內(nèi)，使用同一信道通信的。暗波束模式用來和左邊的用戶通信，同時(shí)亮波束模式用來和右邊的用戶通信。應(yīng)該注意到，每個(gè)模式都將零輻射方向朝向另一個(gè)用戶。當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不斷更新波束模式，以確保和用戶的位置一致。自適應(yīng)天線具有這種在波