第四章智能天線技術(shù)

1、第四章第四章 智能天線技術(shù)智能天線技術(shù)4.2 智能天線的原理智能天線的原理4.2.1智能天線的概念智能天線的概念4.2.2 智能天線的分類智能天線的分類 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，根據(jù)智能天線的處理原理上的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，根據(jù)智能天線的處理原理上的差異，可將其分成三大類：多波束天線、尋向型天線差異，可將其分成三大類：多波束天線、尋向型天線和優(yōu)化合并型天線。和優(yōu)化合并型天線。1. 多波束天線多波束天線(Multi-beam Antenna)2. 尋向型天線尋向型天線(Direction Finding Antenna)3. 優(yōu)化合并型天線優(yōu)化合并型天線(Optimum Comdining Antenna)

2、4.2.3 智能天線的天線陣列智能天線的天線陣列 天線陣列是智能天線系統(tǒng)的一個(gè)重要天線陣列是智能天線系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在智能天線中，常見(jiàn)的天線組成部分，在智能天線中，常見(jiàn)的天線陣列形式有：直線陣列、圓環(huán)陣列和平陣列形式有：直線陣列、圓環(huán)陣列和平面陣列。面陣列。4.2.4 智能天線的組成與基本原理智能天線的組成與基本原理1. 組成組成4.2.5 智能天線的主要功能智能天線的主要功能 根據(jù)上述基本原理，在無(wú)線基站中使用了根據(jù)上述基本原理，在無(wú)線基站中使用了智能天線技術(shù)后，將帶來(lái)如下主要結(jié)果：智能天線技術(shù)后，將帶來(lái)如下主要結(jié)果：1 1 提高了基站接收機(jī)的靈敏度提高了基站接收機(jī)的靈敏度 基站所接

3、收到的信號(hào)將如式基站所接收到的信號(hào)將如式(1) 所示，來(lái)所示，來(lái)自各天線單元和收信機(jī)所接收到的信號(hào)之和。自各天線單元和收信機(jī)所接收到的信號(hào)之和。如果采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播如果采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播條件下，則總的接收信號(hào)將增加條件下，則總的接收信號(hào)將增加101gN dB，其，其中，中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(shí)為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(shí)(如圖如圖1所示所示)，此接收靈敏度的改善將多徑傳播條件，此接收靈敏度的改善將多徑傳播條件及上行波束賦形算法而變，其結(jié)果也在及上行波束賦形算法而變，其結(jié)果也在101gN dB上下。上下。 2 2 提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率提高

4、了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率 同樣，發(fā)射天線陣在進(jìn)行波束賦形同樣，發(fā)射天線陣在進(jìn)行波束賦形后，該用戶終端所接收到的等效發(fā)射功后，該用戶終端所接收到的等效發(fā)射功率可能增加率可能增加201gN dB。其中，。其中，101gN dB是是N個(gè)發(fā)射機(jī)的效果，與波束成形算法無(wú)個(gè)發(fā)射機(jī)的效果，與波束成形算法無(wú)關(guān)，另外部分將和接收靈敏度的改善類關(guān)，另外部分將和接收靈敏度的改善類似，隨傳播條件和下行波束賦形算法而似，隨傳播條件和下行波束賦形算法而變。變。 3. 3. 降低了系統(tǒng)的干擾降低了系統(tǒng)的干擾 所示基站的接收方向圖形是有方向性的，所示基站的接收方向圖形是有方向性的，在接收方向以外的干擾有強(qiáng)的抑制。如果使用在

5、接收方向以外的干擾有強(qiáng)的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，則可能將干擾降低上述最大功率合成算法，則可能將干擾降低101101gNgN dB dB。4 4 增加了增加了CDMACDMA系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的容量 眾所周知，眾所周知，CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來(lái)自本系統(tǒng)的干擾。也就是其容量的限制主要來(lái)自本系統(tǒng)的干擾。也就是說(shuō)，降低干擾對(duì)說(shuō)，降低干擾對(duì)CDMA系統(tǒng)極為重要，降低干系統(tǒng)極為重要，降低干擾就可以大大增加擾就可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。在系統(tǒng)的容量。在CDMA系統(tǒng)中使用了智能天線后，就提供了將系統(tǒng)中使用了智能天線后，就提供了將所有擴(kuò)頻碼所提供的資源

6、全部利用的可能性，所有擴(kuò)頻碼所提供的資源全部利用的可能性，導(dǎo)致至少將導(dǎo)致至少將CDMA系統(tǒng)容量增加一倍以上的可系統(tǒng)容量增加一倍以上的可能性。能性。 5 5 改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋 對(duì)使用普通天線的無(wú)線基站，其小區(qū)的覆對(duì)使用普通天線的無(wú)線基站，其小區(qū)的覆蓋完全由天線的輻射方向圖形確定。當(dāng)然，天蓋完全由天線的輻射方向圖形確定。當(dāng)然，天線的輻射方向圖形是可能根據(jù)需要而設(shè)計(jì)的。線的輻射方向圖形是可能根據(jù)需要而設(shè)計(jì)的。但在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，除非更換天線，其輻射方向但在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，除非更換天線，其輻射方向圖形是不可能改變和很難調(diào)整的。但智能天線圖形是不可能改變和很難調(diào)整的。但智能天線陣的輻射圖形則完全

7、可以用軟件控制，在網(wǎng)絡(luò)陣的輻射圖形則完全可以用軟件控制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要調(diào)整或由于新的建筑物等原因使原覆覆蓋需要調(diào)整或由于新的建筑物等原因使原覆蓋改變等情況下，均可能非常簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件蓋改變等情況下，均可能非常簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件來(lái)優(yōu)化。來(lái)優(yōu)化。 6 6 降低了無(wú)線基站的成本降低了無(wú)線基站的成本 在所有無(wú)線基站設(shè)備的成本中，最昂貴的在所有無(wú)線基站設(shè)備的成本中，最昂貴的部分是高功率放大器部分是高功率放大器(HPA)。特別是在。特別是在CDMA系統(tǒng)中要求使用高線性的系統(tǒng)中要求使用高線性的HPA，更是其主要部，更是其主要部分的成本。如上述，智能天線使等效發(fā)射功率分的成本。如上述，智能天線使等效發(fā)射功率增加，

8、在同等覆蓋要求下，每只功率放大器的增加，在同等覆蓋要求下，每只功率放大器的輸出可能降低輸出可能降低201gN dB。這樣，在智能天線系。這樣，在智能天線系統(tǒng)中，使用統(tǒng)中，使用N只低功率的放大器來(lái)代替單只高只低功率的放大器來(lái)代替單只高功率功率HPA，可大大降低成本。此外，還帶來(lái)降，可大大降低成本。此外，還帶來(lái)降低對(duì)電源的要求和增加可靠性等好處。低對(duì)電源的要求和增加可靠性等好處。 4.3 移動(dòng)通信中智能天線的研究移動(dòng)通信中智能天線的研究 我國(guó)早已將研究智能天線技術(shù)列入國(guó)我國(guó)早已將研究智能天線技術(shù)列入國(guó)家家863317通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)

9、通信技術(shù)分項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。行相關(guān)的研究。我國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于同我國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能天線步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)。作為系統(tǒng)根基的和軟件無(wú)線電技術(shù)。作為系統(tǒng)根基的SCDMAWLL的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，足以的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，足以證明基于證明基于TDSCDMA技術(shù)的第三代移技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是可行和成熟的。動(dòng)通信系統(tǒng)是可行和成熟的。 歐洲在進(jìn)行了基于歐洲在進(jìn)行了基于DECT基站的智能天基站的智能天線技術(shù)研究后，繼續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束線技術(shù)研究后，繼續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評(píng)估等研究。日本形成算法、系

10、統(tǒng)性能評(píng)估等研究。日本某研究所提出了基于智能天線的軟件天某研究所提出了基于智能天線的軟件天線概念，即用戶所處環(huán)境不同，影響系線概念，即用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素亦不同，可通過(guò)軟件統(tǒng)性能的主要因素亦不同，可通過(guò)軟件采用相應(yīng)的算法。采用相應(yīng)的算法。 美國(guó)的美國(guó)的Metawave公司對(duì)用于公司對(duì)用于FDMA、CDMA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進(jìn)行了系統(tǒng)的智能天線進(jìn)行了大量研究開(kāi)發(fā)；大量研究開(kāi)發(fā)； ArrayComm公司也研制公司也研制了用于無(wú)線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；了用于無(wú)線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；美國(guó)德州大學(xué)建立了智能天線試驗(yàn)環(huán)境；美國(guó)德州大學(xué)建立了智能天線試驗(yàn)環(huán)境；加拿大加拿大Mc

11、Master大學(xué)也對(duì)算法進(jìn)行了研大學(xué)也對(duì)算法進(jìn)行了研究。究。 基于最大接收信號(hào)準(zhǔn)則的尋向型智能天線基于最大接收信號(hào)準(zhǔn)則的尋向型智能天線空時(shí)域聯(lián)合處理智能天線空時(shí)域聯(lián)合處理智能天線 智能天線實(shí)際上是一種空間信號(hào)處理技術(shù)。智能天線實(shí)際上是一種空間信號(hào)處理技術(shù)。如果它和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，就會(huì)獲得如果它和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，就會(huì)獲得更大的好處。在時(shí)間信號(hào)處理方面，如均衡技更大的好處。在時(shí)間信號(hào)處理方面，如均衡技術(shù)，時(shí)、頻域分集接收，術(shù)，時(shí)、頻域分集接收，RAKE接收，最大似接收，最大似然接收等已在通信中得到廣泛應(yīng)用。它們本身然接收等已在通信中得到廣泛應(yīng)用。它們本身也常用于克服多徑衰落，提高通

12、信質(zhì)量。把兩也常用于克服多徑衰落，提高通信質(zhì)量。把兩種信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的統(tǒng)一種信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的統(tǒng)一的算法，可以更有效地提高通信性能和處理效的算法，可以更有效地提高通信性能和處理效率。有的文獻(xiàn)稱之為兩維或三維率。有的文獻(xiàn)稱之為兩維或三維RAKE接收。接收。圖圖6給出一種空間濾波給出一種空間濾波RAKE接收機(jī)的框圖接收機(jī)的框圖, 它它包括包括N個(gè)天線單元、三套形成空間波束的加權(quán)個(gè)天線單元、三套形成空間波束的加權(quán)器和一個(gè)三指器和一個(gè)三指RAKE接收機(jī)。除此之外，還需接收機(jī)。除此之外，還需一個(gè)實(shí)時(shí)一個(gè)實(shí)時(shí)DOA探測(cè)器和相應(yīng)的控制器，用以產(chǎn)探測(cè)器和相應(yīng)的控制器，用以產(chǎn)生

13、加權(quán)數(shù)。生加權(quán)數(shù)。 上圖給出了一個(gè)用于上圖給出了一個(gè)用于DSCDMA系統(tǒng)的時(shí)空系統(tǒng)的時(shí)空域聯(lián)合處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它除了有智能天線域聯(lián)合處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它除了有智能天線部分，還有多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分。在多用戶聯(lián)部分，還有多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分。在多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分，如我們需要先得到用戶合檢測(cè)部分，如我們需要先得到用戶0的信號(hào)。的信號(hào)。Demi和和Modi (i1,2,M)分別將來(lái)自第分別將來(lái)自第i個(gè)用個(gè)用戶的擴(kuò)頻干擾解調(diào)后重新擴(kuò)頻，自適應(yīng)數(shù)字濾戶的擴(kuò)頻干擾解調(diào)后重新擴(kuò)頻，自適應(yīng)數(shù)字濾波器波器ADFi用來(lái)識(shí)別包括無(wú)線信道和天線陣列用來(lái)識(shí)別包括無(wú)線信道和天線陣列的參數(shù)，以產(chǎn)生對(duì)干擾的復(fù)制。從智能天線輸?shù)?/p>

14、參數(shù)，以產(chǎn)生對(duì)干擾的復(fù)制。從智能天線輸出端的信號(hào)出端的信號(hào)y(k)中減去干擾信號(hào)，得到的中減去干擾信號(hào)，得到的u(k)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器ADF0得到用戶得到用戶0的信號(hào)。再的信號(hào)。再通過(guò)通過(guò)Dem0解調(diào)后得到基帶信息，把它重新擴(kuò)解調(diào)后得到基帶信息，把它重新擴(kuò)頻、調(diào)制再與頻、調(diào)制再與ADF0的輸出相減，就得到了用的輸出相減，就得到了用于控制于控制ADFi（i0,1,M）的誤差信號(hào)。）的誤差信號(hào)。 4.4 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中 智能天線的研究智能天線的研究4.4.1 TD-CDMA系統(tǒng)中智能天線的應(yīng)用系統(tǒng)中智能天線的應(yīng)用4.4.2 基于軟件無(wú)線電的基站上行接收智能

15、天線基于軟件無(wú)線電的基站上行接收智能天線4.5 智能天線的發(fā)展智能天線的發(fā)展 左圖是多徑信號(hào)干擾的影響。左圖是多徑信號(hào)干擾的影響?？梢钥闯?，全向天線誤碼率為可以看出，全向天線誤碼率為50%左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的全向天線使誤碼率下降到的全向天線使誤碼率下降到10-2到到10-4左右；無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)左右；無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾小于信號(hào)時(shí)，的智能天線在干擾小于信號(hào)時(shí)，誤碼率極低（小于誤碼率極低（小于10-10），但當(dāng)），但當(dāng)干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，此時(shí)干擾強(qiáng)于有用信號(hào)，誤碼率此時(shí)干擾強(qiáng)于有用信號(hào)，誤碼率迅速提高到迅速提高到5

16、0%左右；采用多用左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾來(lái)戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，仍能向接近天線主瓣最大值時(shí)，仍能極大地壓制干擾，但在干擾弱于極大地壓制干擾，但在干擾弱于有用信號(hào)時(shí)，由于時(shí)域均衡造成有用信號(hào)時(shí)，由于時(shí)域均衡造成的誤差在此時(shí)成為誤差主要來(lái)源的誤差在此時(shí)成為誤差主要來(lái)源而導(dǎo)致誤碼率高于無(wú)多用戶聯(lián)合而導(dǎo)致誤碼率高于無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線，因此在實(shí)際使檢測(cè)的智能天線，因此在實(shí)際使用中，可以控制用中，可以控制ADFi（i=0,1,M）使其在干擾高于）使其在干擾高于有用信號(hào)時(shí)工作，用來(lái)消除通信有用信號(hào)時(shí)工作，用來(lái)消除通信盲區(qū)。盲區(qū)。 左左圖是其他用戶信號(hào)干擾圖是其他用戶信號(hào)干擾的影響，可以看出，全向天線的影響，可以看出，全向天線誤碼率為誤碼率為50%左右；采用多用左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的全向天線誤碼率戶聯(lián)合檢測(cè)的全向天線誤碼率下降到下降到10-2.5到到10-4左右；無(wú)左右；無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在多用戶聯(lián)合檢測(cè)的