智能天線及其在無線通信中的應(yīng)用

1、智能天線及其在無線通信中的應(yīng)用論文關(guān)鍵詞：智能天線無線通信應(yīng)用論文摘要：智能天線是近年開展起來的,用于進(jìn)步無線通信系統(tǒng)的容量和抗干擾才能的新技術(shù)。本文全面地闡述了智能天線的概念、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方案和應(yīng)用前景,同時(shí)還給出了智能天線的最新開展動(dòng)態(tài)。一、引言近年來,蜂窩挪動(dòng)通信的開展非常迅速,用戶量呈指數(shù)律上升。但是隨著用戶量的大幅度地增長(zhǎng),目前的通信系統(tǒng)正面臨著許多亟待解決的問題。尤其突出的是:信道容量的限制、多徑衰落、遠(yuǎn)近效應(yīng)、同頻道干擾、越區(qū)切換、挪動(dòng)臺(tái)由于電池容量的功率受限等等。這就迫切需要一種可以進(jìn)步系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的新技術(shù)。這就是智能天線得以提出和開展的客觀環(huán)境。通過分析,我們不難發(fā)現(xiàn)頻分

2、多址(fd-a)、時(shí)分多址(tda)和碼分多址(d-a)分別是在頻域、時(shí)域和碼組上實(shí)現(xiàn)用戶的多址接入,而空域資源尚未得到充分的利用。智能天線那么致力于空間資源的開發(fā),是一條解決目前頻譜資源匱乏的有效途徑。一般地,智能天線被定義為:具有測(cè)向和波束成形才能的天線陣列。實(shí)際上,智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系,也就是利用了信號(hào)的相位關(guān)系,這是與傳統(tǒng)分集技術(shù)本質(zhì)上的區(qū)別。智能天線能識(shí)別信號(hào)的入射方向(da-diretinfarrival),從而實(shí)如今一樣頻率、時(shí)間和碼組上用戶量的擴(kuò)展。因此可以把智能天線看作sda(spatialdivisinulti-aess)。從技術(shù)開展的角度來看,智能

3、天線系統(tǒng)還可以認(rèn)為是自適應(yīng)天線在現(xiàn)代挪動(dòng)通信系統(tǒng)中的進(jìn)一步開展。而早在60年代,自適應(yīng)天線就開場(chǎng)應(yīng)用于諸如目的跟蹤、抗信號(hào)阻塞等軍事電子領(lǐng)域中。智能天線系統(tǒng)致力于進(jìn)步挪動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量,這在無線電頻譜資源日益擁擠的今天,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)智能天線系統(tǒng)還能進(jìn)步挪動(dòng)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量,是一種具有良好的應(yīng)用前景,但還沒有被人們充分開發(fā)的新的技術(shù)方案。相對(duì)其他技術(shù)方案而言,具有投資盛見效快等優(yōu)點(diǎn)。目前,世界上許多著名的大學(xué)與公司都競(jìng)相致力于智能天線的開發(fā),例如:stanfrd,eris-sn,nrtherntele,bellsuth,bellatlanti及array。歐洲電信委員會(huì)(e

4、tsi-eurpeanteleuniatinsstandardsinstitute)在其第三代挪動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中(uts-universalbileteleuniatinsyste),明確提出智能天線系統(tǒng)是第三代挪動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。并制定相應(yīng)的開發(fā)方案,即:tsunai(tehnlgyinsartantennasfruniversaladvanedbileinfrastru-ture)。二、智能天線及其與傳統(tǒng)技術(shù)的比擬首先,我們給出智能天線的典型構(gòu)造,如圖1所示。智能天線由以下三局部構(gòu)成:天線陣列,信號(hào)合成通道和自適應(yīng)控制單元。其中,天線陣列是由按某種規(guī)律排列的單元天線構(gòu)成的。

5、常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。信號(hào)合成通道那么將來自每個(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)。也就是說,每路信號(hào)的幅度與相位均可改變。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)那么主動(dòng)地去適應(yīng)周圍電磁環(huán)境的變化。進(jìn)一步地,我們來推導(dǎo)窄帶假設(shè)條件下(信號(hào)帶寬的倒數(shù)遠(yuǎn)小于電磁波波前跨越天線陣列的時(shí)間)智能天線的矢量模型。對(duì)由個(gè)陣元構(gòu)成的陣列天線,信號(hào)在第i個(gè)陣元的響應(yīng)可表示如下:其中,l為多徑信號(hào)的數(shù)目,gi(l)為以l角度入射到天線陣列的第l徑信號(hào)在第i個(gè)陣元上的響應(yīng)。l(t),l分別為第l徑信號(hào)的復(fù)包絡(luò)和時(shí)延。u()表示經(jīng)過調(diào)制后的信源。定義維復(fù)矢量

6、x(t)和a(l):因此天線陣列的輸出響應(yīng)可以表示為：其中,l(t)遵從rayleigh或riian分布;a()被定義為陣列綜合因子,該參數(shù)由陣列的幾何構(gòu)造、各單元的方向圖、單元之間的互耦、鄰近散射體對(duì)陣列天線的影響等諸多因素共同決定。u(t)代表發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)構(gòu)造,在gsk調(diào)制制式中,該函數(shù)有如下的表達(dá)式:式中,(t)為sk信號(hào)通過gaussian濾波器后的相位函數(shù)。當(dāng)考慮同波道干擾和熱噪聲時(shí),天線陣列接收到的信號(hào)表示如下:上式第二項(xiàng)為q-1個(gè)干擾源產(chǎn)生的同波道干擾。第三項(xiàng)為零均值加性高斯白噪聲。智能天線的算法直接影響著智能天線的性能。一般地,智能天線的算法可分為單用戶算法和多用戶算法兩大類

7、。在單用戶算法中,把其他用戶產(chǎn)生的干擾等效為加性高斯噪聲。而在多用戶算法中,那么需要同時(shí)分辨出其他用戶產(chǎn)生的同波道信號(hào),因此多用戶算法是實(shí)現(xiàn)sda的基矗智能天線的算法假設(shè)按照其優(yōu)化的目的函數(shù)可分為基于最大似然序列估計(jì)準(zhǔn)那么的lse(axiulikelihdsequeneestiatin)算法和基于最小均方誤差準(zhǔn)那么的se(iniueansquareerrr)算法兩類。對(duì)gs或is-54系統(tǒng),由于在突發(fā)的數(shù)據(jù)流中包含訓(xùn)練序列,宜采用有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法(trainingsignalethd),該算法可以實(shí)時(shí)反映信道的變化,但卻是以降低頻譜利用率為代價(jià)的。而對(duì)于非gaussian信號(hào)、恒包絡(luò)信號(hào)(ns

8、tantdulus)可采用無導(dǎo)師的自學(xué)習(xí)算法(blindethd)。智能天線與自適應(yīng)天線并沒有本質(zhì)上的區(qū)別,但是由于其使用的場(chǎng)合不同而具有顯著的差異:自適應(yīng)天線主要應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消,一般地,雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的功率電平,并且干擾源數(shù)目與天線陣列單元數(shù)相當(dāng)。而在無線通信系統(tǒng)中,由于多徑傳播,到達(dá)天線陣列的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣列單元數(shù),同時(shí)其功率電平一般都小于直射信號(hào)。圖2顯示了典型的十單元半波長(zhǎng)均勻直線陣列,在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中方向圖的比擬(圖中干擾源分別位于75度和35度)。分集接收是無線通信系統(tǒng)常用的抗多徑衰落技術(shù)方案。事實(shí)上,分集技術(shù)利用了陣列天線中不同陣元耦合得到空間信號(hào)

9、的弱相關(guān)性。常用的分集技術(shù)有:空間分集、極化分集、頻率分集和角度分集。n單元的智能天線本質(zhì)上也可等效為,由n個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并的準(zhǔn)那么構(gòu)成的空間分集陣列。從這個(gè)意義上講,智能天線是傳統(tǒng)的分集接收的進(jìn)一步開展。例如:小區(qū)的扇區(qū)化技術(shù)即可認(rèn)為是一種簡(jiǎn)化的固定預(yù)分配的智能天線系統(tǒng)。表1對(duì)智能天線與分集技術(shù)的特點(diǎn)做了詳細(xì)比擬。無線通信系統(tǒng)常常要求天線具有窄的主瓣寬度、高增益和低的付瓣電平。但是對(duì)一定構(gòu)造的天線而言,上述兩個(gè)要求是矛盾的。事實(shí)上,天線陣列的方向圖等于單元方向圖和陣列因子的乘積。因此選取合適的陣列圖案和單元方向圖是智能天線的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。平面任布陣列是一種具有很強(qiáng)應(yīng)用背景的實(shí)現(xiàn)方案

10、。對(duì)于給定陣列單元數(shù)量的陣列分布,假如其占據(jù)的幾何空間越大,那么形成鋒利主瓣波束的才能越強(qiáng)。例如,對(duì)一個(gè)10單元的直線陣列,當(dāng)主付瓣功率電平差為40db時(shí),主瓣寬度為40。三、智能天線在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,由于無法確定挪動(dòng)用戶的地理位置而不得不采用全向發(fā)射天線。實(shí)際上只有很小局部的信號(hào)被挪動(dòng)用戶截獲,這不僅造成能量的損失,更為嚴(yán)重是構(gòu)成對(duì)其他用戶人為的干擾,從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量和信干噪比的下降。采用智能天線的目的,就是要在基臺(tái)與挪動(dòng)用戶之間建立一條能量相對(duì)集中的無線鏈路。為實(shí)現(xiàn)上述目的,智能天線系統(tǒng)需完成以下兩大任務(wù):1.能實(shí)時(shí)感知電磁環(huán)境,包括da測(cè)向、譜估計(jì)、從接收到的

11、信號(hào)中別離出直射信號(hào)和多徑信號(hào);2.后處理過程,包括信道別離、抗多徑干擾和衰落。該處理過程取決于算法的收斂速度和穩(wěn)定性,以及dsp的處理速度。在此,我們給出表征系統(tǒng)容量的單位:bit/s/hz/unit-area。該參數(shù)表示在給定發(fā)射功率、給定頻譜范圍內(nèi)信號(hào)的傳輸速率。系統(tǒng)容量的進(jìn)步表如今兩個(gè)方面:(1)對(duì)于用戶集中的都市區(qū),在給定小區(qū)范圍內(nèi)能包容更多的挪動(dòng)用戶;(2)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)的效勞范圍。智能天線對(duì)系統(tǒng)容量的進(jìn)步有以下兩條途徑:1.利用智能天線的波束成形和自適應(yīng)測(cè)向跟蹤才能,實(shí)時(shí)地形成窄的主瓣波束對(duì)準(zhǔn)所需信號(hào),在其他方向盡量壓低付瓣增益。以此來代

12、替?zhèn)鹘y(tǒng)的全向天線。智能天線進(jìn)步了接收信號(hào)的信干噪比,從而進(jìn)步了系統(tǒng)容量。此時(shí)對(duì)應(yīng)單用戶算法。2.把智能天線等效為空域?yàn)V波器,實(shí)現(xiàn)空分多址傳輸,即所謂的sda。此時(shí)要采用多用戶檢測(cè)算法。需要說明的是,sda并不是與fda、da、tda等同的多址方式,而是附加在上述多址方式上的優(yōu)化方案。要準(zhǔn)確地計(jì)算智能天線對(duì)系統(tǒng)容量的進(jìn)步是非常困難的。首先,必須確定小區(qū)用戶的分布情況、小區(qū)的無線傳播模型、智能天線的方案與算法,并結(jié)合詳細(xì)的通信體制加以討論。目前已有許多文獻(xiàn)進(jìn)展有益的探究。這是智能天線研究的最重要的課題之一。下面我們來定性地分析sda系統(tǒng)的性能。事實(shí)上,目前的挪動(dòng)通信體制根本上都是上行受限的系統(tǒng)。也

13、就是說,上行鏈路與下行鏈路是不平衡的。這是由于基臺(tái)和挪動(dòng)臺(tái)的物理構(gòu)造造成的。例如,假設(shè)基臺(tái)發(fā)射功率為20,天線增益17dbi,此時(shí)基臺(tái)為1keirp。而挪動(dòng)臺(tái)為1eirp,天線增益為0dbi,在此假設(shè)條件下,上行鏈路與下行鏈路的不平衡度為13db。在900hz或1800hz頻段,17dbi增益的天線已接近工程應(yīng)用的上限。因此要縮小上下行鏈路的不平衡度,唯一的方法是減小基臺(tái)發(fā)射功率。采用智能天線后,能很大程度上緩解上下行鏈路的不平衡度。對(duì)于沒有多徑傳播的理想情況下,采用十單元的陣列天線將使上下行鏈路的不平衡度減少至3db。另一方面,由陣列天線獲得的snr的進(jìn)步可以等效為基臺(tái)效勞范圍的增加。對(duì)于單

14、元的陣列天線與單天線相比,其基臺(tái)效勞范圍增加1/倍。當(dāng)然,上述分析是理想情況下的。但在實(shí)際的挪動(dòng)通信系統(tǒng)中,同波道干擾和多徑傳播與噪聲相比,是影響系統(tǒng)性能的更為重要的因素。同時(shí)智能天線也能改善系統(tǒng)的sinr。當(dāng)-90db的直射信號(hào)與-95db的干擾分別以不同角度入射到天線陣列時(shí),假設(shè)系統(tǒng)噪聲為-120db,此時(shí)系統(tǒng)sinr大約為5db。采用十單元的直線陣列天線后,干擾信號(hào)將受到抑制,系統(tǒng)的sinr可以進(jìn)步到40db。如圖3所示。對(duì)于由挪動(dòng)用戶附近形成的時(shí)間選擇性衰落信號(hào),其到達(dá)天線陣列的入射角分布較集中。智能天線那么很難處理,此時(shí)宜采用時(shí)域的處理方法,例如rake接收機(jī)。對(duì)于空間選擇性衰落信號(hào)

15、,用智能天線來處理那么具有很大的優(yōu)勢(shì)。一種簡(jiǎn)單的算法是將除直射信號(hào)以外的多徑信號(hào)視為干擾加以抑制。另一種更為有效的方法,是別離出各徑信號(hào)并按照一定的準(zhǔn)那么優(yōu)化合并。當(dāng)然這是以設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的。因此,在上行鏈路中應(yīng)用智能天線可以進(jìn)步系統(tǒng)的sinr,增加小區(qū)效勞范圍,減小挪動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。智能天線既可在上行鏈路中單獨(dú)使用,也可在上下行鏈路中同時(shí)使用。在下行鏈路中采用智能天線的最大優(yōu)點(diǎn)在于,把基臺(tái)盲目的、播送式的傳播變?yōu)槎ㄏ虻男盘?hào)傳遞。采用智能天線以后,一方面可以簡(jiǎn)化基臺(tái)的設(shè)備,例如:過去基臺(tái)要發(fā)射100的功率那么需要100的功放,當(dāng)采用十單元的天線陣列后,每單元只需1的功放來鼓勵(lì)。要知道100

16、的功放與1的功放,無論是在價(jià)格還是性能上都有很大的區(qū)別。另一方面更為重要的是,定向傳播將極大地減小基臺(tái)對(duì)其他用戶的人為的干擾,凈化電磁環(huán)境,從而進(jìn)步了系統(tǒng)容量。這一點(diǎn)具有非常重要的意義。需要指出的是,由于在fda系統(tǒng)中,上下行鏈路采用不同的頻率。因此由上行鏈路得到的用戶空間信息不能簡(jiǎn)單拷貝到下行鏈路。這時(shí)需要復(fù)雜的上下行鏈路分配方案。因此在下行鏈路中應(yīng)用智能天線可以進(jìn)步系統(tǒng)容量,簡(jiǎn)化基臺(tái)設(shè)備。多徑衰落是影響無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。對(duì)此,人們做了大量的嘗試并提出許多有效的方案。例如:分集技術(shù)、rake接收機(jī)、自適應(yīng)濾波等等。而智能天線那么從空間域的角度提供了一條新途徑。智能天線能分辨出直射信

17、號(hào)與各徑多徑信號(hào),這是傳統(tǒng)的抗多徑技術(shù)無法得到的。如何與現(xiàn)有的抗多徑技術(shù)相結(jié)合,較好地解決多徑傳播是智能天線研究的另一個(gè)重要的研究課題。同時(shí)智能天線在網(wǎng)絡(luò)管理上也有非常突出的特點(diǎn)。由于智能天線具有測(cè)向功能,因此利用相鄰小區(qū)基臺(tái)得到的方向信息,可以確定用戶在小區(qū)的位置,為實(shí)現(xiàn)正確切換提供更可靠的根據(jù)。小區(qū)采用智能天線后,可以根據(jù)挪動(dòng)用戶與基臺(tái)的間隔 ,自適應(yīng)調(diào)整基臺(tái)的功率增益來簡(jiǎn)化挪動(dòng)用戶的功率控制和克制遠(yuǎn)近效應(yīng)。四、小結(jié)智能天線是第三代挪動(dòng)通信(3g)不可缺少的空域信號(hào)處理技術(shù)。歸納起來,智能天線具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):1.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)

18、。同時(shí)還能把零響應(yīng)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。2.進(jìn)步輸入信號(hào)的信噪比。顯然,采用多天線陣列將截獲更多的空間信號(hào),也就是獲得陣列增益。3.能識(shí)別不同入射方向的直射波和反射波,具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同波道干擾的才能。能減小普通平衡技術(shù)很難處理的快衰落對(duì)系統(tǒng)性能的影響。進(jìn)步了接收機(jī)的載干比。4.增強(qiáng)系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落的才能。因?yàn)樘炀€陣列本質(zhì)上具有空間分集的才能。5.可以利用智能天線,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境和用戶情況來進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)的管理才能。6.智能天線能自適應(yīng)調(diào)節(jié)天線增益,較好地解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題,為挪動(dòng)臺(tái)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了條件。越區(qū)切換是根據(jù)基臺(tái)接收的挪動(dòng)臺(tái)功率電平來判斷的,而陰影效應(yīng)和多徑衰落常導(dǎo)致錯(cuò)誤的跨區(qū)轉(zhuǎn)接,增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶的呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用智能天線技術(shù),可以實(shí)時(shí)地測(cè)量和記錄挪動(dòng)臺(tái)的位置和速度,為越區(qū)切換提供更可靠的根據(jù)。智能天線的誘人的應(yīng)用前景在于,以較低的設(shè)備復(fù)雜性來獲取系統(tǒng)容量和抗多徑衰落才能的進(jìn)步。同時(shí),尋找實(shí)時(shí)高效的快速算法并用dsp或asi加以固化是智能天線技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的前提條件。參考文獻(xiàn)1sin.sales,et.theperfraneenhaneentfultibeaadaptivebase-statinantennasfrellularlandbilera-disystes.ieeetransatinnvt,1990,vt-39(1