智能天線綜述報(bào)告

智能天線綜述報(bào)告一、 引言隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)將越來(lái)越引起人們的極大關(guān)注。但是移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間干擾ISI(Inter-SymbolInterference)，以及由于通信系統(tǒng)中頻率復(fù)用引入的同信道十?dāng)_(CCI，Co-channelinterference)、CDMA系統(tǒng)中的MAI(MultipleAccessInterference)等都會(huì)使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。早期的移動(dòng)通信中，運(yùn)營(yíng)商為了降低投資成本，總是希望用較少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，這就意味著用戶的信號(hào)在到達(dá)BTS(基站收發(fā)信設(shè)備)之前可能有較大的路徑損耗，為使接收到的有用信號(hào)不至于低于門(mén)限，可以采用增加移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率或者基站天線的接收增益的辦法，事實(shí)上由于移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對(duì)而言采用智能天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較大增益，且其方法比用單天線容易。移動(dòng)通信發(fā)展到現(xiàn)在，人們對(duì)通信容量的需求與日俱增，為了擴(kuò)大系統(tǒng)容量，支持更多用戶，通常采用的是小區(qū)分裂或者扇區(qū)化的方法來(lái)降低頻率復(fù)用因子，提高頻率的利用率，但是隨之而來(lái)的是干擾的增加。原來(lái)借助路徑損耗有效降低的CCI和MAI卻較大比例的增加了。而利用智能天線技術(shù)，可以充分利用有用信號(hào)和干擾信號(hào)在空間方位上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，形成最優(yōu)的天線接收模式，即將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，低增益副瓣或者零陷對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復(fù)用因子，同時(shí)支持更多的用戶。智能天線技術(shù)能帶來(lái)很多好處，如擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域、降低基站發(fā)射功率、節(jié)省系統(tǒng)成本、提高數(shù)據(jù)傳輸速率、提高系統(tǒng)容量、提高頻譜效率、減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染等。二、 智能天線的發(fā)展歷史智能天線技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末，但在這之前，有關(guān)應(yīng)用陣列天線改善無(wú)線電系統(tǒng)性能的努力是伴隨著無(wú)線電的發(fā)明而開(kāi)始的。眾所周知，天線最重要的特性之一是輻射特性。在實(shí)際情況下，常常要求將天線輻射能量集中在需要的方向上，這樣一方面可提高有效覆蓋距離，減少不必要的功率浪費(fèi)，另一方面，也可減少對(duì)其他方向的電磁污染和干擾。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)多個(gè)單元組成的陣列天線饋電輸出信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)后合成輸出，能夠在理論上“綜合”出符合上述要求的陣列方向圖。這種陣列方向圖綜合的理論于20世紀(jì)50年代發(fā)展成熟，其典型代表有Dolph-Chebyshev,Talor等方法,其特點(diǎn)是在給定的副瓣電平和其他約束條件下，可方便地求得符合這種方向圖特性要求的陣列各單元激勵(lì)加權(quán)系數(shù)。通過(guò)模擬電路，這種原理在雷達(dá)、電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域首先得到了成功的應(yīng)用。自適應(yīng)波束形成理論是陣列天線技術(shù)的又一次重大發(fā)展。其特點(diǎn)是陣列天線的輸出方向圖可以根據(jù)不同的環(huán)境改變，以達(dá)到某種性能最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，例如在十?dāng)_方向形成零陷以達(dá)到抑制干擾性能最優(yōu)特性等，其典型代表有Howells自適應(yīng)零陷對(duì)消、Widrow最小均方自適應(yīng)波束形成、Capon恒定增益指向最小方差等波束形成方法。1964年和1976年IEEE-AP匯刊標(biāo)志著自適應(yīng)波束形成理論的成熟，并成為智能天線的重要理論基礎(chǔ)之一。20世紀(jì)80年代，兩項(xiàng)重大的進(jìn)展促成了智能天線新學(xué)科的產(chǎn)生。一項(xiàng)是以O(shè).Schmidt有關(guān)多重信號(hào)分類(lèi)方法(MUSIC)、R.Roy和T.Kailath有關(guān)旋轉(zhuǎn)不變方法(ESPRIT)為代表的新型到達(dá)波方位估計(jì)算法，這些算法能夠在多個(gè)同時(shí)同頻信號(hào)環(huán)境中給出每一個(gè)信號(hào)源的來(lái)波方向。另一項(xiàng)是數(shù)字技術(shù)的革命，使得波束形成能夠在數(shù)字域進(jìn)行。前一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為同時(shí)大量用戶復(fù)用頻率資源提供了理論基礎(chǔ)，后一項(xiàng)則證明了智能天線有了物理上可實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代，智能天線技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展并付諸應(yīng)用。在算法理論上相繼提出了如恒模自適應(yīng)算法、盲信號(hào)分離算法、基于有限字母的期望極大(EM)算法等新的陣列信號(hào)處理方法，提出了有關(guān)智能天線的理論的固定波束和自適應(yīng)波束等算法技術(shù)方案。在軟件無(wú)線電體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上研制了多個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了性能驗(yàn)證和評(píng)估工作。在這些工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的PHS、GSM系統(tǒng)研發(fā)成功智能天線基站，并已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，智能天線技術(shù)已經(jīng)納入到新一代3G移動(dòng)通信TD-SCDMA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。目前，有關(guān)多輸入多輸出(MIMO)的理論進(jìn)一步充實(shí)和發(fā)展了智能天線技術(shù)的內(nèi)涵，提出了以空時(shí)編碼為核心的空時(shí)自適應(yīng)處理新技術(shù)，這種技術(shù)可有效地利用空間分集和空間復(fù)用原理解決多徑衰落問(wèn)題并獲得極高的信道容量和頻譜利用率。在未來(lái)的移動(dòng)通信和寬帶自適應(yīng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究中，智能天線都是作為其中的關(guān)鍵技術(shù)得到廣泛的重視。可以預(yù)計(jì)，日益成熟的智能天線技術(shù)將會(huì)在未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要的作用。三、智能天線的原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)智能天線是一種具有測(cè)向和波束形成能力的天線陣列，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束,使天線主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)，并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線可分為兩大類(lèi)：多波束天線(或稱波束切換智能天線)和自適應(yīng)天線。多波束天線是利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，在這類(lèi)智能天線中，天線系統(tǒng)能形成多少個(gè)空間波束事先就已經(jīng)確定，且每個(gè)波束的指向是固定的，波束的寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)智能天線服務(wù)于某個(gè)用戶時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)從這幾個(gè)有限的波束中選擇一個(gè)或幾個(gè)的組合來(lái)服務(wù)于該用戶。用戶有可能雖處在所選波束的作用范圍，但并不一定在波束中心（最大方向），當(dāng)用戶位于波束邊緣及十?dāng)_信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，因此多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收。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)點(diǎn)。自適應(yīng)陣天線是根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳播方向，提供不同的空間信道，并且能使用戶始終得到波束的最大指向，此類(lèi)天線能形成無(wú)限多個(gè)波束。當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，波束也能作自適應(yīng)改變，可等同于信號(hào)有線傳輸?shù)木€纜，從而有效地克服了對(duì)系統(tǒng)的干擾影響。顯然，這種類(lèi)型的智能天線性能最佳，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)要求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要好。智能天線由天線陣列、模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)處理、波束形成網(wǎng)絡(luò)等4部分組成。智能天線采用數(shù)字波束形成（DBF）方式，用軟件完成自適應(yīng)算法的更新，或采用數(shù)模結(jié)合的處理方法，在不改變系統(tǒng)硬件配置前提下，既保證處理精度，又保證處理速度和靈活性。智能天線的波束形成算法，主要有盲算法、非盲算法和半盲算法三種。非盲算法需要參考信號(hào)，因此需要占用一定的頻譜，從而導(dǎo)致頻譜的有效利用率降低；盲算法不需要任何先驗(yàn)信息，但收斂性和捕獲能力方面尚有許多不足；半盲算法是二者的折中。四、智能天線的應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題討論智能天線技術(shù)已經(jīng)在民用和軍事兩方面得到了廣泛的應(yīng)用。在民用方面，受巨大的商業(yè)利益驅(qū)使，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)十種有關(guān)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的試驗(yàn)平臺(tái)，用于檢驗(yàn)各種智能天線技術(shù)的性能，有關(guān)工程化的智能天線應(yīng)用系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，并向?qū)拵ё赃m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等方向發(fā)展。如TSUNAMI智能天線和TD-SCDMA智能天線等。雖然智能天線展現(xiàn)了諸多優(yōu)點(diǎn)，但是智能天線為了實(shí)現(xiàn)其改善系統(tǒng)性能的目標(biāo)，必須在動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)許多時(shí)變參數(shù)進(jìn)行估計(jì)和最優(yōu)化，諸如動(dòng)態(tài)切換、動(dòng)態(tài)信道分配、覆蓋一簇移動(dòng)信號(hào)的波束動(dòng)態(tài)成形。同道干擾動(dòng)態(tài)零陷，以及為形成波束而獲取的先驗(yàn)知識(shí)都需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，并且這些系統(tǒng)參數(shù)的更新耗費(fèi)的時(shí)間也是必須考慮的問(wèn)題。例如，系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)更新處于快速移動(dòng)中的移動(dòng)信號(hào)的位置信息，而響應(yīng)時(shí)間卻受到方向角估計(jì)，跟蹤方案以及收斂至滿意水平的波束形成算法所需時(shí)間的限制。盡管可以通過(guò)算法的并行來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號(hào)處理能力，但同時(shí)也增加了成本。目前，智能天線已經(jīng)發(fā)展成為無(wú)線系統(tǒng)的一支綜合技術(shù)門(mén)類(lèi)，有著眾多的分支和方法，根據(jù)不同的情況，如果這些方法在寬帶無(wú)線通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電子對(duì)抗、聲納等廣泛的領(lǐng)域獲得靈活的應(yīng)用，則會(huì)極大地促進(jìn)相應(yīng)領(lǐng)域的發(fā)展，從這個(gè)角度來(lái)看，發(fā)展智能天線具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值。五、結(jié)束語(yǔ)天線作為移動(dòng)通信的重要組成部分，在提高網(wǎng)絡(luò)性能、改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面起著巨大的作用。在無(wú)線電通信領(lǐng)域，智能天線有著誘人的前景。智能天線的優(yōu)越性在于其可以分析到達(dá)天線陣列的信號(hào)，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機(jī)會(huì)，提高頻率的利用率，改善系統(tǒng)性能。智能天線體現(xiàn)了自適應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念，對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動(dòng)作用。雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但要實(shí)現(xiàn)理想的智能天線，還需要許多問(wèn)題有待研究解決。從目前的情況看來(lái)，智能天線正逐步應(yīng)用在固定無(wú)線接入系統(tǒng)中，以適應(yīng)用戶固定而無(wú)線傳播環(huán)境不斷變化的情況。隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，智能天線技術(shù)的改善，通信容量將成倍增加，通信質(zhì)量大大提高。參考文獻(xiàn)[1]詹毅，程強(qiáng)，王文勇.智能天線技術(shù)及應(yīng)用研究評(píng)述[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2007,