智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)天線技術(shù)01基本介紹用途技術(shù)應(yīng)用工作原理技術(shù)分類存在問題目錄0305020406基本信息隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這個問題。基本介紹基本介紹智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線，它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，以達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)，能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個天線均需一個Rake接收機，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。起源發(fā)展智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。工作原理工作原理智能天線原理圖（單個用戶）天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對于全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個元素的加權(quán)參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實時地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應(yīng)的方向圖的設(shè)備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的主瓣對準(zhǔn)有用信號，而在其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實時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線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關(guān)于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構(gòu)成天線陣列。構(gòu)成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，并且取向相同。智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成，如圖所示。實際智能天線結(jié)構(gòu)比圖復(fù)雜，因為圖中表示的是單個用戶情況，假如在一個小區(qū)中有K個用戶，則圖1中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用，其余自適應(yīng)數(shù)字信號處理器與相應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)需要每個用戶一套，共K套。以形成K個自適應(yīng)波束跟蹤K個用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶，剩下的K-1個用戶均為干擾用戶。智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益.因此，智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用可以帶來如下好處：提高系統(tǒng)容量、減小衰減、抗干擾能力較強、實現(xiàn)移動臺定位、增強網(wǎng)絡(luò)管理能力等。用途⑴抗衰落⑵抗干擾⑶增加系統(tǒng)容量⑷實現(xiàn)移動臺定位用途⑴抗衰落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，減少信號衰落的影響。智能天線還可以用于分集，減少衰落。⑵抗干擾高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用實質(zhì)是空間域濾波。⑶增加系統(tǒng)容量為了滿足移動通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。⑷實現(xiàn)移動臺定位目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向，即用戶終端的方位。技術(shù)分類自適應(yīng)方向圖智能天線采用軟件無線電實現(xiàn)智能天線固定形狀方向圖智能天線技術(shù)分類自適應(yīng)方向圖智能天線它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。另外，由于波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實時優(yōu)化上。軟件無線電實現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意圖智能天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號干擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時建立了信號環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號處理的理論和方法、自動控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來，已有30多年。大體上可以分成三個發(fā)展階段：第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特征空間正交譜估計等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進入應(yīng)用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應(yīng)信號處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。固定形狀方向圖智能天線固定形狀方向圖智能天線在工作時，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達方向（DOA），然后根據(jù)信號的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。近年來，一些研究小組針對個人移動通信環(huán)境的DOA檢測算法進行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯嶒炑芯?。Bigler等人的實驗表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實驗中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4度。在多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測量是目前理論和實驗研究的熱點。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進行了分析，給出了對應(yīng)的模型。在美國的Boston地區(qū)，NewJersey的高速公路，德國的Munich地區(qū)等進行了大量的測試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓(xùn)練序列進行信道估計，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點之一。采用軟件無線電實現(xiàn)智能天線智能天線需根據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸特性和環(huán)境，選用不同的算法來調(diào)整波束，甚至改變系統(tǒng)的資源管理狀態(tài)，為提高其運用彈性和靈活度，采用軟件無線電（SDR）實現(xiàn)智能天線已成為主流趨勢。軟件無線電采用開放式架構(gòu)，以硬件作為其通用的基本平臺，通過軟件完成功能性的重組，以滿足不同環(huán)境、多模式、多功能的通信要求，同時具備可適應(yīng)性信號處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟件控制方式改變硬件特性的通信設(shè)備，均可視為軟件無線電系統(tǒng)。軟件無線電系統(tǒng)的發(fā)展方式類似于軟件開發(fā)，系統(tǒng)中各個硬件組件模塊可視為功能不同的對象（object），根據(jù)呼叫的不同啟動相應(yīng)的執(zhí)行程序，因此可直接通過下載程序代碼的方式來置換對象，即可顯現(xiàn)在同一硬件平臺上，可適應(yīng)性的調(diào)整應(yīng)用架構(gòu)，借以提高系統(tǒng)的運用彈性和擴充能力，提供高效率、高彈性、高適應(yīng)性的處理能力。因為不對硬件組態(tài)進行任何改變，所以系統(tǒng)具有易維護、易應(yīng)用的操作環(huán)境。鑒于未來無線通信系統(tǒng)的體制繁多，為使智能天線能配合系統(tǒng)進行平滑的技術(shù)演進，進而能更彈性地運用于多模系統(tǒng)中，軟件無線電將是未來智能天線研制的重要系統(tǒng)架構(gòu)。利用軟件無線電實現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意如圖所示。軟件無線電系統(tǒng)由不同的硬件模塊所構(gòu)成，其中包括可組態(tài)通信系統(tǒng)模塊、基頻處理單元（含DSP及FPGA模塊）、數(shù)字寬頻收發(fā)單元（含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC））、實時操作系統(tǒng)及智能天線單元等。運用軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展智能天線的最大挑戰(zhàn)在于各種算法的建立。技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用在3G中的應(yīng)用在WCDMA和CDMA2000中的應(yīng)用。第3代系統(tǒng)被設(shè)計為一個可以提供相當(dāng)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。但是，它們還會像第2代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)認(rèn)識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用，并且在3G標(biāo)準(zhǔn)中制訂了相關(guān)的條款。如WCDMA和CDMA2000都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導(dǎo)頻信道，但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。對于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當(dāng)今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用。TDSCDMA（時分同步的碼分多址）智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性（無線環(huán)境和傳輸條件相同）而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使用DSP(數(shù)字信號處理器）使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。存在問題全向波束和賦形波束智能天線的校準(zhǔn)智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合設(shè)備復(fù)雜性的考慮存在問題全向波束和賦形波束上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時（空閑狀態(tài)），基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發(fā)射（如系統(tǒng)中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道）。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計時所必須考慮的。智能天線的校準(zhǔn)在使用智能天線時，必須具有對智能天線進行實時自動校準(zhǔn)的技術(shù)。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進行實時自動校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達到最佳的效果。這些數(shù)字信號