智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用摘要：介紹了智能天線的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：智能天線;移動(dòng)通信;容量;覆蓋引 言 最初的智能天線技術(shù)主要用于軍事抗干擾通信和定位等。近年來,隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入,智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。此外,隨著移動(dòng)用戶數(shù)迅速增長(zhǎng)和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高,要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下,使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。1 智能天線的基本原理 智能天線包括多波束天線陣列和自適應(yīng)天線陣列,后者是智能天線的主

2、要形式。智能天線技術(shù)主要基于自適應(yīng)天線陣列原理,天線陣收到信號(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1。 基站使用智能天線,可為用戶提供窄定向波束,在一定的方向區(qū)域內(nèi)收發(fā)信號(hào)。這樣既充分利用信號(hào)發(fā)射功率,又可降低發(fā)射信號(hào)帶來的電磁干擾。智能天線引入空分多址

3、(SDMA)方式,根據(jù)信號(hào)的空間傳播方向不同,區(qū)分用戶。 2 智能天線的實(shí)現(xiàn) 智能天線陣系統(tǒng)主要包括天線陣列、自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)。天線陣列是收發(fā)射頻信號(hào)的輻射單元。自適應(yīng)處理器把有一定規(guī)律的激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與各波束相對(duì)應(yīng)的幅度和相位,提供給各輻射單元,用來確定波束形成網(wǎng)絡(luò)各部分方向圖的增益。波束形成網(wǎng)絡(luò)利用天線陣元產(chǎn)生的方向圖,實(shí)現(xiàn)智能天線的各種應(yīng)用2。 自適應(yīng)處理器產(chǎn)生的各支路幅度和相位調(diào)整系數(shù),是波束形成網(wǎng)絡(luò)工作的重要依據(jù)。自適應(yīng)處理器包括信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法器。信號(hào)處理器根據(jù)所需進(jìn)行的信號(hào)處理,自適應(yīng)算法器根據(jù)均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度,用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕ{(diào)整方向圖,形成

4、網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù),使智能天線陣系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。 最初的智能天線采用復(fù)雜的模擬電路,如今采用數(shù)字波束形成(DBF)方式,用軟件完成算法更新,也可采用數(shù)模相結(jié)合的處理方法,既保證處理精度,又保證處理速度及靈活性。此外,為了使智能天線具有良好性能,應(yīng)根據(jù)具體的電波傳播環(huán)境,選擇相應(yīng)的智能算法。采用軟件無線電技術(shù)使系統(tǒng)具有良好的改善能力,提高系統(tǒng)性能。為了盡量減少對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改動(dòng),也可使用多波束智能天線。多波束天線利用多個(gè)指向固定的波束覆蓋全方向,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。 3 智能天線在移動(dòng)通信中的用途 3.1 抗衰落 在陸地移動(dòng)通信中,電波傳播路

5、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。采用全向天線接收所有方向的信號(hào),或采用定向天線接收某個(gè)固定方向的信號(hào),都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。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,使得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)角度分集1。 3.2 抗干擾 用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FD-MA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比,用12個(gè)3

6、0°波束天線陣列組成360°全覆蓋天線的同頻干擾要小得多3。將智能天線用于CDMA基站,可減少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾,改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。智能天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)“權(quán)值”,其調(diào)整方式與具有時(shí)域?yàn)V波特性的自適應(yīng)均衡器類似,可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將其“零點(diǎn)”自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統(tǒng)可靠性。 3.3 增加系統(tǒng)容量 為了滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的巨大需求,應(yīng)盡量擴(kuò)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

7、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。由于天線波束變窄,提高了天線增益及C /I指標(biāo),減少了移動(dòng)通信系統(tǒng)的同頻干擾,降低了頻率復(fù)用系數(shù),提高了頻譜利用效率。使用智能天線后,毋需增加新的基站就可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量,擴(kuò)大系統(tǒng)容量,增強(qiáng)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能5。 未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對(duì),這樣就可按需分配信道,保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源,等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密市區(qū)容量難題既經(jīng)濟(jì)又高效的方案,可在不影響通話質(zhì)量情況下,將基站配置成全向連接,大幅度提高基站容量。 當(dāng)前我國(guó)正考慮大規(guī)模引入CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng),但部分

8、省市模擬系統(tǒng)占用了CDMA頻段,必須采用清頻手段解決此問題。使用智能天線,可大大改善模擬系統(tǒng)小區(qū)復(fù)用方式,增加模擬系統(tǒng)容量,即使清頻也不會(huì)導(dǎo)致模擬系統(tǒng)資源匱乏,為CDMA系統(tǒng)留出頻段。 4.4 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)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)4。 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

9、小區(qū)域。 4 智能天線的應(yīng)用 4.1 用于FDMA系統(tǒng) 據(jù)研究,與通常的三扇區(qū)基站相比,C /I值平均提高約8dB,大大改善了基站覆蓋效果;頻率復(fù)用系數(shù)由7改善為4,增加了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí),采用智能天線技術(shù)可降低無線掉話率和切換失敗率。 4.2 用于TDMA系統(tǒng) 無線能量在時(shí)間和空間上都受到限制,智能波束切換規(guī)則可提高C /I指標(biāo)。據(jù)研究,用4個(gè)30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線,C /I可提高6dB,提高了服務(wù)質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng)C /I比最小的前提下,提高頻率復(fù)用系數(shù),增加了系統(tǒng)容量。 4.3 用于CDMA系統(tǒng) 在CDMA系統(tǒng)中,智能天線可進(jìn)行話務(wù)均衡,將高話務(wù)扇

10、區(qū)的部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū);通過智能天線靈活的輻射模式和定向性,可進(jìn)行軟/更軟切換控制;智能天線的空間域?yàn)V波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng),簡(jiǎn)化功率控制,降低系統(tǒng)成本,也可減少多址干擾,提高系統(tǒng)性能。 4.4 用于無線本地環(huán)路系統(tǒng) 在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中,基站對(duì)收到的上行信號(hào)進(jìn)行處理,獲得該信號(hào)的空間特征矢量,進(jìn)行上行波束賦形,達(dá)到最佳接收效果。由于本系統(tǒng)采用TDD方式,可將上行波束賦形數(shù)據(jù)直接用于下行發(fā)射信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)下行波束的賦形。天線波束賦形等效于提高天線增益,改善了接收靈敏度和基站發(fā)射功率,擴(kuò)大了通信距離,并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。 4.5 用于DECT、PHS等系統(tǒng) DECT

11、、PHS都是基于TDD方式的慢速移動(dòng)通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進(jìn)行智能天線實(shí)驗(yàn)時(shí),采用和評(píng)估了多種自適應(yīng)算法,并驗(yàn)證了智能天線的功能。日本在PHS系統(tǒng)中的測(cè)試表明,采用智能天線可減少基站數(shù)量。近期受移動(dòng)“本地通”業(yè)務(wù)的啟發(fā),我國(guó)一些地方提出利用PHS等技術(shù)建設(shè)“移動(dòng)市話”,期望與蜂窩移動(dòng)網(wǎng)爭(zhēng)奪本地移動(dòng)用戶群。由于PHS等系統(tǒng)的通信距離有限,需要建立很多基站,若采用智能天線技術(shù),則可降低成本。 4.6 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,W-CDMA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)SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技

12、術(shù)的典型范例。SCDMA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)。 5 智能天線技術(shù)的研究動(dòng)向 我國(guó)早已將研究智能天線技術(shù)列入了國(guó)家863-317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)行相關(guān)的研究。中國(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和軟件無線電技術(shù)。作為系統(tǒng)根基的SCDMA-WLL的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果,足以證明基于TD-SCDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是可行和成熟的1。 歐洲在進(jìn)行了基于DECT基站的智能天線技術(shù)研究后,繼續(xù)進(jìn)

13、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,影響系統(tǒng)性能的主要因素亦不同,可通過軟件采用相應(yīng)的算法。 美國(guó)的Metawave公司對(duì)用于FDMA、CD-MA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進(jìn)行了大量研究開發(fā);ArrayComm公司也研制了用于無線本地環(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;加拿大McMaster大學(xué)也對(duì)算法進(jìn)行了研究。 當(dāng)前對(duì)智能天線的研究包括智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法;寬帶信號(hào)波束的高速波束成形處理;用于移動(dòng)臺(tái)的智能天線技術(shù);智能天線實(shí)現(xiàn)中的硬件技術(shù);智能天線的測(cè)試平臺(tái)及軟件無線電技術(shù)研究等方面。 通

14、過智能天線進(jìn)行空分多址,將基站天線的收發(fā)限定在一定的方向角范圍內(nèi),其實(shí)質(zhì)是分配移動(dòng)通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域,使空間資源之間的交疊最小,干擾最小,合理利用無線資源。 傳統(tǒng)的全向或者定向天線效果并不理想,主要是由于空間資源分割是基于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),盡管可以在系統(tǒng)建成后,采取某些優(yōu)化措施改進(jìn)系統(tǒng)性能,但由于種種原因,這種優(yōu)化的余地不大,而且工程量很大。與之相比,智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達(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)。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化,它體現(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。6 總結(jié)經(jīng)過指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，同時(shí)翻閱了大量的資料(包括網(wǎng)上資料),終于完成了設(shè)計(jì)。通過這次論文設(shè)計(jì)，我對(duì)智能天線有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，也對(duì)通信技術(shù)有更深的理解。通過本論文對(duì)智能天線的綜述，隨著移動(dòng)用戶數(shù)迅速增長(zhǎng)和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高,要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在不增加系統(tǒng)復(fù)雜