第7章智能天線

1、信息與通信工程學(xué)院姚金杰w隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術(shù)引起人們極大關(guān)注。7.1 引言w如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。w 近年來智能天線成為移動通信領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)，是解決頻率資源匱乏的有效途徑，同時還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。7.1 緒論如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。自適應(yīng)天線陣列同頻干擾w 現(xiàn)代蜂窩通訊為了提高頻率使用效率,使用了各種頻率復(fù)用技術(shù),這也帶來了同頻干擾的問題。對

2、特定用戶發(fā)出的有用信號,對這個小區(qū)或者其它小區(qū)中采用相同頻率的用戶來說,形成了很強(qiáng)的干擾,限制了用戶數(shù)量的增加。相對于傳統(tǒng)基站天線,扇區(qū)天線系統(tǒng)通過減小總發(fā)射功率的方法使這個問題得到了一定程度的改善;而智能天線系統(tǒng)不但可以通過指向預(yù)定用戶,而且可以通過產(chǎn)生方向圖零點(diǎn)來對準(zhǔn)干擾來源方向的方法,減小同頻干擾。小區(qū)內(nèi)的頻率復(fù)用互調(diào)干擾的形成互調(diào)干擾的形成w 在雙向無線電通信擁擠的區(qū)域里，當(dāng)兩個或更多個信號加到非線性器件中時，產(chǎn)生了互調(diào)干擾分量，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都能產(chǎn)生這些干擾分量。這些分量出現(xiàn)在不同的頻率上，而且能在另一些信道上引起干擾。如果干擾和有用信號差不多大小或比有用信號大，則有用信號就受到嚴(yán)重

3、的干擾。如果干擾比有用的信號弱，只在沒有信號時，干擾才能被聽到。w 兩個或更多個發(fā)射機(jī)互相靠得很近時，每個發(fā)射機(jī)與其他發(fā)射機(jī)之間通常通過天線系統(tǒng)耦合，從每個發(fā)射機(jī)來的輻射信號進(jìn)入其他發(fā)射機(jī)的末級放大器和傳輸系統(tǒng)，于是就形成了互調(diào)。而這些產(chǎn)物落到末級放大器的通帶內(nèi)并被輻射出去，這種輻射可能落在除了已指配的發(fā)射機(jī)頻率之外的那些信道上。 互調(diào)干擾的形成互調(diào)干擾的形成智能天線引出 智能天線原名自適應(yīng)天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array）。w 最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、抗干擾通信、定位、軍事方面等，用來完成空間濾波和定位。w近年來，隨著移動通信的發(fā)展以及對移動通信電

4、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)境的移動通信。為什么要用智能天線w智能天線適用于維持一條與用戶的“虛擬”路徑，這種信號處理方式使得在高干擾的情形下也能維持這種聯(lián)結(jié)w常規(guī)的方法把信號向所有的方向發(fā)射，導(dǎo)致在相鄰基站信號質(zhì)量下降極大限制了用戶的數(shù)量移動通信基站中的智能天線7.2 智能天線的基本概念及特點(diǎn)信息化的發(fā)展使得信號頻譜密度越來越高，如何有效利用有限的頻譜資源稱為重要問題傳統(tǒng)的方法：TDMA、FDMA、CDMA還有其他方法嗎？空域分集，從空域提高頻譜利用率的設(shè)想 誕生了智能天線（Smart Antenna）系統(tǒng)，特點(diǎn)：通過對多個天線陣元輸出信

5、號進(jìn)行幅相加權(quán)獲得所需要的天線方向圖，實(shí)現(xiàn)空間分離。關(guān)鍵技術(shù)：陣元結(jié)構(gòu)、信號定位、波束成形算法主要應(yīng)用：4G的MIMO系統(tǒng)、麥克風(fēng)陣列、雷達(dá)、信號處理等智能天線的基本結(jié)構(gòu)12.N幅相加權(quán)幅相加權(quán)幅相加權(quán)幅相加權(quán)幅相加權(quán)幅相加權(quán)接收機(jī)接收機(jī)接收機(jī)接收機(jī)接收機(jī)接收機(jī)用戶用戶1 1用戶用戶2 2用戶用戶M M天線分配天線分配覆蓋范圍的比較新建系統(tǒng)投資比較智能天線在移動通信中的功能智能天線在移動通信中的功能（1）抗衰落）抗衰落w 在陸地移動通信中，電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成，隨著移動臺移動及環(huán)境變化，信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，造成信號衰落。采用全向天線接收所有方向的

6、信號，或采用定向天線接收某個固定方向的信號，都會因衰落使信號失真較大。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，減小信號衰落的影響。（2）抗干擾）抗干擾用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FDMA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比，用12個 30波束天線陣列組成360全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能。智能天線通過主波束指向指定的用戶可以降低同頻干擾、提高通話質(zhì)量、減小頻率復(fù)用距離?？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

7、“權(quán)值”，其調(diào)整方式與具有時域?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)”自動對準(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）增加系統(tǒng)容量）增加系統(tǒng)容量w 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CI指標(biāo)，減少了移動通信系統(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，無須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)有移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。4）實(shí)現(xiàn)移動臺定位）實(shí)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)，如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時確定持機(jī)者所

8、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)。智能天線是一種天線和傳播環(huán)境與用戶和基臺的最佳空間匹配通信 為光速;sinmddm)(tSmmmmmmjnnmnmmnmnttttjmnmmmnmnmeACtsCetaAntsAtx)()()()()(1010)()()(NnmnmnmNnnmnmmtsCWtxWty)sin(2111)(mmmmdnjnmjnnmnmnmeAeACW210)sin()sin(2210)sin(211)(NndnjNndnjnmmmmmeNeWNF信號在信號在45o方向的方向圖方向的方向圖信號在信號在70o方向的方向圖方向的方向圖012N-1m

9、)(tsm)2cos(2mmnmnNR信號在信號在112o方向方向和和305o方向的方向圖方向的方向圖 )sin() 1(2)sin(12)sin() 1(2)sin(12)sin() 1(2)sin(1211111111110000111,MMMMdNjdjdNjdjdNjdjTnMnnonmeeeeeeWWWW)2cos(2sin2mmnmmmnmjnmnNRndeWnm圓陣移相因子為：線陣移相因子為：其中：接收機(jī)接收機(jī) 12.N0m移相器移相器)1(Nm移相器移相器1m移相器移相器12.N接收機(jī)接收機(jī) 0m移相器移相器)1(Nm移相器移相器1m移相器移相器下變頻下變頻下變頻下變頻下變頻下

10、變頻12.N下變頻下變頻下變頻下變頻下變頻下變頻A/DA/DA/DDBFx1x2.xN波束波束1波束波束2.波束波束M7.4 基于SDR智能天線的基本組成 智能天線實(shí)際上就是一種多波束天線，而多波束的形成可以采用模擬方法實(shí)現(xiàn)也可以采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)和高速數(shù)字信號處理(貼P)技術(shù)的迅速發(fā)展，多波束形成的數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)已成為主流。軟件無線電概念的出現(xiàn)，把軟件無線電與智能天線有機(jī)地結(jié)合在一起，大大地促進(jìn)智能天線特別是通信中的智能天線的實(shí)用化。本節(jié)討論基于軟件無線電的智能天線組成結(jié)構(gòu)，包括單信道智能天線，多信道智能天線和信道化智能天線。12.N前端前端前端前端前端前端DBFDBFDBFAD

11、ADADDDCDDCDDCDE-MOD解調(diào)SCMBF單信道多波束形成器單信道多波束形成器.12.N前端前端前端前端前端前端SCMBF1SCMBF2SCMBFLADADADDDCDDCDDC.信道信道1多波束多波束解調(diào)輸出解調(diào)輸出信道信道L多波束多波束解調(diào)輸出解調(diào)輸出信道信道2多波束多波束解調(diào)輸出解調(diào)輸出12.N前端前端前端前端前端前端DMBF1DMBF2DMBFLADADADPPCRPPCRPPCR.TNiNiiiTDTLtxtxtxtXaaaAtXAAAtytytytY)(,),(),()()(,),(),()()()(,),(),()(,),(),()(21212121其中：iWiTiTi

12、iPaWtXWtSimin1)()()(*滿足：)()(minminminixTiWiTTiWiWWRWWtXtXWPiii 1)(21)(iTixTiiaWWRWWH)()(1),(0)()(11ixiHixiiixiiaRaaRWaWRWWH7.5.2 “零陷”波束形成器 所謂“陷波”波束形成器就是首先在不需要的 ( D-1 ) 個方向上形成“零點(diǎn)”，對不需要的信號進(jìn)行空域陷波，然后使所需方向上的信號盡可能地大。零點(diǎn)處理波束形成算法具有最佳性能。 假設(shè)所需信號的方向?yàn)?，用加權(quán)矢量w對陣列輸出x(t)進(jìn)行加權(quán)，使其能消去2, ,D。)0 , 0 , 0 ,()(,),(),(21kaaaW

13、DTTT“零陷”波束形成器)(,),(),()(,),(),()(,),(),()(,21222121211121DNNDDNaaaaaaaaaAwwwW其中： 由于由于A()為滿秩，因此滿足上式的線性無關(guān)的為滿秩，因此滿足上式的線性無關(guān)的加權(quán)矢量加權(quán)矢量w共有共有N-D1個。設(shè)為個。設(shè)為w1，,wN-D+1。“零陷”波束形成器0 , 0 ,0 , 0,0 , 0,)(,),(),()(,),(),()(,),(),(121212221212111121DNDNNDDDNkkkaaaaaaaaaWWW滿足：0)()(,)(),()(,1321111AWaaaAWWWWDTDN定義：“零陷”波束

14、形成器0)(),(),(),(0)()(11212111AWuuuWDvvvVuuuUVUASVDANDDDNT可以推出令：維奇異值對角矩陣為其中：得：進(jìn)行對“零陷”波束形成器)()()()(,)()(,)(),()()(10211111211tSktYKtyaWKKtYtSktSktSktXWtYDNiiTTTTDN進(jìn)行矢量加權(quán)再用對令最后進(jìn)行波形合成：7.6 智能天線對無線網(wǎng)絡(luò)性能智能天線對無線網(wǎng)絡(luò)性能及電磁輻射的改善及電磁輻射的改善w 對無線干擾的控制一直是移動通信運(yùn)營商關(guān)注的問題，良好的干擾控制不僅可以提高通信質(zhì)量，而且可以提升網(wǎng)絡(luò)所能承載的用戶數(shù)。為了有效地控制干擾，移動通信基站從單

15、小區(qū)全向站發(fā)展到了三小區(qū)定向站，CDMA系統(tǒng)甚至使用六小區(qū)定向站。麥得威的GSM智能天線w 麥得威的GSM智能天線系統(tǒng)實(shí)際是一個近似十二小區(qū)的系統(tǒng)，在使用上，廣播信道和公用控制信道使用三小區(qū)系統(tǒng)，而話務(wù)信道使用十二小區(qū)系統(tǒng)。如圖是12小區(qū)的系統(tǒng)相對與全向站，載干比有大約11dB的增益。的增益。 w麥得威的GSM智能天線系統(tǒng)是一個基于三小區(qū)定向站開發(fā)的系統(tǒng)，每個小區(qū)方向由一個寬波束（900或1200）天線和四個窄波束天線構(gòu)成。窄波束天線半功率角為22.50或300，如圖所示: w對一些同頻信道進(jìn)行了干擾強(qiáng)度的比較測試，結(jié)果是這些信道的干擾強(qiáng)度在使用智能天線后，得到了很大程度的控制。從表中可以看出

16、對其他小區(qū)同頻信道的干擾減少了3.56dB。上行、下行信號的誤率也降低，移動臺的發(fā)射功率、場強(qiáng)也降低了。測試次測試次數(shù)數(shù) 測試測試頻點(diǎn)頻點(diǎn) 平均干擾強(qiáng)平均干擾強(qiáng)度（傳統(tǒng)天度（傳統(tǒng)天線線） 平均干擾強(qiáng)平均干擾強(qiáng)度（智能天度（智能天線線） 干擾降干擾降低低 第一次 同頻1 -80.19 dBm -85.70 dBm 5.52 dB 同頻2 -82.27 dBm -87.91 dBm 5.64 dB 第二次 同頻1 -82.91 dBm -89.00 dBm 6.09 dB 同頻2 -84.14 dBm -87.62 dBm 3.48 dB w智能天線不僅能提高通信質(zhì)量。而且能大幅度降低基站和手機(jī)發(fā)

17、射到空間的能量，減少了生活環(huán)境中的電磁污染。7.7 軟件無線電結(jié)構(gòu)的智能天線w 軟件無線電采用開放式結(jié)構(gòu) ,系統(tǒng)可自重構(gòu) ,由于同一系統(tǒng)可集成多種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ,因而可實(shí)現(xiàn)多頻段多模式無線電 ,而且 ,通信領(lǐng)域的最新研究成果可隨時通過軟件的更新注入原有硬件系統(tǒng) ,改善或賦予系統(tǒng)新的功能。其結(jié)構(gòu)如圖所示。為一個采用軟件無線電技術(shù)的智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ,天線接收的信號首先經(jīng)過下變頻器變換成基帶信號 ,經(jīng) A/ D變換后送入智能處理器 ,然后在系統(tǒng)的控制下合成所需的波束 ,再經(jīng) D/ A變換和上變頻變換 ,送入原 CDMA系統(tǒng)進(jìn)行處理。智能天線的“智能化”w 智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益

18、的窄波束指向期望用戶的物理方向 ,事實(shí)上 ,在隨機(jī)多徑信道上 ,移動用戶的物理方向是難以確定的 ,特別是在發(fā)射臺至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時 ,用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化 ,智能天線的“智能化”正體現(xiàn)于此。室內(nèi)智能天線系統(tǒng)w INRFX智能分布天線系統(tǒng)采用基站智能放大器和微蜂窩智能放大設(shè)備，通過軟同軸電纜，將從微蜂窩引入的無線信號均勻分布在建筑物的每個角落，解決建筑物內(nèi)的信號盲區(qū)、弱區(qū)和經(jīng)常掉話的不良通信問題。如圖是一個室內(nèi)智能天線系統(tǒng)示意圖?；局悄芴炀€系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成w 基站智能放大器（BIAM

19、）：接收和分配射頻信號；控制和監(jiān)督MIAM，向MIAM單元供電，提供告警信號和計(jì)算機(jī)通信接口。w 微蜂窩智能放大器（MIAM）：處理器控制；提供線路補(bǔ)償增益；具有人工和自動兩種運(yùn)行模式。w 布線電纜：采用50歐軟同軸電纜。w 天線：采用多種類型天線，如帽狀、板狀、鞭狀天線等。智能天線的典型結(jié)構(gòu)w 一般的智能天線如圖所示。其原理如圖所示。w 外形如圖。w 具體參數(shù)為7.8 智能天線的發(fā)展w目前正處于確立第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時，歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動通信方案中的地位與作用。已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺。7.8.1歐洲歐洲w 歐洲通信委員會(C

20、EC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱之為TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。7.8.2日本日本 w ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后，進(jìn)行快速付氏變換(FFT)處理，形成正交波束后，分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法。天線數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成，整塊電路板大小為23.3cm34.0cm7.8.3 中國及其他中國及其他w A