智能天線-綜述PPt

1、 智能天線智能天線一、一、基本概念基本概念 在移動通信環(huán)境條件下，復(fù)雜的地形、建筑物的結(jié)構(gòu)都會對電波的傳播產(chǎn)生影響，大量用戶間的相互作用也會產(chǎn)生時延擴散、瑞利衰落、多徑、信道干擾等，從而會使通信質(zhì)量受到影響。采用智能天線可以有效地解決這些問題。智能天線采用空分多址技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。圖1 智能天線實驗平臺圖2 智能天線二、二、工作原理工作原理 智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制

2、干擾信號的目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。 智能天線的陣元排列方式有直線型、圓環(huán)型、平面型等幾種類型，其中等間距線天線陣最為常見，下面基于等間距天線陣建立智能天線的信號模型，如圖3所示。圖 3 等距天線陣L為等間距線天線陣的陣元個數(shù)；d為陣元間距；為信號s(t)的入射方向與天線陣法線方向的夾角第一個陣元為參考陣元)sin(1)(icdi）（ 1s(t)到達第i個陣元與到達參考陣元的時間差為：其中c為光速信號s(t)在參考陣元上的感應(yīng)信號可以用復(fù)數(shù)形式表示

3、為： tfjtutx102exp 2信號s(t)在第i個陣元上的感應(yīng)信號可表示為： sin) 1(2exp2exp101dijtxfjtxtxii 3為載波波長，把信號s(t)在天線陣上感應(yīng)的信號用向量表示為：)()()(),(),()(1L21txtxtxtxtxT， 4其中 sin) 1(2expsin2exp1Ldjdj 5稱為引導(dǎo)向量?？紤]噪聲，x(t)可表示為： tntxtx1其中Ttntntntn)(),(),()(L21， 6 7TL,21窄帶傳輸條件下采用窄帶波束形成器，記為加權(quán)向量即：陣列輸出信號y(t)可表示為： txtyT 8 9 根據(jù)不同的準則選取加權(quán)向量，可使某個方向

4、上的信號得到最佳合并，而其他方向上的干擾和信號則被抑制。 窄帶傳輸條件下采用窄帶波束形成器，如圖4：圖4 窄帶波束形成器結(jié)構(gòu)圖 當不滿足窄帶傳輸條件時，信號帶寬比較大，信號通過天線陣時，不僅存在著相位差，振幅也發(fā)生變化。對這樣的寬帶信號，應(yīng)該選擇寬帶信號處理方案，寬帶波束形成器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。 和窄帶波束形成器不同，寬帶波束形成器中每個陣元接收到的信號都要用一個FIR濾波器進行處理，由于信號中不同的頻率分量通過天線陣產(chǎn)生的相移不同，采用這樣的結(jié)構(gòu)能對相移差進行補償，因而這種處理器具有頻率選擇性。寬帶波束形成器同時在空域和時域?qū)邮盏降男盘栠M行處理，這種處理方式稱為空時陣列處理。圖5 寬帶波

5、束形成器結(jié)構(gòu)n自適應(yīng)天線陣列 自適應(yīng)天線是一種控制反饋系統(tǒng)，它根據(jù)一定的準則，采用數(shù)字信號處理技術(shù)形成天線陣列的加權(quán)向量，通過對接收到的信號進行加權(quán)合并，在有用信號方向上形成主波束，而在干擾方向上形成零陷，從而提高信號的輸出信干噪比。三、工作方式結(jié)構(gòu)n天線陣列 n下變頻器n模數(shù)轉(zhuǎn)換 n自適應(yīng)處理器 n波束成型網(wǎng)絡(luò) 圖6 自適應(yīng)天線工作原理n波束切換智能天線 利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的波束寬度也隨陣元數(shù)目而確定。隨著用戶在小區(qū)中移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強。用戶信號并不總在固定波束中心，當用戶出于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，不能實現(xiàn)

6、最佳接收。圖7 多波束的形成原理圖 一組特定的權(quán)向量w可以形成特定的波束。若要形成多個不同指向的波束，則可以采用多個不同權(quán)向量的波束形成器。圖8 利用多波束形成網(wǎng)絡(luò)的切換波束系統(tǒng)在120扇區(qū)內(nèi)，波束形成網(wǎng)絡(luò)預(yù)先形成了等間距的4個固定波束照射整個扇區(qū)，系統(tǒng)掃描每個波束，檢測輸出信號強度，當某個期望用戶處于如圖9中的位置時，波束2輸出功率將最大，因此系統(tǒng)選擇波束2對準期望用戶。當用戶移動到其它位置時，系統(tǒng)將切換到相應(yīng)波束上。圖9 波束切換示意圖 多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)雜度較低、運算量小、易于實現(xiàn)、無須判定用戶信號到達方向(DOA)的優(yōu)點。 但不能實現(xiàn)自適應(yīng)干擾置零，干擾抑制差。 自適應(yīng)天線陣列

7、在載干比和系統(tǒng)容量的改善方面都比多波束天線強。但算法一般較復(fù)雜，運算量，存儲量一般較大，為了滿足實時處理的要求，對硬件的處理速度和存儲單元要求較高。四、智能天線算法 智能天線算法決定著暫態(tài)響應(yīng)的速率和實現(xiàn)電路的復(fù)雜度，選擇什么樣的算法進行波束智能控制是非常重要的。智能天線需要解決的兩個關(guān)鍵問題是辨識信號的方向和自適應(yīng)賦形的實現(xiàn)。根據(jù)這兩個方向分類，有以下算法。 辨識信號到達方向，代表的算法有：n MUSIC（Multiple Signal Classification、多信號分類）算法n ESPRIT（Estimation of Signal Parameters Via Rotational

8、 Invariance Techniques、旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號參數(shù)估計）算法n 最大似然法。 自適應(yīng)波束賦形的目的是通過自適應(yīng)算法得到最佳加權(quán)系數(shù)。采用何種算法首先需要考慮自適應(yīng)準則，主要有最大信噪比（SNR）、最小均方誤差（MMSE）、最小方差、最大似然等 nDMI（Direct Matrix Inverse、直接抽樣協(xié)方差矩陣求逆）算法 nLMS（Least Mean Square、最小均方）算法 nRLS（Recursive Least Squares、遞歸最小二乘）算法 nCMA（Constant Modulus Algorithm、恒模）算法五、智能天線系統(tǒng)特點n智能天線可以增加小區(qū)

9、覆蓋距離。n智能天線可以保證小區(qū)內(nèi)的有效覆蓋。n智能天線可以利用多徑固有的分集效應(yīng)改善鏈路質(zhì)量，減小信號的延遲擴展，進而提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。n智能天線利用空分多址可以提高頻譜利用效率，提高系統(tǒng)的容量。n增加了每個小區(qū)能同時容納的用戶數(shù)，延長移動臺電池壽命n智能天線利用空分多址可以提高頻譜利用效率，提高系統(tǒng)的容量。n智能天線可以實現(xiàn)手機定位。六、智能天線的應(yīng)用 最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達、聲吶、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，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，利用數(shù)字技術(shù)在

10、基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。智能天線技術(shù)因此用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動通信。 在移動通信技術(shù)的發(fā)展中，以自適應(yīng)陣列天線為代表的智能天線已成為一個最活躍的領(lǐng)域。 第三代移動通信中，中國TD-SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)典型的范例，它采用TDD方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時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，可實現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費等優(yōu)點。七、研究簡史 早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域，尤其是雷達領(lǐng)域，目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識別和跟蹤目標。隨后，智能天線在信道擴容和提高通信質(zhì)量等方面具備

11、的獨特優(yōu)勢吸引了眾多的專家學(xué)者，日本、歐洲和美國的許多研究機構(gòu)都相繼開展了針對智能天線的眾多研究計劃，這也為智能天線的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 日本最早開始智能天線的研究是在20世紀70年代。到1987年，研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差（MMSE）準則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落，因而可以用于高速移動通信應(yīng)用中。 此外，日本ATR光電通信研究所也研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。隨后，ATR研究所又針對移動通信中移動終端上適用的智能天線形式進行了大量探討，最終提出了單端口電激勵的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合，在天線處實現(xiàn)了空間濾波。日本歐洲 歐洲通信委員會（CEC）在RACE計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱TSUNAMI。 此后，歐洲通信委員會（CEC）又在ACTS計劃中繼續(xù)進行了第二階段智能天線技術(shù)研究，即TSUNAMI，旨在考察第三代移動通信中采用智能天線系統(tǒng)的可行性和具體優(yōu)勢。 其他國家 美國和中國也研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路（WLL）的智能天線系統(tǒng)。該產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用，在日本進行的現(xiàn)場實驗表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高4倍。此外，ArrayComm還研制出用于GSM、PHS和無線本地環(huán)路的IntelliCell天線，該天線已經(jīng)在全球多個國家投入實用。除Ar