智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用概要

1、智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用摘 要：介紹了移動(dòng)通信中關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)，并就它 的結(jié)構(gòu)、算法以及在第三代移動(dòng)通信中的應(yīng)用進(jìn)行了較全面的闡述。關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；智能天線；天線陣列；自適應(yīng)算法Abstract：Smartantennaisoneofthekeytechnologiesof mobilecommunications.Itdescribesthetechnologyandfocusonitsarchiteceture，commua nilcgo atrithm ion.andapplicationto3GmobilKeywords： Mobile communications S

2、mart antenna Array Self-adapting algorithm0前百隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，人們不僅從時(shí)域和頻域的角度來探討提高移動(dòng)通信 系統(tǒng)數(shù)量和質(zhì)量的各種手段，而且進(jìn)一步研究信號(hào)在空域的處理方法。智能天 線技術(shù)就是典型的代表。智能天線技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代的自適應(yīng)天線組合技術(shù)，在當(dāng)時(shí)采用 了鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行天線的跟蹤。1965年,Howells提出了自適應(yīng)陷波的 旁瓣對(duì)消器技術(shù)用于陣列信號(hào)處理，之后，又陸續(xù)出現(xiàn)了等一系列技術(shù)，后 來,Gabriel將自適應(yīng)波束形成技術(shù)上升到“智能陣列”概念。早在 1978年，智能天線就在軍事通信中得到了應(yīng)用，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，才在

3、 民用移動(dòng)通信系統(tǒng)中開始研究應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于以下方面：a）信號(hào)源定位，確定天線陣列到信號(hào)源的方位角；b）信號(hào)源分離，確定各個(gè)信號(hào)源發(fā)射信號(hào)的波形；c）信道估計(jì)，確定信號(hào)源與天線陣列間傳輸信道的參數(shù)。1智能天線的組成智能天線技術(shù)是利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性，達(dá)到抑制干擾，提取信號(hào)的目 的。它主要包括天線陣列部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成網(wǎng)絡(luò)以及自適應(yīng)信號(hào)處 理，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1天線陣列部分天線陣列即在空間分開設(shè)置一系列天線陣元，并將各陣元接收到的信號(hào)作 加權(quán)處理，通過改變陣列的權(quán)值?？墒共ㄊ螤畎l(fā)生改變。天線陣列相當(dāng)于在 空域?qū)臻g信號(hào)做離散采樣，如同時(shí)域中自適應(yīng)濾波器處理方法一樣，也進(jìn)行

4、 諸如濾波、分離及參數(shù)估計(jì)等。通過信號(hào)處理，可使陣列在有效信號(hào)方向上產(chǎn) 生的波束得到加強(qiáng)，而在干擾信號(hào)方向上產(chǎn)生“陷點(diǎn)”(Null )，從而提 高系統(tǒng)容量、降低系統(tǒng)干擾、擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍。圖2給出了示意圖。1. 2波束形成網(wǎng)絡(luò)智能天線所形成的波束可實(shí)現(xiàn)空間濾波的作用，它對(duì)期望信號(hào)方向具有高 增益，而對(duì)不希望的干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)陷波作用。智能天線波束成形的基本方法 是：通過將各天線單元輸出信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，將天線陣列波束指向到一個(gè)方 向，使期望的信號(hào)得到最大的輸出。理想情況下天線單元的加權(quán)值如下：式中：M 與相關(guān)陣最大特征根有關(guān)的比例常數(shù)R 輸入信號(hào)相關(guān)矩陣a(0 ) 方向矢量1. 2自適應(yīng)信號(hào)處理自

5、適應(yīng)信號(hào)處理是智能天線智能體現(xiàn)的一個(gè)重要方面，它以自適應(yīng)算法為 核心，動(dòng)態(tài)地調(diào)整最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。2常用智能算法及其性能比較自適應(yīng)算法是智能天線的核心，目前國(guó)際上已提出許多算法，歸納起來主 要分為盲算法和非盲算法。所謂盲算法是指發(fā)送端不需發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，訓(xùn)練序列等，接收端可自行估 計(jì)發(fā)送信號(hào)，并以此作為參考信號(hào)進(jìn)行接收端的信號(hào)處理。盲算法一般是利用 調(diào)制信號(hào)本身固有的一些特征來進(jìn)行接收處理，這些特征有循環(huán)平穩(wěn)、子空間 法等。非盲算法需要參考信號(hào)，利用這些參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法。如在3G中 就有專門發(fā)送導(dǎo)頻信道的信號(hào)。應(yīng)該說非盲算法相對(duì)盲算法而言誤差較小，收斂速度較快，但它需要額外 的參考信息，而盲算

6、法的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反?，F(xiàn)在又有人提出將非盲算法和盲算 法相結(jié)合的半盲算法，即先利用非盲算法確定初始值，再利用盲算法進(jìn)行跟蹤 與調(diào)整，這樣就可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)更好地進(jìn)行信號(hào)處理。3智能天線在3G中的應(yīng)用智能天線技術(shù)在3G中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面，即基站的收和發(fā)，具 體而言就是上行收與下行發(fā)。智能天線的上行收技術(shù)研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自 適應(yīng)方式和基于預(yù)波束的波束切換方式。在自適應(yīng)方式中，可根據(jù)一定的自適 應(yīng)算法，對(duì)空、時(shí)域處理的各組權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行最 大限度的匹配，從而實(shí)現(xiàn)任意指向波束的自適應(yīng)接收。全自適應(yīng)方式在理論研 究中具有很大的實(shí)用價(jià)值。但在實(shí)際工

7、程中，由于全自適應(yīng)算法的計(jì)算量大等 因素而很不實(shí)用。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，更感興趣的是基于預(yù)波束的波束切換方式。 因?yàn)椴ㄊ袚Q中的各權(quán)值系數(shù)只能從預(yù)先計(jì)算好的幾組中挑選，因此計(jì)算量、 收斂速度等方面較全自適應(yīng)方式有優(yōu)勢(shì)。然而在這種方式下由于智能天線的工 作模式只能從預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾個(gè)波束中選擇，因而它不能完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性的 任意指向，在理論上只是準(zhǔn)最優(yōu)的。實(shí)現(xiàn)基站智能天線下行發(fā)難度相對(duì)較大，這主要因?yàn)橹悄芴炀€在設(shè)計(jì)波束 時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息。目前在這方面主要有下述兩種方案：a）利用類似第二代移動(dòng)通信的IS-95中的上行功率控制技術(shù)，形成 閉環(huán)反饋測(cè)試結(jié)構(gòu)形式，也就是說基站通過正向鏈路周期性地向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射訓(xùn) 練序列，而移動(dòng)臺(tái)通過反向鏈路反饋信號(hào)，從而估計(jì)最佳正向鏈路加權(quán)系數(shù)；b）利用上行信道信息估計(jì)下行信道。對(duì)于FDD方式，由于上下行頻率間隔相差90 MHz，衰落特性完全獨(dú) 立因而不能使用。但對(duì)TDD方式，只要上下行的幀長(zhǎng)較短完全可以實(shí)現(xiàn)。4智能天線的優(yōu)點(diǎn)a）動(dòng)態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的波束跟蹤高速率用戶，能起到空間隔 離、消除干擾的作用，動(dòng)態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的性能優(yōu)于固定的多波束天 線；b）增加系統(tǒng)容量;C)增加覆蓋范圍，改善建筑物中的和高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)接收質(zhì)量;提高信號(hào)接收質(zhì)量，降低掉話率，提高語音質(zhì)量；減少發(fā)射功率，延長(zhǎng)移