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1第五章自適應(yīng)天線的應(yīng)用
5.1
無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線
5.2智能天線(SmartAntenna)
5.3
MIMO天線技術(shù)
5.4
自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用2[1]龔耀寰,《自適應(yīng)濾波》第11、12、13章,電子工業(yè)出版社,2003.
[2]
J.C.Liberti,T.S.Rappaport,《SmartAntennasforWirelessCommunications
》,PearsonEducation,2002。(中譯本:無(wú)線通信中的智能天線,機(jī)械工業(yè)出版社)[3]劉鳴,袁超偉等《智能天線技術(shù)與應(yīng)用》,機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[4]IEEE上相關(guān)文獻(xiàn)資料。
References35.1.1概述5.1
無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線無(wú)線移動(dòng)通信的發(fā)展進(jìn)程:TD-SCDMA452G系統(tǒng)主要性能:6不同代的主要功能:789
雙工方式
多址方式10
多徑、多址信道;存在著信號(hào)衰落,時(shí)延擴(kuò)展,多普勒頻率擴(kuò)展,共道干擾,多址干擾等問(wèn)題;已采用的辦法:調(diào)制解調(diào),信道編碼,均衡,普通分集聯(lián)合等技術(shù);日益成熟;但進(jìn)一步解決上述問(wèn)題的能力有限;自適應(yīng)天線技術(shù)-智能天線:TheLastFrontier。
由于在無(wú)線移動(dòng)通信頻段內(nèi)的頻譜資源非常有限,如何在有限的可用頻譜范圍盡可能提高頻譜利用率(每Hz帶寬可能傳輸?shù)谋忍芈剩琤ps/Hz)就成為目前無(wú)線移動(dòng)通信的基本任務(wù)。無(wú)線移動(dòng)通信信道的特點(diǎn):1112
智能天線采用指向期望用戶的定向波束,增加了有用信號(hào)功率;窄定向波束降低了主波束外的干擾;自適應(yīng)波束零點(diǎn)指向強(qiáng)干擾用戶;上述措施均使SINR增加,從而擴(kuò)展了系統(tǒng)容量,提高了頻譜利用率。5.1.2采用智能天線后無(wú)線通信系統(tǒng)的性能改善
增加信號(hào)對(duì)干擾噪音比(SINR)1.提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量,降低誤碼率及出界概率13
減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落
能實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA)
傳統(tǒng)多址技術(shù):FDMA、TDMA、CDMA;智能天線采用多個(gè)固定波束或自適應(yīng)波束對(duì)服務(wù)空間進(jìn)行劃分---空分多址(SDMA);
SDMA能夠在不增加所用頻帶的條件下用多波束創(chuàng)造更多信道,從而大大提高頻率利用率和系統(tǒng)容量。
多徑效應(yīng)是形成時(shí)延擴(kuò)展及衰落的原因,也是造成碼間干擾(ISI)的主要原因;采用智能天線可以大大減輕時(shí)延擴(kuò)展及多徑衰落對(duì)接收信號(hào)的影響;智能天線也提供了除空間分集、極化分集之外的另一種分集---角度分集。14
減少發(fā)射功率和空間電磁干擾;增加發(fā)射效率;在同樣的最大發(fā)射功率情況下,可以擴(kuò)大了基站小區(qū)的覆蓋范圍,從而減少基站數(shù)目;減少切換率;大大降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求。2.改善蜂窩通信系統(tǒng)功能
多發(fā)多收天線(MTMRA),也稱作多入多出(MIMO)技術(shù);將信道編碼、調(diào)制與智能天線相結(jié)合,能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的分集處理;系統(tǒng)容量與收發(fā)最小天線數(shù)成線性關(guān)系,極大地提高頻譜利用率。3.實(shí)現(xiàn)更完善的空間分集和MIMO15
將空間分成扇區(qū)已在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中應(yīng)用。原理:將空間分成扇區(qū),通常采用120度扇區(qū),在蜂窩系統(tǒng)中用3個(gè)扇區(qū)覆蓋360度。5.2
智能天線切換波束方式(SwitchedBeam)
智能天線切換波束采用更窄波束,進(jìn)一步將宏扇區(qū)分成幾個(gè)微扇區(qū)。當(dāng)用戶進(jìn)入某個(gè)扇區(qū)時(shí),切換波束系統(tǒng)選擇一個(gè)最強(qiáng)波束對(duì)準(zhǔn)該用戶。5.21
智能天線的工作方式16相對(duì)于全向或120度扇區(qū)波束系統(tǒng),能提供更大的SINR,更大的覆蓋范圍或更小的發(fā)射功率;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工程造價(jià)低;易于與現(xiàn)有基站系統(tǒng)連接;只需檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度以確定所用波束,無(wú)需進(jìn)行DOA(DirectionofArrival)估計(jì)。實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。
當(dāng)用戶信號(hào)在波束邊緣,干擾信號(hào)在波束中央時(shí)接收效果差;不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾置零,干擾抑制差;不能對(duì)多徑分量進(jìn)行相干分集聯(lián)合;扇貝現(xiàn)象(Scalloping)。
切換波束方式的優(yōu)點(diǎn)
切換波束方式的缺點(diǎn)17自適應(yīng)陣的工作方式見(jiàn)右圖。自適應(yīng)陣方式
通過(guò)指向波束提高期望用戶的增益,降低噪聲與干擾的影響,SINR的改善優(yōu)于切換波束,從而大大增加了信道容量和頻譜利用率;可在更復(fù)雜的干擾環(huán)境下工作;
自適應(yīng)陣列方式的優(yōu)點(diǎn)
能對(duì)期望用戶的多徑信號(hào)進(jìn)行合成,利用路徑分集;能夠根據(jù)用戶到來(lái)角度的變化不斷改變波束形狀,使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶,零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾用戶;能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)小區(qū),減少切換率。18
實(shí)現(xiàn)難度及系統(tǒng)造價(jià)較切換波束系統(tǒng)大;與現(xiàn)有基站結(jié)合比切換波束系統(tǒng)困難。
自適應(yīng)陣列方式的缺點(diǎn)M.Chryssomallis,“Smartantennas,”IEEEAntennasPropagat.Mag.,vol.42,no.3pp.129-136,June2000.
195.2.2算法分類
根據(jù)智能天線的工作方式,可分為多波束形成算法和自適應(yīng)波束形成算法;根據(jù)是否利用陣列輸入數(shù)據(jù),分為數(shù)據(jù)獨(dú)立波束形成算法,最佳波束形成或自適應(yīng)波束形成算法;根據(jù)參考信號(hào)形式可分為:空間參考方式:最佳加權(quán)矢量取決于需要信號(hào)及干擾信號(hào)的到來(lái)方向(DOA);
主要優(yōu)點(diǎn):特別適用于頻分雙工(FDD)系統(tǒng);缺點(diǎn):取決于擴(kuò)散角(擴(kuò)散角很大或存在相關(guān)多徑時(shí),性能會(huì)顯著下降);對(duì)通道失配誤差很敏感;高分辨DOA算法一般收斂性能不好或需時(shí)較長(zhǎng)。20時(shí)間參考方式:參考信號(hào)由訓(xùn)練信號(hào)或?qū)ьl信號(hào)產(chǎn)生。如2G-GSM可用專用碼訓(xùn)練序列,3G-UMTS可用用戶專用導(dǎo)頻。(LMS,RLS,SMI,…)優(yōu)點(diǎn):不需DOA;有較強(qiáng)魯棒性(Robust);可結(jié)合最佳多徑從而降低衰落影響;缺點(diǎn):要求精確同步,對(duì)于FDD體制不能從上行接受信息確定下行波束加權(quán);盲處理方式:不需DOA或訓(xùn)練信號(hào),但存在收斂和捕捉問(wèn)題。(CMA,LS-CMA,…)
根據(jù)應(yīng)用功能可分為:高靈敏度接收方式;干擾抑制方式;SDMA方式。215.2.3智能天線各種方式的應(yīng)用
密集建筑、大量移動(dòng)物體(大擴(kuò)散角)、高業(yè)務(wù)流量、移動(dòng)用戶機(jī)動(dòng)性小;密集多徑環(huán)境;微小區(qū);
TDMA:時(shí)間參考波束形成方式;TDD、FDD;
CDMA:基于訓(xùn)練信號(hào)的時(shí)間參考自適應(yīng)波束形成方式;盲處理。
擴(kuò)散角小、業(yè)務(wù)流量小、移動(dòng)用戶機(jī)動(dòng)性大;宏小區(qū);空間參考波束形成方式較為合適;切換波束方式。
市區(qū)
鄉(xiāng)村225.24
智能天線的實(shí)驗(yàn)研究與發(fā)展?fàn)顩r
歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE計(jì)劃中的TSUNAMI智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作頻率:1.8G~1.9GHz;載波數(shù):10;載波間隔:1.728MHz;峰值發(fā)射功率:250Mw;天線:8陣元貼片天線陣;多址方式:TDMA,SDMA;雙工方式:TDD;實(shí)驗(yàn)結(jié)果:兩用戶四信道下,BER<1.0E-3;
當(dāng)BER=1.0E-3時(shí),相對(duì)于單天線的功率改善>10dB。23L波段,f=1.542GHz;4×4陣元組成;采用自適應(yīng)恒模算法(CMA);實(shí)驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)需要信號(hào)由0,3入射,干擾信號(hào)由4,20
入射時(shí),自適應(yīng)干擾置零使SINR改善9.6dB;當(dāng)需要信號(hào)由4,25
入射,干擾信號(hào)由8,60
入射時(shí),SINR改善18.5dB。
日本移動(dòng)通信DBF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
其他實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品
美國(guó)AT&T的智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái);美國(guó)ArrayComm公司的用于GSM、PHS的Intellicell;
Metaware公司的用于TDMA和CDMA的Smartcell;瑞典Ericsson的用于GSM的RBS2206;國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)、公司(TD-SCDMA);
…245.3
MIMO天線技術(shù)ReferencesD.Gesbert,M.Shafi,etal,“Fromtheorytopractice:anoverviewofMIMOspace-timecodedwirelesssystems,”IEEEJ.SelectedAreasinCommun.,2003,21(3):281-302.A.Hottinen,O.Tirkkonen,andR.Wichman,Multi-antennatransceivertechniquesfor3Gandbeyond,JohnWiley,2003.黃韜,袁超偉等,《MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用》,機(jī)械工業(yè)出版社,2007。李忻,<新一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的MIMO信道建模與多天線設(shè)計(jì)研究>,電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2005。伍裕江,<MIMO無(wú)線通信中的終端多天線>,電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2007。255.3.1MIMO概念
無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破,又稱為多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)。特點(diǎn):能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。
起源于20世紀(jì)70年代;
1995年,BellLab.的E.Teladar給出MIMO的高斯信道容量;
1996年,BellLab.的G.J.Foschini給出一種MIMO算法--D-BLAST算法;
1998年,V.Tarokh討論了用于MIMO的空時(shí)碼;
1998年,P.W.Wolniansky等采用V-BLAST算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20bps/Hz以上的頻譜利用率。
發(fā)展歷史26
普通的多天線技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)分集以對(duì)抗衰落,不同天線發(fā)射載有同樣信息的信號(hào)。例如1個(gè)發(fā)射天線,M個(gè)接收天線,則發(fā)射信號(hào)通過(guò)M個(gè)通道到達(dá)接收機(jī),最大分集增益為M;多徑衰落被視作有害因素,發(fā)射或接收分集目的在于對(duì)抗多徑衰落。
基本原理
而在MIMO技術(shù)中,多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。若發(fā)射、接收天線間的通道衰落是獨(dú)立的,則MIMO系統(tǒng)可創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道,通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息,以提高數(shù)據(jù)率。27
信道容量:SISO(單入單出):傳統(tǒng)無(wú)線通信,信道容量為:其中C為香農(nóng)(Shannon)容量;ρ為接收天線的SNR;h為規(guī)一化信道復(fù)增益。MIMO系統(tǒng)原理框圖:28
信道容量(續(xù)):MISO(多入單出):在發(fā)端采用N×1的SmartAntenna,信道容量為:SIMO(單入多出):在收端采用N×1的SmartAntenna,信道容量為:MIMO(多入多出):信道容量為:當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí),因此C
隨天線數(shù)目線性增長(zhǎng)。N為發(fā)射天線數(shù)目,M為接受天線數(shù)目,H為M×N的通道矩陣。295.3.2MIMO在3G和后3G無(wú)線系統(tǒng)中的應(yīng)用
空時(shí)網(wǎng)格碼;空時(shí)分組碼;
BellLab.的BLASTMIMO算法。
編碼30
SpaceDiversityAntenna[1]
Y.Ebine,andY.Yamada,“AVehicular-MountedVerticalSpaceDiversityAntennaforaLandMobileRadio,”,IEEETrans.VehicularTech.,May1991,40(2):420-425.MIMO天線31[2]
F.DemmerleandW.Wiesbeck,Abiconicalmultibeamantennaforspace-divisionmultipleaccess,IEEETrans.AntennasandPropagation,June1998,46(6):782-787.UsedforAnglediversity(patterndiversity)toseparatesignalsfromdifferentDOA.
AngleDiversityAntenna32C.Waldschmidt,andW.Wiesbeck,“CompactWide-BandMultimodeAntennasforMIMOandDiversity,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.52,no.8,pp.1963-1969,Aug.2004.
PolarizationDiversityAntenna33MIMOPlatforminUESTC硬件實(shí)現(xiàn)部分軟件實(shí)現(xiàn)部分信源比特流數(shù)據(jù)獲取QPSK星座映射空時(shí)編碼組幀處理同步頭、信道估計(jì)序列等脈沖成型中頻載波調(diào)制數(shù)字頻率合成上變頻及射頻接口TransmitterSystem34軟件實(shí)現(xiàn)部分硬件實(shí)現(xiàn)部分射頻接口及下變頻中頻正交解調(diào)幅相誤差校正基帶過(guò)采樣本振基帶頻差預(yù)補(bǔ)償匹配濾波符號(hào)同步及幀同步啟動(dòng)幀檢測(cè)數(shù)據(jù)幀分離信道參數(shù)估計(jì)空時(shí)解碼QPSK逆映射比特流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信宿ReceiverSystem353122136
天線問(wèn)題:
天線數(shù)目(M,N)以及陣元間距為關(guān)鍵參數(shù),當(dāng)陣元間距增大時(shí),相關(guān)性下降,信道容量增大(BER下降),但天線陣尺寸增大;接收復(fù)雜度:額外RF,硬件,軟件,及其復(fù)雜的接收分離算法;系統(tǒng)集成;
MIMO信道模擬。
尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題375.3.3MIMO研究近況MIMO系統(tǒng)理論及性能研究,目前有較多文獻(xiàn)。
MIMO實(shí)驗(yàn)研究:BellLab.的BLAST系統(tǒng):f0=1.9GHz,
N=8,M=12,在室內(nèi)達(dá)到25.9bps/Hz的頻譜效率。
/project/blast/BYU(BrighamYoungUniv):MIMO實(shí)驗(yàn)平臺(tái),大量信道測(cè)試;/~jensen/歐盟ISTMETRA等項(xiàng)目:/metra/國(guó)內(nèi):電子科技大學(xué),東南大學(xué),北郵,清華等高校;中興、華為等也積極進(jìn)行MIMO研究與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并提出了多種編碼算法與信道模型,研制出多種MIMO天線;中國(guó)科技部于2001年啟動(dòng)了未來(lái)通用無(wú)線通信技術(shù)研究規(guī)劃FuTURE(FutureTechnologiesforUniversalRadioEnvironment).38
DBF的工作過(guò)程及其特點(diǎn)5.5
自適應(yīng)天線在雷達(dá)中的應(yīng)用5.5.1自適應(yīng)數(shù)字波束形成(DBF)特點(diǎn):自適應(yīng)天線+數(shù)字信號(hào)處理設(shè)有一平面波 從p方向入射到間距為d的直線陣上,各單元接受的窄帶模擬信號(hào)為:原理框圖見(jiàn)下頁(yè)。39模擬信號(hào)在接收機(jī)模塊中被放大,再由下變頻變換到基帶,然后利用正交相位檢波(I,Q),由(I,Q)通道分別輸出復(fù)視頻信號(hào)的實(shí)部和虛部:在A/D變換器中,在tn時(shí)刻抽樣,數(shù)字化,得到數(shù)字接受信號(hào):在數(shù)字波束形成器中乘以自適應(yīng)的復(fù)加權(quán)Wn40得到的輸出相加得到天線的響應(yīng)為:優(yōu)點(diǎn):改善自適應(yīng)的方向圖調(diào)零;能產(chǎn)生密集多波束;方便于陣列單元方向圖的校準(zhǔn);可獲得超分辨率;靈活的雷達(dá)功率和時(shí)間管理;適合于多站點(diǎn)工作。41
DBF的實(shí)現(xiàn)方案接收模塊示意圖:采用高數(shù)據(jù)率的A/D變換器(100M~200M)數(shù)字波束形成器是DBF雷達(dá)進(jìn)行工作的心臟,主要完成兩大功能:產(chǎn)生多波束和完成自適應(yīng)處理。使得干擾信號(hào)最小,而對(duì)所需目標(biāo)信號(hào)的天線響應(yīng)最大。波束控制器的功能:確定最佳加權(quán)向量。42
DBF系統(tǒng)1980年,德國(guó)ELRA相控陣?yán)走_(dá),采用數(shù)字
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