智能天線3教材

智能天線技術(shù)——小組成員：章偉張蕾沈博文胡呂亮楊婷婷段寶平目錄一、智能天線概述二、智能天線的基本原理三、智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用四、智能天線在移動(dòng)通信中的優(yōu)點(diǎn)一、智能天線的概述定義：智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線,它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受，智能天線技術(shù)因此開始在移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際生活中的智能天線智能天線技術(shù)通過滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，以達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)的目的。不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分。天線陣：

是一列取向相同、同極化、低增益的天線按照一定的方式排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的方向圖天線陣的排列：

一般等距，主要有等距直線排列、等距圓周排列、等距平面排列智能天線的分類： 線陣、圓陣；全向陣、定向陣天線陣的介紹如圖表示方框圖中可以看出，有n個(gè)天線單元，每個(gè)天線單元有對(duì)應(yīng)加權(quán)器，共有M組加權(quán)器，可以形成M個(gè)方向的波束，M表示用戶數(shù)，其可以大于天線單元數(shù)，天線陣的尺寸和天線元的數(shù)目決定最大增益和最小波束寬度，意味在天線陣的尺寸和天線增益，及天線側(cè)瓣性能兩者之間要取得平衡。智能天線通過調(diào)節(jié)從每一個(gè)天線收到的信號(hào)的相位與幅度，結(jié)合使得形成所需要的波束，此過程稱為波束形成。波束形成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)算法

智能天線系統(tǒng)的核心是智能算法，智能算法決定瞬時(shí)響應(yīng)速率和電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，因此重要的是選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。通過算法自動(dòng)調(diào)整加權(quán)值得到所需空間和頻率濾波器的作用。已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)，接收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則（比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則zeroforcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有SE（最小均方誤差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋算法（DecisionFeedback）是一種較特殊的算法，接收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。智能天線的工作過程二、智能天線的基本原理智能天線采用空分復(fù)用（SDMA）方式，利用信號(hào)在傳播路徑方向上的差別，將時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、信道干擾的影響降低，將同頻率、同時(shí)隙信號(hào)區(qū)別開來，和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地有效利用頻譜資源。基站智能天線是一種有多個(gè)天線單元組成的陣列天線，通過調(diào)節(jié)各單元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，改變陣列的方向圖，從而抑制干擾，提高信噪比，它可以自動(dòng)測出用戶方向，將波束指向用戶，實(shí)現(xiàn)波束跟用戶走。

智能天線技術(shù)分類

自適應(yīng)方向圖智能天線采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡單，可以得到最大的信號(hào)干擾比,但是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢。相反固定形狀方向圖智能天線的天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向，然后根據(jù)信號(hào)的到達(dá)方向選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。

根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：

自適應(yīng)方向圖智能天線和固定形狀方向圖智能天線三、智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用由于移動(dòng)通信的高度靈活性和方便性，使其發(fā)展非常迅速，目前擴(kuò)大系統(tǒng)容量已成為移動(dòng)通信發(fā)展中的一個(gè)瓶頸，由于移動(dòng)通信可使用的頻率資源有限，因此開發(fā)和擴(kuò)大空間資源與頻率資源的組合以滿足日益增長的用戶需求已成為目前與今后的一個(gè)主要發(fā)展方向。智能天線在第三代和未來的移動(dòng)通信中將主要用于基站，亦即基站的上行接收與下行發(fā)射中。智能天線的上行接收技術(shù)智能天線的上行接收目前主要有兩類主要方式：基于預(yù)波束的波束切換方式，基于全自適應(yīng)的窄波束跟蹤用戶方式。由于在移動(dòng)通信中用戶的隨機(jī)移動(dòng)性和傳播信道的快速時(shí)變性，使得目前提出的一系列算法的收斂速度很難跟上快速運(yùn)動(dòng)的用戶速度和快速的時(shí)變信道速度。因此從工程實(shí)現(xiàn)上看準(zhǔn)最優(yōu)的預(yù)多波束的波束切換方式更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了更有效地對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展、進(jìn)行多徑合并和濾除干擾，有必要進(jìn)行空時(shí)聯(lián)合處理。在DS-CDMA系統(tǒng)中，常見的空時(shí)處理結(jié)構(gòu)包括空時(shí)二維RAKE接收機(jī)，簡稱2DRAKE接收機(jī)?；谲浖o線電CDMA基站上行智能天線接收原理智能天線的下行發(fā)射技術(shù)在下行的實(shí)現(xiàn)方案中，一種可行的方式是利用反饋回路構(gòu)成閉合環(huán)路，即移動(dòng)臺(tái)利用反饋回路將下行信道狀態(tài)信息不斷反饋給基站，以提供下行信道狀態(tài)，這一方案可行但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，增大系統(tǒng)開銷。實(shí)現(xiàn)下行發(fā)送的另一種方案是直接利用上行信道信息估計(jì)下行信道狀態(tài)，這一方案僅適合于時(shí)間雙向、雙工的TDD方式，因?yàn)閷?duì)于TDD方式而言其上/下行占用同一頻段，不同的僅是時(shí)隙不一樣，只要上/下行時(shí)隙幀的長度較短(一般小于10ms)，這樣方案顯然是可行的。四、智能天線在移動(dòng)通信中的優(yōu)點(diǎn)(1)抗衰落(2)抗干擾(3)增加系統(tǒng)容量(4)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位抗衰落在陸地移動(dòng)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(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?？垢蓴_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(gè)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(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾，改善系統(tǒng)性能。抗干擾應(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。增加系統(tǒng)容量采用智能天線技術(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，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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。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