智能天線技術(shù)1

1、智能天線技術(shù) 目錄 智能天線技術(shù)基本概念 智能天線技術(shù)的基本原理 智能天線的用途 智能無線技術(shù)的分類 智能天線對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能及電磁輻射的改善 TD智能天線的四大趨勢(shì)智能天線技術(shù)基本概念 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。它通過滿足某種準(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。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個(gè)天線均需一個(gè)Rake接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。柵狀拋物面天線八木定向天線基站天線

2、它是為了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的它是由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，它的特點(diǎn)是有很好的方向性基站天線設(shè)置需要重點(diǎn)考慮下傾角、方向角、天線掛高、天線分集距離和隔離距離等參數(shù)。手機(jī)天線車載衛(wèi)星天線它是配合GPS定位儀和RSSI信號(hào)強(qiáng)度分析設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)中變向搜索信號(hào)的功能，內(nèi)置多個(gè)控制電機(jī)。同時(shí)可收看國(guó)內(nèi)外超過300個(gè)頻道，和更多電影電視頻道的電視節(jié)目。我們打電話、發(fā)短信、玩網(wǎng)絡(luò)游戲、轉(zhuǎn)微博都是通過天線模塊實(shí)現(xiàn)的。智能天線技術(shù)的基本原理 智能天線采用空分多址技術(shù)(SCDMA),利用信號(hào)在傳輸方向上的差別,將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來,最大限度地利用有限的信道資源。無

3、線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)組成。智能天線技術(shù)的基本原理 右圖描述了一個(gè)具有智能天線、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框圖。和傳統(tǒng)的沒有智能天線的基站比較, 他在硬件上由一個(gè)天線陣和一組收發(fā)信機(jī)組成了其射頻部分, 而在基帶信號(hào)處理部分的硬件則基本相同。必須說明的是, 這一組收發(fā)信機(jī)將使用同一個(gè)本振源, 以保證此組收發(fā)信機(jī)是相干工作的。智能天線技術(shù)的基本原理 人們?cè)诹?xí)慣上還將智能天線系統(tǒng)分為兩類，開關(guān)波束和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。開關(guān)波束具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，其天線系統(tǒng)可形成多個(gè)固定的波束，在特定的方向上提高靈敏度。它從幾個(gè)預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，

4、檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)越過扇區(qū)時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束。自適應(yīng)天線具有無限數(shù)目的、隨時(shí)間調(diào)整的方向圖，該技術(shù)是目前最先進(jìn)的智能天線方法，它采用多種較新的信號(hào)處理算法，可以有效地跟蹤、鎖定各種類型的信號(hào)，動(dòng)態(tài)抑制其干擾到最小，而所希望的信號(hào)最大。 開關(guān)波束天線接收機(jī)波束切換系統(tǒng)原理圖開關(guān)波束天線方向圖波束形成步驟首先，估計(jì)所有多徑分量的入射角；其次，確定某一方向的信號(hào)為有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，當(dāng)然這需要有用戶識(shí)別信號(hào)；第三，計(jì)算出天線加權(quán)值，形成特定的波束，得到最優(yōu)化的信號(hào)噪聲干擾信號(hào)比。該波束自適應(yīng)波束形成需三個(gè)能夠最大限度地放大有效信號(hào)，同時(shí)以零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，使干擾信號(hào)在理論上被完全地

5、抑制。智能天線的用途 智能天線在移動(dòng)通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統(tǒng)容量以及移動(dòng)臺(tái)的定位?？顾ヂ洳捎弥悄芴炀€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，減少信號(hào)衰落的影響。智能天線還可以用于分集，減少衰落?？垢蓴_高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA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)用實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。增加系統(tǒng)容量為了滿足移動(dòng) 通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位目前蜂窩移動(dòng)通信系

6、統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號(hào)，即對(duì)每個(gè)天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。智能無線技術(shù)的分類 智能天線是一個(gè)天線陣列，它由N個(gè)天線單元組成。每個(gè)天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。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 采用自適應(yīng)算法，其方向圖沒有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)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。另外，由于波束的零點(diǎn)對(duì)頻率和空間位置的變化較為敏感

7、，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時(shí)分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化上。自適應(yīng)天線陣接收機(jī)自適應(yīng)天線陣方向圖自適應(yīng)天線的發(fā)展 自適應(yīng)天線已有30多年，大體上可以分成三個(gè)發(fā)展階段 第二個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)零點(diǎn)控制上。 第三個(gè)10年主要集中在空間譜估計(jì)上，諸如最大似然譜估計(jì)、最大熵譜估計(jì)、特征空間正交譜估計(jì)等等。 第一個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上。自適應(yīng)算法最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則最小二乘(LS)準(zhǔn)則最大信噪比準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)則最優(yōu)準(zhǔn)則自適應(yīng)算法是采用基于梯度的算法，其中最小均方誤差算法（即LMS算法）尤為常用。自適應(yīng)算法可以用

8、硬件(處理電路)或軟件（程序控制）兩種辦法實(shí)現(xiàn)。前者依據(jù)算法的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)電路，后者則將算法的數(shù)學(xué)模型編制成程序并用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。固定形狀方向圖智能天線 固定形狀方向圖智能天線方向圖形狀基本不變。它通過測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號(hào)的DOA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。固定形狀波束智能天線對(duì)處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對(duì)天線單元與信道的要求較高。智能天線對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能及電磁輻射的改善 對(duì)無線干擾的控制一直是移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的

9、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(dòng)通信基站從單小區(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 麥得威的GSM智能天線系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)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(duì)與全向站，載干比有大約11dB B的增益。的增益。 對(duì)一些同頻信道進(jìn)行了干擾強(qiáng)度的比較測(cè)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。從表中可以看出對(duì)其他小區(qū)同頻信道的干擾減少了3.56dB。上行、下行信號(hào)的誤率也降 低

10、，移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率、場(chǎng)強(qiáng)也降低了。測(cè)試次測(cè)試次數(shù)數(shù) 測(cè)試測(cè)試頻點(diǎn)頻點(diǎn) 平均干擾強(qiáng)度平均干擾強(qiáng)度（傳統(tǒng)天線）（傳統(tǒng)天線） 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 TD智能天線的四大趨勢(shì) 趨勢(shì)一：與MIMO技術(shù)相結(jié)合MIMO技術(shù)是4G中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以大大增加無線通信系統(tǒng)的容量，并有效

11、改善無線通信系統(tǒng)的性能，非常適合未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中對(duì)高速率業(yè)務(wù)的要求。智能天線和MIMO都屬于多天線系統(tǒng)中的技術(shù)，兩者既有共性又有顯著區(qū)別：智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號(hào)的處理技術(shù)；而MIMO是在無線鏈路兩端都使用多元天線陣列，將發(fā)送分集和接收分集結(jié)合起來的技術(shù)。智能天線的原理是利用到達(dá)天線陣的信號(hào)之間完全相關(guān)性形成天線方向圖，利用信號(hào)的相位關(guān)系克服多徑干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定向發(fā)送和接收；而在MIMO中天線收發(fā)信號(hào)是全方位的，并且到達(dá)天線陣的信號(hào)必須相互獨(dú)立，用多個(gè)天線接收信號(hào)來克服信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的空間深衰落，增加分集增益。智能天線技術(shù)可以形成能量集中的波束，增強(qiáng)有用信號(hào)并

12、降低干擾，而MIMO技術(shù)可以充分利用多徑信息來提高系統(tǒng)容量。如果將兩者結(jié)合起來，充分利用兩種技術(shù)帶來的增益，將給系統(tǒng)性能和容量帶來極大的提升。因此，充分結(jié)合MIMO技術(shù)和智能天線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步開發(fā)空域資源，使得通信終端能在更高的移動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，則成為智能天線未來發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。TD智能天線的四大趨勢(shì) 趨勢(shì)二：一體化智能天線目前，現(xiàn)網(wǎng)使用的雙極化智能天線都需要通過9條上跳線額外連接RRU設(shè)備，其中8條連接天線射頻通道，1條是智能天線校準(zhǔn)線。這種智能天線和RRU分體通過電纜連接的方式有著一些不可避免的缺點(diǎn)，如：9條上跳線均需要做好接頭防水處理，電大量防水接頭施工給工程帶來極大的不便

13、，使得安裝困難的同時(shí)還降低了設(shè)備的穩(wěn)定性；天線和RRU設(shè)備之間的線纜連接也使得基站室外美觀性大大降低，站點(diǎn)選擇及協(xié)調(diào)困難，周圍居民抵觸情緒較高；分別安裝RRU和天線，耗費(fèi)工時(shí)，安裝復(fù)雜；8個(gè)天線端口需要有很好的幅度和相位一致性，以便在智能天線的方向圖合成中以及校準(zhǔn)中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，9根上跳線的幅相一致性以及長(zhǎng)期戶外應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性都將難以保證等。一體化智能天線是將天線與RRU整合為一體的智能天線，此類天線是在普通雙極化天線的基礎(chǔ)上，外部結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整完成的，在電氣性能，電性能測(cè)試等方面，與普通雙極化天線一致?？紤]到室外F、E頻段的引入，一體化智能天線必將登上TD-SCDMA

14、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的舞臺(tái)，成為智能天線發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。TD智能天線的四大趨勢(shì) 趨勢(shì)三：電調(diào)智能天線目前，現(xiàn)網(wǎng)采用的智能天線均采用預(yù)置下傾和機(jī)械下傾相結(jié)合的方式來調(diào)整天線的下傾角。雖然這種方式也能滿足覆蓋要求，但在工程應(yīng)用中也暴露了一些機(jī)械調(diào)下傾角無法克服的缺點(diǎn)，如：調(diào)整下傾角困難，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工程中，需要耗費(fèi)大量的人力資源，調(diào)節(jié)效率低；由于采用機(jī)械下傾，站點(diǎn)在進(jìn)行隱蔽工程時(shí)，隱蔽外罩需要預(yù)留較大的下傾角調(diào)節(jié)空間，造成隱蔽工程體積龐大；在大角度下傾時(shí)水平面覆蓋產(chǎn)生畸變，且伴隨交叉極化和主極化特性變差、水平面前后比與無下傾時(shí)趨勢(shì)不一致等。正是由于常規(guī)智能天線存在這些不可克服的缺點(diǎn)，電調(diào)智能天線的開發(fā)與應(yīng)

15、用將必然成為未來TD-SCDMA智能天線發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。電調(diào)智能天線有以下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)波束下傾角的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)不需要閉站，可以及時(shí)平衡覆蓋、容量、干擾等多方面的矛盾；在結(jié)構(gòu)上垂直安裝，無需考慮下傾預(yù)留空間，安裝件簡(jiǎn)單可靠，且便于美化；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)保存各站址天線波束的調(diào)整數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，便于結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控分析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋。 趨勢(shì)四：介質(zhì)智能天線對(duì)于基站天線來說，小型化天線有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)：不僅可以降低機(jī)械承載，方便天線的安裝，而且可以節(jié)省寶貴的天面資源，為多系統(tǒng)的天線共站提供了更加便利的條件，此外，也非常有利于天線美化和隱蔽工程。雖然目前的雙極化智能天線尺寸已比最初的智能天線尺寸減少了一半左右，但還不能稱之為小型化天線，小尺寸智能天線的研發(fā)和應(yīng)用仍是智能天線未來的發(fā)展方向之一。由于電磁波在不同的介質(zhì)傳播特性有所不同，介質(zhì)的存在就會(huì)影響電磁波的傳播，利用這個(gè)特性，采用低損耗高頻介質(zhì)作為填充材料，結(jié)合適當(dāng)?shù)奶炀€結(jié)構(gòu)，在選擇適當(dāng)形狀、介電常數(shù)以及饋電方式的情況下，介質(zhì)諧振器可以作為天線來使用。介質(zhì)天線的一大優(yōu)點(diǎn)就是在不改變天線性能的情況下，可以將天線的尺寸大幅度降低。介質(zhì)智能天線就是將介質(zhì)天線和智能天線相結(jié)合而制造出來的幾何尺寸較小的智能天線。TD-SCDMA系統(tǒng)使用的智