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(dòng)通信環(huán)境條件下，復(fù)雜的地形、建筑物的結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)電波的傳播產(chǎn)生影響，大量用戶間的相互作用也會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、信道干擾等，從而會(huì)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(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。圖1 智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制

2、干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)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(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號(hào)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(hào)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(gè)數(shù)；d為陣元間距；為信號(hào)s(t)的入射方向與天線陣法線方向的夾角第一個(gè)陣元為參考陣元)sin(1)(icdi）（ 1s(t)到達(dá)第i個(gè)陣元與到達(dá)參考陣元的時(shí)間差為：其中c為光速信號(hào)s(t)在參考陣元上的感應(yīng)信號(hào)可以用復(fù)數(shù)形式表示

3、為： tfjtutx102exp 2信號(hào)s(t)在第i個(gè)陣元上的感應(yīng)信號(hào)可表示為： sin) 1(2exp2exp101dijtxfjtxtxii 3為載波波長，把信號(hào)s(t)在天線陣上感應(yīng)的信號(hào)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(hào)y(t)可表示為： txtyT 8 9 根據(jù)不同的準(zhǔn)則選取加權(quán)向量，可使某個(gè)方向

4、上的信號(hào)得到最佳合并，而其他方向上的干擾和信號(hào)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(dāng)不滿足窄帶傳輸條件時(shí)，信號(hào)帶寬比較大，信號(hào)通過天線陣時(shí)，不僅存在著相位差，振幅也發(fā)生變化。對(duì)這樣的寬帶信號(hào)，應(yīng)該選擇寬帶信號(hào)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(gè)陣元接收到的信號(hào)都要用一個(gè)FIR濾波器進(jìn)行處理，由于信號(hào)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(duì)相移差進(jìn)行補(bǔ)償，因而這種處理器具有頻率選擇性。寬帶波束形成器同時(shí)在空域和時(shí)域?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)行處理，這種處理方式稱為空時(shí)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(zhǔn)則，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)形成天線陣列的加權(quán)向量，通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并，在有用信號(hào)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(hào)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(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)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(dòng)，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號(hào)最強(qiáng)。用戶信號(hào)并不總在固定波束中心，當(dāng)用戶出于波束邊緣，干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，不能實(shí)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(gè)不同指向的波束，則可以采用多個(gè)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(gè)固定波束照射整個(gè)扇區(qū)，系統(tǒng)掃描每個(gè)波束，檢測輸出信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)某個(gè)期望用戶處于如圖9中的位置時(shí)，波束2輸出功率將最大，因此系統(tǒng)選擇波束2對(duì)準(zhǔn)期望用戶。當(dāng)用戶移動(dòng)到其它位置時(shí)，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(yùn)算量小、易于實(shí)現(xiàn)、無須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向(DOA)的優(yōu)點(diǎn)。 但不能實(shí)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(qiáng)。但算法一般較復(fù)雜，運(yùn)算量，存儲(chǔ)量一般較大，為了滿足實(shí)時(shí)處理的要求，對(duì)硬件的處理速度和存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)電路的復(fù)雜度，選擇什么樣的算法進(jìn)行波束智能控制是非常重要的。智能天線需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題是辨識(shí)信號(hào)的方向和自適應(yīng)賦形的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這兩個(gè)方向分類，有以下算法。 辨識(shí)信號(hào)到達(dá)方向，代表的算法有：n MUSIC（Multiple Signal Classification、多信號(hào)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(hào)參數(shù)估計(jì)）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(zhǔn)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(diǎn)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(hào)的延遲擴(kuò)展，進(jìn)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(gè)小區(qū)能同時(shí)容納的用戶數(shù)，延長移動(dòng)臺(tái)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(shí)現(xiàn)手機(jī)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(dá)、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(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)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(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，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(dòng)通信。 在移動(dòng)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(gè)最活躍的領(lǐng)域。 第三代移動(dòng)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(duì)稱，可同時(shí)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(shí)現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。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(dá)領(lǐng)域，目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。隨后，智能天線在信道擴(kuò)容和提高通信質(zhì)量等方面具備

11、的獨(dú)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(jī)構(gòu)都相繼開展了針對(duì)智能天線的眾多研究計(jì)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(jì)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(zhǔn)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(dòng)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(duì)移動(dòng)通信中移動(dòng)終端上適用的智能天線形式進(jìn)行了大量探討，最終提出了單端口電激勵(lì)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(shí)現(xiàn)了空間濾波。日本歐洲 歐洲通信委員會(huì)（CEC）在RACE計(jì)劃中實(shí)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(huì)（CEC）又在ACTS計(jì)劃中繼續(xù)進(jìn)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(dòng)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(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)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(gè)國家投入實(shí)用。除Ar