自適應(yīng)天線-第四章

1第四章自適應(yīng)天線的應(yīng)用

4.1

無線移動通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線

4.2智能天線(SmartAntenna)

4.3

MIMO天線技術(shù)

4.4

自適應(yīng)天線在雷達中的應(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：無線通信中的智能天線，機械工業(yè)出版社)[3]劉鳴,袁超偉等《智能天線技術(shù)與應(yīng)用》，機械工業(yè)出版社，2007.

[4]IEEE上相關(guān)文獻資料。

References34.1.1概述4.1

無線移動通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線無線移動通信的發(fā)展進程：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；存在著信號衰落，時延擴展，多普勒頻率擴展，共道干擾，多址干擾等問題；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；但進一步解決上述問題的能力有限；自適應(yīng)天線技術(shù)－智能天線：TheLastFrontier。

由于在無線移動通信頻段內(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）就成為目前無線移動通信的基本任務(wù)。無線移動通信信道的特點：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)波束零點指向強干擾用戶；上述措施均使SINR增加，從而擴展了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。4.1.2采用智能天線后無線通信系統(tǒng)的性能改善

增加信號對干擾噪音比(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

減輕時延擴展及多徑衰落

能實現(xiàn)空分多址(SDMA)

傳統(tǒng)多址技術(shù)：FDMA、TDMA、CDMA；智能天線采用多個固定波束或自適應(yīng)波束對服務(wù)空間進行劃分---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)是形成時延擴展及衰落的原因，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延擴展及多徑衰落對接收信號的影響；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個扇區(qū)覆蓋360度。4.2

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，進一步將宏扇區(qū)分成幾個微扇區(qū)。當(dāng)用戶進入某個扇區(qū)時，切換波束系統(tǒng)選擇一個最強波束對準(zhǔn)該用戶。4.21

智能天線的工作方式16相對于全向或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)簡單，工程造價低；易于與現(xiàn)有基站系統(tǒng)連接；只需檢測信號強度以確定所用波束，無需進行DOA(DirectionofArrival)估計。實現(xiàn)快速跟蹤。

當(dāng)用戶信號在波束邊緣，干擾信號在波束中央時接收效果差；不能實現(xiàn)自適應(yīng)干擾置零，干擾抑制差；不能對多徑分量進行相干分集聯(lián)合；扇貝現(xiàn)象(Scalloping)。

切換波束方式的優(yōu)點

切換波束方式的缺點17自適應(yīng)陣的工作方式見右圖。自適應(yīng)陣方式

通過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

能對期望用戶的多徑信號進行合成，利用路徑分集；能夠根據(jù)用戶到來角度的變化不斷改變波束形狀，使波束主瓣對準(zhǔn)期望用戶，零點對準(zhǔn)干擾用戶；能實現(xiàn)動態(tài)小區(qū)，減少切換率。18

實現(xiàn)難度及系統(tǒng)造價較切換波束系統(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M.Chryssomallis,“Smartantennas,”IEEEAntennasPropagat.Mag.,vol.42,no.3pp.129-136,June2000.

194.2.2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及干擾信號的到來方向(DOA);

主要優(yōu)點：特別適用于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)；缺點：取決于擴散角(擴散角很大或存在相關(guān)多徑時，性能會顯著下降)；對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較長。20時間參考方式：參考信號由訓(xùn)練信號或?qū)ьl信號產(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：不需DOA；有較強魯棒性(Robust)；可結(jié)合最佳多徑從而降低衰落影響；缺點：要求精確同步，對于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，但存在收斂和捕捉問題。（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。214.2.3智能天線各種方式的應(yīng)用

密集建筑、大量移動物體(大擴散角)、高業(yè)務(wù)流量、移動用戶機動性??；密集多徑環(huán)境；微小區(qū)；

TDMA：時間參考波束形成方式；TDD、FDD；

CDMA：基于訓(xùn)練信號的時間參考自適應(yīng)波束形成方式；盲處理。

擴散角小、業(yè)務(wù)流量小、移動用戶機動性大；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224.24

智能天線的實驗研究與發(fā)展?fàn)顩r

歐洲通信委員會(CEC)在RACE計劃中的TSUNAMI智能天線實驗平臺工作頻率：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；實驗結(jié)果：兩用戶四信道下，BER<1.0E-3;

當(dāng)BER=1.0E-3時，相對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)；實驗結(jié)果：當(dāng)需要信號由0,3入射，干擾信號由4,20

入射時，自適應(yīng)干擾置零使SINR改善9.6dB；當(dāng)需要信號由4,25

入射，干擾信號由8,60

入射時，SINR改善18.5dB。

日本移動通信DBF實驗系統(tǒng)

其他實驗系統(tǒng)或產(chǎn)品

美國AT&T的智能天線實驗平臺；美國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；國內(nèi)眾多研究機構(gòu)、公司（TD-SCDMA）；

…244.3

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》,機械工業(yè)出版社，2007。李忻,<新一代無線通信系統(tǒng)中的MIMO信道建模與多天線設(shè)計研究>，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2005。伍裕江,<MIMO無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。254.3.1MIMO概念

無線移動通信領(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：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的空時碼；

1998年，P.W.Wolniansky等采用V-BLAST算法建立了一個MIMO實驗系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗中達到了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)用于實現(xiàn)分集以對抗衰落，不同天線發(fā)射載有同樣信息的信號。例如1個發(fā)射天線，M個接收天線，則發(fā)射信號通過M個通道到達接收機，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抗多徑衰落。

基本原理

而在MIMO技術(shù)中，多徑可以作為一個有利因素加以利用。若發(fā)射、接收天線間的通道衰落是獨立的，則MIMO系統(tǒng)可創(chuàng)造多個并行空間信道，通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，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，因此C

隨天線數(shù)目線性增長。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。294.3.2MIMO在3G和后3G無線系統(tǒng)中的應(yīng)用

空時網(wǎng)格碼；空時分組碼；

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硬件實現(xiàn)部分軟件實現(xiàn)部分信源比特流數(shù)據(jù)獲取QPSK星座映射空時編碼組幀處理同步頭、信道估計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軟件實現(xiàn)部分硬件實現(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采樣本振基帶頻差預(yù)補償匹配濾波符號同步及幀同步啟動幀檢測數(shù)據(jù)幀分離信道參數(shù)估計空時解碼QPSK逆映射比特流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信宿ReceiverSystem353122136

天線問題：

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，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。

尚需進一步研究的問題374.3.3MIMO研究近況MIMO系統(tǒng)理論及性能研究，目前有較多文獻。

MIMO實驗研究：BellLab.的BLAST系統(tǒng)：f0=1.9GHz，

N=8，M=12，在室內(nèi)達到25.9bps/Hz的頻譜效率。

/project/blast/BYU(BrighamYoungUniv):MIMO實驗平臺，大量信道測試；/~jensen/歐盟ISTMETRA等項目：/metra/國內(nèi)：電子科技大學(xué)，東南大學(xué),北郵，清華等高校；中興、華為等也積極進行MIMO研究與現(xiàn)場測試，并提出了多種編碼算法與信道模型，研制出多種MIMO天線；中國科技部于2001年啟動了未來通用無線通信技術(shù)研究規(guī)劃FuTURE(FutureTechnologiesforUniversalRadioEnvironment).38

LTE是LongTermEvolution的縮寫，全稱應(yīng)為3GPPLongTermEvolution，中文一般翻譯為3GPP長期演進技術(shù)，為第三代合作伙伴計劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn);

使用“正交頻分復(fù)用”（OFDM）的射頻接收技術(shù)；2×2和4×4MIMO分集天線技術(shù);

支持FDD和TDD；每一個5MHz的蜂窩內(nèi)，至少能容納200個動態(tài)使用者。用戶面單向傳輸時延低于5ms，控制面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms。2010年12月6日國際電信聯(lián)盟把LTE正式稱為4G；LTE-4G39傳統(tǒng)的3G技術(shù)是指同一無線網(wǎng)絡(luò)提供語音和數(shù)據(jù)通訊；4G時代則變成為全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；LTE最高下載速率可達100Mbps與上傳50Mbps以上；LTE與WiMAX，以及3GPP2的超行動寬帶（UltraMobileBroadband，UMB）技術(shù)一起被稱為4G；區(qū)別在于WiMAX是來自IP的技術(shù)，而LTE是從GSM／UMTS的移動技術(shù)衍生而來，二者都采用了OFDM傳輸，也都采用了Viterbi和Turbo加速器。40MassiveMIMO-5G大規(guī)模多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput，MIMO)系統(tǒng)通過增加基站天線數(shù)目;大規(guī)模MIMO技術(shù)指基站天線數(shù)目龐大，而用戶終端采用單天線接收的通信方式，可作為目前移動通信系統(tǒng)的一種平滑的過渡方式;即不必大面積更新用戶的終端設(shè)備，通過對基站的改造，提高系統(tǒng)的頻譜利用率；由Marzetta等首先在2006年提出。MARZETTATL．HowMuchTrainingisRequiredforMultiuserMimo［C］//IEEE．Signals，SystemsandComputers，2006，ACSSC'06，F(xiàn)ortiethAsilomarConferencen．Monterey，California:IEEEPress，2006:359-363．41

DBF的工作過程及其特點4.5

自適應(yīng)天線在雷達中的應(yīng)用4.5.1自適應(yīng)數(shù)字波束形成(DBF)特點：自適應(yīng)天線+數(shù)字信號處理設(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為：原理框圖見下頁。42模擬信號在接收機模塊中被放大，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)視頻信號的實部和虛部：在A/D變換器中，在tn時刻抽樣，數(shù)字化，得到數(shù)字接受信號：在數(shù)字波束形成器中乘以自適應(yīng)的復(fù)加權(quán)Wn43得到的輸出相加得到天線的響應(yīng)為：優(yōu)點：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；靈活的雷達功率和時間管理；適合于多站點工作。44

DBF的實現(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雷達進行工作的心臟，主要完成兩