智能天線技術(shù)

現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)展第六講：智能天線一、概述:天線的分類

全向天線

全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用與郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。

定向天線

定向天線，在在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。一、天線的分類機(jī)械天線

所謂機(jī)械天線，即指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。電調(diào)天線

所謂電調(diào)天線，即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。對(duì)稱振子天線方向性天線方向性增強(qiáng)波瓣寬度柵狀拋物面天線八木定向天線室內(nèi)吸頂天線與室內(nèi)壁掛天線二、概述隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個(gè)人通信主要手段的無線移動(dòng)通信技術(shù)引起人們極大關(guān)注。二、概述如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們?cè)谔岣邿o線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能時(shí)考慮的主要因素。近年來智能天線成為移動(dòng)通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是解決頻率資源匱乏的有效途徑，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們?cè)谔岣邿o線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能時(shí)考慮的主要因素。自適應(yīng)天線陣列同頻干擾現(xiàn)代蜂窩通訊為了提高頻率使用效率,使用了各種頻率復(fù)用技術(shù),這也帶來了同頻干擾的問題。對(duì)特定用戶發(fā)出的有用信號(hào),對(duì)這個(gè)小區(qū)或者其它小區(qū)中采用相同頻率的用戶來說,形成了很強(qiáng)的干擾,限制了用戶數(shù)量的增加。相對(duì)于傳統(tǒng)基站天線,扇區(qū)天線系統(tǒng)通過減小總發(fā)射功率的方法使這個(gè)問題得到了一定程度的改善;而智能天線系統(tǒng)不但可以通過指向預(yù)定用戶,而且可以通過產(chǎn)生方向圖零點(diǎn)來對(duì)準(zhǔn)干擾來源方向的方法,減小同頻干擾。小區(qū)內(nèi)的頻率復(fù)用互調(diào)干擾的形成

在雙向無線電通信擁擠的區(qū)域里，當(dāng)兩個(gè)或更多個(gè)信號(hào)加到非線性器件中時(shí)，產(chǎn)生了互調(diào)干擾分量，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都能產(chǎn)生這些干擾分量。這些分量出現(xiàn)在不同的頻率上，而且能在另一些信道上引起干擾。如果干擾和有用信號(hào)差不多大小或比有用信號(hào)大，則有用信號(hào)就受到嚴(yán)重的干擾。如果干擾比有用的信號(hào)弱，只在沒有信號(hào)時(shí)，干擾才能被聽到。兩個(gè)或更多個(gè)發(fā)射機(jī)互相靠得很近時(shí)，每個(gè)發(fā)射機(jī)與其他發(fā)射機(jī)之間通常通過天線系統(tǒng)耦合，從每個(gè)發(fā)射機(jī)來的輻射信號(hào)進(jìn)入其他發(fā)射機(jī)的末級(jí)放大器和傳輸系統(tǒng)，于是就形成了互調(diào)。而這些產(chǎn)物落到末級(jí)放大器的通帶內(nèi)并被輻射出去，這種輻射可能落在除了已指配的發(fā)射機(jī)頻率之外的那些信道上。

互調(diào)干擾的形成何謂智能天線？

智能天線原名自適應(yīng)天線陣列（AAA，AdaptiveAntennaArray）。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、抗干擾通信、定位、軍事方面等，用來完成空間濾波和定位。近年來，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展以及對(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，智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。智能天線的特點(diǎn)（1）擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；（2）增加系統(tǒng)容量；（3）提高頻譜利用效率；（4）降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。等間距線天線陣M元智能天線陣結(jié)構(gòu)圖智能天線的分類人們?cè)诹?xí)慣上還是將智能天線系統(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，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)波束天線方向圖開關(guān)波束天線方向圖自適應(yīng)天線陣接收機(jī)自適應(yīng)天線陣方向圖自適應(yīng)天線陣方向圖波束形成步驟步驟：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)在理論上被完全地抑制。智能天線的優(yōu)點(diǎn)智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，采用了先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switchedbeamtechnology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），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)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。覆蓋范圍的比較新建系統(tǒng)投資比較智能天線在移動(dòng)通信中的功能

（1）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。（2）抗干擾用高增益、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。智能天線通過主波束指向指定的用戶可以降低同頻干擾、提高通話質(zhì)量、減小頻率復(fù)用距離。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。（3）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。4）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位

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，還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。智能天線是一種天線和傳播環(huán)境與用戶和基臺(tái)的最佳空間匹配通信為什么要用智能天線智能天線適用于維持一條與用戶的“虛擬”路徑，這種信號(hào)處理方式使得在高干擾的情形下也能維持這種聯(lián)結(jié)．常規(guī)的方法把信號(hào)向所有的方向發(fā)射，導(dǎo)致在相鄰基站信號(hào)質(zhì)量下降．極大限制了用戶的數(shù)量．移動(dòng)通信基站中的智能天線三、空分信道和智能天線智能天線是一個(gè)天線陣列，如圖所示。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分為：智能天線方框圖自適應(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，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)展階段第一個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上。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。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。智能天線的增益如圖是一個(gè)8元圓形自適應(yīng)陣列對(duì)1用戶(實(shí)心矩形)、10干擾用戶(空心矩形)通信環(huán)境的等效方向圖。由圖可見，系統(tǒng)在干擾方向形成凹點(diǎn)，并在所需信號(hào)方向形成峰值。通常自適應(yīng)算法在無干擾信號(hào)的其它角度上也可能出現(xiàn)峰值。也有等旁瓣的智能天線。時(shí)空信號(hào)聯(lián)合處理技術(shù)智能天線實(shí)際上是一種空間信號(hào)處理技術(shù)。如果它和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，就是時(shí)空信號(hào)聯(lián)合處理。在時(shí)間信號(hào)處理方面，如均衡技術(shù)，時(shí)、頻域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到廣泛應(yīng)用。把兩種信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來產(chǎn)生一種稱之為兩維或三維RAKE接收。如圖給出了一個(gè)用于DSCDMA系統(tǒng)的時(shí)空域聯(lián)合處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它除了有智能天線部分，還有多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分。在多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分，如我們需要先得到用戶0的信號(hào)。Demi和Modi(i＝1,2,…,M)分別將來自第i個(gè)用戶的擴(kuò)頻干擾解調(diào)后重新擴(kuò)頻，自適應(yīng)數(shù)字濾波器ADFi用來識(shí)別包括無線信道和天線陣列的參數(shù)，以產(chǎn)生對(duì)干擾的復(fù)制。從智能天線輸出端的信號(hào)y(k)中減去干擾信號(hào)，得到的u(k)經(jīng)過自適應(yīng)濾波器ADF0得到用戶0的信號(hào)。再通過Dem0解調(diào)后得到基帶信息，把它重新擴(kuò)頻、調(diào)制再與ADF0的輸出相減，就得到了用于控制ADFi（i＝0,1,…,M）的誤差信號(hào)。四、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的增益。

麥得威的GSM智能天線系統(tǒng)是一個(gè)基于三小區(qū)定向站開發(fā)的系統(tǒng)，每個(gè)小區(qū)方向由一個(gè)寬波束（900或1200）天線和四個(gè)窄波束天線構(gòu)成。窄波束天線半功率角為22.50或300，如圖所示:

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3.5~6dB。上行、下行信號(hào)的誤率也降低，移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率、場(chǎng)強(qiáng)也降低了。測(cè)試次數(shù)

測(cè)試頻點(diǎn)

平均干擾強(qiáng)度（傳統(tǒng)天線）

平均干擾強(qiáng)度（智能天線）

干擾降低

第一次

同頻1-80.19dBm

-85.70dBm

5.52dB

同頻2

-82.27dBm

-87.91dBm

5.64dB

第二次

同頻1-82.91dBm

-89.00dBm

6.09dB

同頻2

-84.14dBm

-87.62dBm

3.48dB

智能天線不僅能提高通信質(zhì)量。而且能大幅度降低基站和手機(jī)發(fā)射到空間的能量，減少了生活環(huán)境中的電磁污染。五、軟件無線電結(jié)構(gòu)的智能天線軟件無線電采用開放式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)可自重構(gòu),由于同一系統(tǒng)可集成多種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),因而可實(shí)現(xiàn)多頻段多模式無線電,而且,通信領(lǐng)域的最新研究成果可隨時(shí)通過軟件的更新注入原有硬件系統(tǒng),改善或賦予系統(tǒng)新的功能。其結(jié)構(gòu)如圖所示。為一個(gè)采用軟件無線電技術(shù)的智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,天線接收的信號(hào)首先經(jīng)過下變頻器變換成基帶信號(hào),經(jīng)A/D變換后送入智能處理器,然后在系統(tǒng)的控制下合成所需的波束,再經(jīng)D/A變換和上變頻變換,送入原CDMA系統(tǒng)進(jìn)行處理。智能天線的“智能化”智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶的物理方向,事實(shí)上,在隨機(jī)多徑信道上,移動(dòng)用戶的物理方向是難以確定的,特別是在發(fā)射臺(tái)至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時(shí),用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化,智能天線的“智能化”正體現(xiàn)于此。六、室內(nèi)智能天線系統(tǒng)INRFX智能分布天線系統(tǒng)采用基站智能放大器和微蜂窩智能放大設(shè)備，通過軟同軸電纜，將從微蜂窩引入的無線信號(hào)均勻分布在建筑物的每個(gè)角落，解決建筑物內(nèi)的信號(hào)盲區(qū)、弱區(qū)和經(jīng)常掉話的不良通信問題。如圖是一個(gè)室內(nèi)智能天線系統(tǒng)示意圖。基站智能天線系統(tǒng)構(gòu)成基站智能放大器（BIAM）：接收和分配射頻信號(hào)；控制和監(jiān)督MIAM，向MIAM單元供電，提供告警信號(hào)和計(jì)算機(jī)通信接口。微蜂窩智能放大器（MIAM）：處理器控制；提供線路補(bǔ)償增益；具有人工和自動(dòng)兩種運(yùn)行模式。布線電纜：采用50歐軟同軸電纜。天線：采用多種類型天線，如帽狀、板狀、鞭狀天線等。七、智能天線的典型結(jié)構(gòu)一般的智能天線如圖所示。其原理如圖所示。外形如圖。具體參數(shù)為七、智能天線的發(fā)展目前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí)，歐、日、美等國(guó)非常重視智能天線技術(shù)在未來移動(dòng)通信方案中的地位與作用。已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。7.1歐洲歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱之為TSUNAMI(T