關(guān)于智能天線及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、關(guān)于智能天線及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用     論文關(guān)鍵詞：智能天線移通信空分多址論文摘要：智能天線被公認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的一種發(fā)展趨勢(shì)。文章對(duì)天線的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)性能的改善及國(guó)外研究狀況等進(jìn)行了闡述,指出了研究過(guò)程中存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。1智能天線的基本概念及組成1.1基本概念及工作原理在移動(dòng)通信中,智能天線是天線陣在感知和判斷自身所處電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上,依據(jù)一定的準(zhǔn)則,自動(dòng)地形成多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束,以跟蹤移動(dòng)用戶,同時(shí)抑制波束以外的各種干擾和噪聲,從而處于最佳工作狀態(tài)。智能天線吸取了自適應(yīng)天線的抗干擾原理,依靠陣列信號(hào)處理和數(shù)字波束形成技術(shù)發(fā)

2、展起來(lái)。由于天線有發(fā)射和接收兩種狀態(tài),所以智能天線包含智能化發(fā)射和智能化接收兩個(gè)部分,它們的工作原理基本相同。圖1所示的是處于接收狀態(tài)的智能天線結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)以發(fā)射狀態(tài)的智能天線為例,說(shuō)明波束的形成。將M維信號(hào)矢量S(t)=(s1(t),s2(t),.sM(t)T與一個(gè)N×M階加權(quán)矩陣W相乘,得到一個(gè)N維的陣信號(hào)矢量X(t)=W×S(t)。其中,X(t)=(x1(t),x2(t),x3(t),xN(t)T,在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為:顯然,nwnmfn()表示單路信號(hào)sm(t)的輻射方向圖。一旦天線陣確定下來(lái)后,它的方向性函數(shù)fn()也隨之確定,于是只要通過(guò)改變wnm就可形成所需要的輻

3、射方向圖。1.2組成及關(guān)鍵技術(shù)(1)射頻部分射頻部分包括陣列天線和高頻處理。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,天線陣通常采用直線陣和平面陣兩種方式。陣的形式確定下來(lái)后,天線單元的選擇非常關(guān)鍵,除了必須滿足系統(tǒng)提出的頻帶、駐波比、增益、極化等性能指標(biāo)外,在實(shí)際中還要做到單元間的互耦小、一致性好和加工方便等,微帶天線憑借自身特有的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在這方面得到廣泛的應(yīng)用。高頻處理主要是指對(duì)接收或發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大,以滿足A /D變換或發(fā)射功率的要求?？紤]到智能天線對(duì)誤差非常敏感,還要保證射頻部分各個(gè)支路幅度和相位的一致性。(2)中頻部分目前受數(shù)字器件水平的限制,還不能直接對(duì)來(lái)自天線單元的微波信號(hào)進(jìn)行采樣。較為常用的辦法是:

4、先利用下變頻器將微波高頻信號(hào)變到中頻,然后使該支路的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大等中頻處理,最后對(duì)它進(jìn)行采樣,典型的實(shí)現(xiàn)方法有兩種,分別如圖2(a)、(b)所示。圖2(a)所示的是雙下變頻接收機(jī),通過(guò)兩級(jí)混頻器,完成高頻信號(hào)到中頻的變換。這種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是降低了對(duì)A /D變換器采樣速率的要求,而且整個(gè)接收機(jī)的增益分配也有一定的靈活性。圖2(b)為直接采樣接收機(jī),它借助于更快速度的A /D變換器和其他一些輔助的數(shù)字器件,在中頻直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,避免了信道中I和Q兩路信號(hào)的匹配問(wèn)題。圖中均衡器的作用是補(bǔ)償各支路間幅度和相位的不一致。(3)數(shù)字波束形成部分?jǐn)?shù)字波束形成(DBF)是智能天線的核心部分,在硬

5、件上需要有高速率的數(shù)字信號(hào)處理芯片支持。目前能用于該領(lǐng)域的數(shù)字器件主要有兩種:一種是通用的DSP芯片,如TMS 320系列;另一種是專(zhuān)用集成電路(ASIU),其中最為典型的是能進(jìn)行大規(guī)模并行處理的FPGA。數(shù)字波束形成在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應(yīng)算法,以調(diào)整加權(quán)系數(shù)。目前在通信領(lǐng)域研究得較多的算法主要有:LMS及其改進(jìn)算法RLS、SMI和CMA等。值得注意的是基于特征值分解的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法越來(lái)越受到重視,它不僅能很好地與超分辨測(cè)向算法統(tǒng)一起來(lái),而且能自動(dòng)校正通道不匹配、陣元位置偏差等許多因素所產(chǎn)生的誤差,具有很強(qiáng)的魯棒性(Robust),缺點(diǎn)是計(jì)算量大。由于移動(dòng)通信環(huán)境非常

6、復(fù)雜,各種算法都有其優(yōu)缺點(diǎn),需要相互并用才能取長(zhǎng)補(bǔ)短,使系統(tǒng)的性能最佳。     2移動(dòng)通信系統(tǒng)采用智能天線的好處 2.1提高系統(tǒng)容量和頻譜效率智能天線通過(guò)以下途徑來(lái)提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率:(1)產(chǎn)生多個(gè)窄波束來(lái)對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)用戶,以致處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)能減少對(duì)附近小區(qū)移動(dòng)用戶的共信道干擾,處于接收狀態(tài)時(shí)各種干擾信號(hào)因落入方向圖零點(diǎn)而被抑制;(2)具有空分多址性能。假設(shè)智能天線形成N個(gè)波束來(lái)跟蹤移動(dòng)用戶,那么在理論上,該小區(qū)內(nèi)相同的頻率就可重復(fù)利用N次,系統(tǒng)的容量增加N倍,或者在容量不變的情況下,服務(wù)的小區(qū)面積可增加N1r倍(r是電波傳播損耗因子,通常為4);(

7、3)智能天線還能明顯提高接收信號(hào)的信噪比,改善系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量,意味著在不提高服務(wù)質(zhì)量的條件下可增加用戶數(shù)量。研究表明,現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的每個(gè)基站都使用四單元的智能天線后,系統(tǒng)的容量可提高7倍,而在同樣條件下,采用四個(gè)固定波束的天線只能增加1倍的容量。以上結(jié)果都是與全向天線相比而言。2.2智能化的信道分配和越區(qū)切換智能天線采用數(shù)字信號(hào)方式將各支路的有用信號(hào)保留到A /D變換之后,借助于陣列信號(hào)處理,可對(duì)各種信號(hào)(包括通信信號(hào)和干擾信號(hào))的參數(shù)(如信號(hào)個(gè)數(shù)、頻率、到達(dá)角等)進(jìn)行估計(jì),對(duì)移動(dòng)用戶進(jìn)行定位和跟蹤。有了這些重要信息,智能天線就能打破傳統(tǒng)按固定邊界小區(qū)分配信道數(shù)的思路,將其波束覆蓋的區(qū)

8、域定義為一個(gè)智能小區(qū),根據(jù)該小區(qū)內(nèi)用戶群業(yè)務(wù)量的大小,實(shí)時(shí)分配信道,大大提高了信道利用率。由于智能天線能夠隨時(shí)提供移動(dòng)用戶的位置信息,控制中心就可利用它們計(jì)算出用戶的移動(dòng)速度和方向,非常容易實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換。這種所謂的“智能切換”,既不同于“硬切換”,也不同于“軟切換”。2.3提高通信質(zhì)量和傳輸效率智能天線用于移動(dòng)通信系統(tǒng)后,能明顯改善BER性能。對(duì)于一個(gè)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng),當(dāng)小區(qū)內(nèi)有K個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí),在采用RLS算法的智能天線和全向天線兩種情況下,BER的表達(dá)式分別如下:其中,Q(X)是標(biāo)準(zhǔn)Q函數(shù),G是CDMA系統(tǒng)處理增益,值為0.05513,D是智能天線增益。此外,智能天線還能有效地提高接

9、收信號(hào)的信噪比、降低碼間串?dāng)_和通信過(guò)程中的掉話率,提高通信質(zhì)量。與固定波束的天線相比,智能天線窄波束產(chǎn)生的增益一方面可降低發(fā)射臺(tái)的功率,另一方面可減小移動(dòng)終端的體積和重量、延長(zhǎng)終端電池的使用壽命,或可以采用更小的電池,降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。3國(guó)外智能天線的研究3.1用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的智能天線L波段衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的智能天線陣采用由16個(gè)環(huán)形微帶貼片天線組成的4×4方形平面陣,射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A /D變換器的采樣速率為128kHz,分辨率為8位。在數(shù)字信號(hào)處理部分,選用10個(gè)FPGA芯片,其中8片用于16個(gè)天線支路的準(zhǔn)相干檢測(cè)和快速傅立葉變換

10、,另外2片起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應(yīng)算法選用CMA。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),能產(chǎn)生16個(gè)波束來(lái)覆蓋整個(gè)上半空間,并且不需要借助任何傳感器,就能用最高增益波束自動(dòng)捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號(hào), 在各種復(fù)雜環(huán)境下都能提供比其他天線高得多的通信質(zhì)量。3.2用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的智能天線用于蜂窩移動(dòng)通信基站的智能天線基本設(shè)計(jì)思想是當(dāng)天線工作在接收狀態(tài)時(shí),利用高分辨測(cè)向算法(如ESPRIT)獲得通信信號(hào)的引導(dǎo)矢量,求得上行鏈路加權(quán)系數(shù)。當(dāng)智能天線處于發(fā)射狀態(tài)時(shí),對(duì)于時(shí)分復(fù)用系統(tǒng),由于上下行鏈路使用相同頻率,上行鏈路的加權(quán)系數(shù)可直接用于下行鏈路;對(duì)于頻分復(fù)用系統(tǒng),上下行鏈路之間一般有四十幾MHz的頻率間隔,因此上行鏈路的加權(quán)系數(shù)必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后,才能用于下行鏈路。該智能天線工作在900MHz,天線陣選用間距為/2的8個(gè)微帶天線所排成的直線陣,中頻頻率為144MHz。對(duì)于(1)視線內(nèi)無(wú)阻擋、無(wú)多徑信號(hào),(2)視線內(nèi)無(wú)阻擋、有一路多徑信號(hào),(3)視線內(nèi)有阻擋,天線只能接收到反射信號(hào),在這三種不同的環(huán)境下,對(duì)該天線的性能指標(biāo)進(jìn)行多次測(cè)試發(fā)現(xiàn):與單個(gè)天線的情況相比,智能天線能明顯地減少上下行鏈路的衰落,提高信噪比。3.3其它智能天線歐洲RACE TSU