天线与电波传播

1、智能天线的研究及改进摘要 智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准期望用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线分为两大类切换波束智能天线与自适应阵智能天线。智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一,智能天线技术将会在未来移动通信系统中发挥重要作用。本文在简要介绍智能天线的基本原理、系统组成的基础上,详细论述了智能天线的自适应算法和技术优势及其在中的应用。引言 随着移动通信产业的高速发展及其用户的飞速增长,市场对移动通信技术的改进和更新提出了更高的要求。而如何提高无线频谱的使用效率成为近些年来

2、各种新技术所面临解决的核心问题。第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术。智能信号处理模块将成为它的基本功能模块,实现基于话音业务为主的多媒体数据通信。目前最典型的智能天线技术是实现移动通信扩大通信容量的关键技术之一。智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用于移动通信系统,并通过对无线数字信号的高速时空处理,极大地改善了无线信号的传输,成倍地提高了系统的容量和覆盖范围,从而极大地改善了频谱的使用效率。 1 智能天线的基本概念及组成1.1 智能天线的基本概念智能天线, 即具有一定程度智能性的自适应天线, 由多个天线单元组成, 每一个天线后接一个加权器

3、即乘以某一个系数, 这个系数通常是复数, 既调节幅度又调节相位,而在相控阵雷达中只有相位可调, 最后用相加器进行合并输出, 这种结构的智能天线只能完成空域处理同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网结构上与时城均衡器相同。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变和自适应调整。上面介绍的是智能天线用作接收天线时的结构,当用它进行发射时结构稍有变化,加权器或加权网络置于天线之前,也没有相加合并器。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线, 通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性, 并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向

4、特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向, 产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向币习,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的阴。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异, 通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰, 使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。1.2 智能天线的分类.智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术杭群和自适应空间数字处理技术, 或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波

5、束分别跟踪多个期望信号,来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向,事实上,在随机多径信道上,移动用户的物理方向是难以确定的,特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时, 用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化,充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。(1) 波束转换天线. 波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图, 通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号,它从几个预定义的、固定波束中选择其一,检测信号强度,

6、 当移动台越过扇区时,从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度,从而提高通信容量和质量。波束转换天线阵结构框图如图1示 图1 波束转换天线阵结构框图为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话,要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户,特别地, 在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。每个波束的方向是固定的,并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户,基站选择不同的对应波束,使接收的信号强度最大,但用户信号未必在固定波束中心, 当使用者是在波束边缘, 干扰信号在波束的中央,接收效果最差。因此,与自适应天线阵比较, 波束转换天线不能实现最佳的信

7、号接收。由于扇形失真,波束转换天线增益在方位角上不均匀分布, 但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向的优势。(2) 自适应天线阵. 融人自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度,因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术印吐可以增强信号能力,使多个用户共同使用一个信道。自适应天线阵(Tracking-beam Array)结构框图如图2所示。 图2 自适应阵列结构自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统,它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图,使它在干扰方向形成零陷,将干扰信号抵消,而且可以使

8、有用信号得到加强,从而达到抗干扰的目的。由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并,取得最佳的信噪比系数。采用M个阵元自适应天线,理论上,自适应天线阵的价值是能产生M倍天线放大,可带来10lgM的SNR改善。对相同的通信质量要求,移动台的发射功率可减小10lgM。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池,也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言,总功率被分配到M个阵元,又由于采用DBF(Digital Beam-Forming)可以使所需总功率下降,因此,每个阵元通道的发射功率大大降低,进而可使用低功率器件。采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很

9、有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线,然后送人智能处理器,则可以对多径信号进行最佳接收,减少多径干扰的影响,从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高,降低了系统的误码率。通常采用4一16天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的1/2。阵元间距过大,降低接收信号相关度阵元间距过小,将在方向图引起不必要的波瓣,因此,阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线型,环型和平面型,自适应天线是智能天线的主要的型式。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的DOA,或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向,提供不同空间通

10、道,有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。1.3 智能天线的发展历程90年代以来,阵列处理技术引人移动通信领域,很快形成了一个新的研究热点一智能天线。智能天线应用广泛,它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面,都具有独特的优点。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信,用来完成空间滤波和定位等。近年来,随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深人,现代数字信号处理技术发展迅速,数字信号处理芯片处理能力不断提高,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,提高了天线系统的可靠性

11、与灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外,随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高,要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现,智能天线可将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时,利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

12、实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域,属于空分多址(SDMA)体制。2 从多角度看智能天线技术随着智能天线技术的日趋成熟,其技术种类也开始分化,以下我们将从各种不同的技术角度来进行讨论。2.1 模拟和数字智能天线技术首先,从大的技术类别来讲,智能天线技术可分为模拟智能天线技术和数字智能天线技术。通常我们所讲的智能天线都是与软件无线电联系在一起的数字智能天线技术,而实际上早期的相控阵天线与较新的ESPAR天线都采用了模拟智能天线技术。模拟智能天线技术是指那些无需对射频或变至中频或基带的模拟信号进行模数转换和数字处理,而直接对接收到的

13、模拟信号操作,实现智能天线的功用。这类天线通常比较简单,易于实现,成本也较低。但由于没有将模拟信号数字化,因而很多数字域的信号处理方法都无用武之地,限制了信号处理的可能手段。数字智能天线技术则指在射频或中频将模拟信号数字化,然后利用丰富的数字信号处理理论和发达的集成电路技术造就的DSP、FPGA或ASIC实现快速的数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)。常用的波束形成算法主要有2种:非盲波束形成算法和盲波束形成算法。非盲波束形成算法通过发送参考信号或训练序列来确定信道响应,然后根据一定的准则调整权值,常用的准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)和RLS(递

14、归最小二乘)等。而盲波束形成算法又分为2种,一种是依赖于波达方向(DOA)估计的盲波束形成算法,通过对接收到的阵列矢量信号的协方差矩阵进行分析,从而估计期望信源的方向。如MUSIC(Multiple Signal Classification)法和ESPRIT(EstimatingSignalParametersviaRotationalInvarianceTechniques)法,两者均属于特征结构的子空间法,利用在阵元个数超过信源个数时,阵列数据的信号分量所在的低秩子空间能够唯一确定信号的波达方向的原理,通过奇异值分解精确确定波达方向。另一种则是利用信道的信号处理模型和/或信号的性质估计期

15、望信号方向向量的盲波束形成算法,如利用通信信号恒模特性的恒模算法和利用信号循环平稳性的盲处理算法。前者要求确知天线的阵列流形,而且其应用效果与信道条件关系很大,通常要求每个信号只能有几个清晰的传输路径;后者则与信道的空间性质或天线的阵列校正无关。2.2 多RF通道技术和单RF通道技术现代阵列信号处理多发生在中频(IF)或基带,因此天线和IF或基带之间信号幅度和相位的传递就要求十分准确。于是传统阵列接收机都要求为每一个天线单元分配一个单独的射频(RF)通道,这就是多RF通道技术。采用多RF通道技术构造的智能天线系统结构虽然看似简单明了,但随着智能天线实用化需求的呼声越来越高,这种技术带来的问题也

16、日益明显:(1)一个N单元的天线阵需要N个RF通道,因此,硬件复杂度和功耗大约是单天线系统的N倍;(2)系统成本高;(3)多天线单元加多RF通道必然需要多馈线,也必然增大RF电路的复杂度,从而更容易引入噪声;(4)难以实现小型化和集成。而这些缺陷正是智能天线系统实用化过程中存在的最大障碍。为了解决这些问题,缩减RF通道个数的技术开始展现其优势。2. 3普通智能天线技术和多入多出(MIMO)技术普通智能天线技术指的就是前文谈到的诸多智能天线技术,这些技术有一个共同的特点,那就是只在通信系统的一端进行智能天线设计,另一端则并未予以考虑。这样的智能天线系统利用空分复用原理,对时分复用和频分复用是一种

17、十分有效的补充,大大提高了信道容量。然而随后出现的MIMO(多入多出)技术则又更进一步,通过增加空间维数来增大系统容量。MIMO智能天线在发射端和接收端均采用多天线(或天线阵),见图3。假设发端有N个天线单元,收端有M个天线单元。信息流经过空时编码形成N个信息子流,再经由N个发射天线发射出去。接收端M个接收天线同时接收这N个信息子流,然后利用空时解码将这N个信息子流分离开来。MIMO的特点就在于,通过先进的空时编、解码处理,可实现各发射天线和接收天线之间的通道响应相互独立。于是,多发射天线和多接收天线之间就建立起多个共用同一频带的并行的空间通道,每个通道可以独立地传输信息。因此,多入多出智能天

18、线能够在不增加带宽的情况下,成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。图3 MIMO系统框图假设收发天线之间的信道均为相互独立的瑞利衰落信道,并假设M、N均较大,那么信道容量可近似为C=min(M,N)B log2(/2)。其中,B为信号带宽,为接收端的平均信噪比。由该式可以看出,当功率和带宽固定时,MIMO系统的最大容量随较少一端天线数的增加而线性增加。而同样条件下的普通智能天线系统的容量,则只随天线个数的对数增加。比较而言,MIMO技术在增大系统容量方面的潜力就更加明显。3 应用于移动通信的智能天线随着近期移动通信的飞速发展和普及,用户数量急剧膨胀,传统的时分复用、频分复用和码分复用已经渐渐难

19、以满足需要,现有的移动通信系统急待扩充容量,于是利用空分复用(SDM)技术的智能天线便成为一个研究热点。将智能天线用于移动通信可带来如下好处:(1)增大信道容量通过空分复用来补偿时分、频分和码分的仍不能满足的对信道容量的需求;(2)提高频谱效率;(3)扩大基站覆盖范围;(4)激励多波束以便同时跟踪多个目标;(5)可对孔径抖动进行电补偿;(6)减小时延扩展;(7)减小多径效应的影响;(8)降低邻道干扰智能天线系统应用于移动通信时最重要的性能之一就是消除邻道干扰。邻道干扰是由使用同一组信道频率的通信设备同时发射信号时产生的。而通过直接将波束对准目标信号,将波束零点对准其他接收机,这样就能降低发送模

20、式下的邻道干扰。在接收模式下,只要已知信号源的方位,就可以使用干扰抵消策略来降低邻道干扰;(9)降低系统复杂度;(10)降低误码率;(11)降低通话中途断线的可能性。根据应用环境造成的增益、波束宽度和天线尺寸要求的不同,移动通信中的智能天线主要分为基站用智能天线和移动终端用智能天线。3. 1基站用智能天线以往的基站天线一般采用固定波束天线,天线方向图为扇形。当移动终端位于波束边缘时,就比较容易造成断线。而基站用智能天线多采用多波束天线,这样的天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号,在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的

21、非期望用户受到的干扰最小,甚至为零。3. 2移动终端用智能天线虽然近几年国内外的智能天线研究都十分火热,但绝大多数的讨论是针对基站用智能天线进行的。因为基站用智能天线安装在移动通信的基站上,其体积受到的限制比较小,因而天线的一些机械参数,例如阵元个数、阵形安排、阵元间距及阵元尺寸等,都可以在较宽松的范围内进行设计,较易使天线达到预期的性能指标。而移动终端用智能天线的设计则相对非常困难。首先,手机的便携性限制了其体积,也就同时限制了天线的许多机械参数阵元个数不能过多,阵元间距不能过大,阵形也受到一定限制。这就同时限制了天线的增益、指向性等性能。其次,智能天线的阵列性质使得天线后的RF处理电路很难

22、简化,因为通常的阵列天线阵元个数就决定了RF电路的通道个数,即有N个阵元就需要N套相同的射频处理电路,而各射频通路的平衡性也很难实现,从而更加增大了中频和基带处理的难度。国内外针对移动终端用智能天线所作的研究中,较突出的是日本ATR研究所研究的电激励单端口ESPAR天线,该天线巧妙利用各阵元之间的耦合,在天线上实现空间滤波,简化了RF电路。ESPAR天线结构如图4所示,天线为一个7单元/4单极阵子的六边形阵,其中只有中心阵元是有源阵子,其他6个阵元均为无源阵子,分别下接一个可变电阻,对称分布在以中心阵子为圆心、半径为/4的圆周上。天线的作用原理就是通过一种自适应算法改变每个阵元下可变电阻的阻值

23、,从而改变天线的方向图,形成对准目标的波束和对准干扰的零点。图4 ESPAR天线原理图ESPAR天线由于只有一个有源阵子,因而只需一个RF端口,这大大简化了整个系统所需的RF电路。同时,该天线采用了模拟方法实现波束形成,也极大地降低了天线系统的成本,为将其应用于移动通信的移动终端提供了保障。但也正是由于ESPAR天线在天线处就利用耦合实现了空间滤波,中频接收到的只是单RF通道传送下来的信息,每个单元天线接收下来的信号经过混合之后,其幅度和相位信息均被丢失,故无法利用先进的矢量信号处理办法。4 智能天线技术在3G中的应用欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用,已经开展

24、了大量的理论分析研究,同时也建立了一些技术试验平台。欧州通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术的研究,由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。日本的ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。而美国的ArrayComm公司和中国电信科学院信威公司也研制出应用于无线本地环路俘几均的智能天线系统。我国也早已将智能天线技术列人国家一通信技术主题研究的个人通信技术专项,许多专家和大学正在进行相关的研究。4.1 智能天线在TD-SCDMA中的应用WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术,但由于其算法复杂度高,目前在IMT-2000家族中,只有一技术明确表

25、示将在基站端使用智能天线。对于系统基站而言,智能天线技术在3G中的应用主要体现在两个方面,即基站的收和发,具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早,因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中,可根据一定的自适应算法对空、时域处理的各组权值系数进行调整,并与当前传输环境进行最大限度的匹配,从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值,但在实际工程中,由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时,更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式,因为波束切换中的各权值系数只能从预先计算好的几组中挑选,因此计算

26、量、收敛速度等方面较全自适应方式有优势。然而在这种方式下由于智能天线的工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择,因而它不能完全实现自适应性的任意指向,在理论上并不是最优的。实现基站智能天线下行发射难度相对较大,主要因为智能天线在设计波束时很难准确获知下行信道的特征信息。目前在这方面主要有下述两种方案。(1) 利用类似第二代移动通信的IS-95中的上行功率控制技术形成闭环反馈测试结构形式,也就是说基站通过正向链路周期性地向移动台发射训练序列,而移动台通过反向链路反馈信号,从而估计最佳正向链路加权系数。(2) 利用上行信道中提取的参数估计下行信道。这种方法实际上就是智能天线依靠从上行链路中提取的参

27、数来对下行波束赋形,对于FDD方式,由于上下行频率间隔相差较大,衰落特性完全独立因而不能使用。但对于TDD方式,上下行时隙工作于相同频段,只要上下行的帧长较短,完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。TD-SCDMA系统将一个10ms的帧分裂成两个5ms的子帧,缩短了上、下行的转换时间。TD-SCDMA系统综合了FDMA、TDMA、CDMA以及TDD模式中联合检测与智能天线等先进技术。其基本技术特征之一是在TDD模式下,采用周期性重复的时间帧传输基本的TDMA突发脉冲,通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输,在保证高频谱效率的同时,又获得了经济效益。4.2 智能天线在WCDMA和CDMA2000中的应用第三代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务系统。但是,它们还是会像第二代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化