第四章智能天线技术

1、第四章第四章 智能天线技术智能天线技术4.2 智能天线的原理智能天线的原理4.2.1智能天线的概念智能天线的概念4.2.2 智能天线的分类智能天线的分类 移动通信系统中，根据智能天线的处理原理上的移动通信系统中，根据智能天线的处理原理上的差异，可将其分成三大类：多波束天线、寻向型天线差异，可将其分成三大类：多波束天线、寻向型天线和优化合并型天线。和优化合并型天线。1. 多波束天线多波束天线(Multi-beam Antenna)2. 寻向型天线寻向型天线(Direction Finding Antenna)3. 优化合并型天线优化合并型天线(Optimum Comdining Antenna)

2、4.2.3 智能天线的天线阵列智能天线的天线阵列 天线阵列是智能天线系统的一个重要天线阵列是智能天线系统的一个重要组成部分，在智能天线中，常见的天线组成部分，在智能天线中，常见的天线阵列形式有：直线阵列、圆环阵列和平阵列形式有：直线阵列、圆环阵列和平面阵列。面阵列。4.2.4 智能天线的组成与基本原理智能天线的组成与基本原理1. 组成组成4.2.5 智能天线的主要功能智能天线的主要功能 根据上述基本原理，在无线基站中使用了根据上述基本原理，在无线基站中使用了智能天线技术后，将带来如下主要结果：智能天线技术后，将带来如下主要结果：1 1 提高了基站接收机的灵敏度提高了基站接收机的灵敏度 基站所接

3、收到的信号将如式基站所接收到的信号将如式(1) 所示，来所示，来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。如果采用最大功率合成算法，在不计多径传播如果采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号将增加条件下，则总的接收信号将增加101gN dB，其，其中，中，N为天线单元的数量。存在多径时为天线单元的数量。存在多径时(如图如图1所示所示)，此接收灵敏度的改善将多径传播条件，此接收灵敏度的改善将多径传播条件及上行波束赋形算法而变，其结果也在及上行波束赋形算法而变，其结果也在101gN dB上下。上下。 2 2 提高了基站发射机的等效发射功率提高

4、了基站发射机的等效发射功率 同样，发射天线阵在进行波束赋形同样，发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加率可能增加201gN dB。其中，。其中，101gN dB是是N个发射机的效果，与波束成形算法无个发射机的效果，与波束成形算法无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。变。 3. 3. 降低了系统的干扰降低了系统的干扰 所示基站的接收方向图形是有方向性的，所示基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用在

5、接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，则可能将干扰降低上述最大功率合成算法，则可能将干扰降低101gN dB101gN dB。4 4 增加了增加了CDMACDMA系统的容量系统的容量 众所周知，众所周知，CDMA系统是一个自干扰系统，系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说，降低干扰对说，降低干扰对CDMA系统极为重要，降低干系统极为重要，降低干扰就可以大大增加扰就可以大大增加CDMA系统的容量。在系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后，就提供了将系统中使用了智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源

6、全部利用的可能性，所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，导致至少将导致至少将CDMA系统容量增加一倍以上的可系统容量增加一倍以上的可能性。能性。 5 5 改进了小区的覆盖改进了小区的覆盖 对使用普通天线的无线基站，其小区的覆对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形是可能根据需要而设计的。线的辐射方向图形是可能根据需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射图形则完全

7、可以用软件控制，在网络阵的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化。来优化。 6 6 降低了无线基站的成本降低了无线基站的成本 在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的部分是高功率放大器部分是高功率放大器(HPA)。特别是在。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部，更是其主要部分的成本。如上述，智能天线使等效发射功率分的成本。如上述，智能天线使等效发射功率增加，

8、在同等覆盖要求下，每只功率放大器的增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可能降低输出可能降低201gN dB。这样，在智能天线系。这样，在智能天线系统中，使用统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高只低功率的放大器来代替单只高功率功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来降，可大大降低成本。此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。低对电源的要求和增加可靠性等好处。 4.3 移动通信中智能天线的研究移动通信中智能天线的研究 我国早已将研究智能天线技术列入国我国早已将研究智能天线技术列入国家家863317通信技术主题研究中的个人通信技术主题研究中的个人通信技术分项，许多专家及大学正在进

9、通信技术分项，许多专家及大学正在进行相关的研究。行相关的研究。我国的第三代移动通信系统基于同我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线步码分多址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电技术。作为系统根基的和软件无线电技术。作为系统根基的SCDMAWLL的现场运行结果，足以的现场运行结果，足以证明基于证明基于TDSCDMA技术的第三代移技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的。动通信系统是可行和成熟的。 欧洲在进行了基于欧洲在进行了基于DECT基站的智能天基站的智能天线技术研究后，继续进行诸如最优波束线技术研究后，继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估等研究。日本形成算法、系

10、统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件天某研究所提出了基于智能天线的软件天线概念，即用户所处环境不同，影响系线概念，即用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，可通过软件统性能的主要因素亦不同，可通过软件采用相应的算法。采用相应的算法。 美国的美国的Metawave公司对用于公司对用于FDMA、CDMA、TDMA系统的智能天线进行了系统的智能天线进行了大量研究开发；大量研究开发； ArrayComm公司也研制公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统；了用于无线本地环路的智能天线系统；美国德州大学建立了智能天线试验环境；美国德州大学建立了智能天线试验环境；加拿大加拿大Mc

11、Master大学也对算法进行了研大学也对算法进行了研究。究。 基于最大接收信号准则的寻向型智能天线基于最大接收信号准则的寻向型智能天线空时域联合处理智能天线空时域联合处理智能天线 智能天线实际上是一种空间信号处理技术。智能天线实际上是一种空间信号处理技术。如果它和时间信号处理技术相结合，就会获得如果它和时间信号处理技术相结合，就会获得更大的好处。在时间信号处理方面，如均衡技更大的好处。在时间信号处理方面，如均衡技术，时、频域分集接收，术，时、频域分集接收，RAKE接收，最大似接收，最大似然接收等已在通信中得到广泛应用。它们本身然接收等已在通信中得到广泛应用。它们本身也常用于克服多径衰落，提高通

12、信质量。把两也常用于克服多径衰落，提高通信质量。把两种信号处理技术结合起来，产生一种新的统一种信号处理技术结合起来，产生一种新的统一的算法，可以更有效地提高通信性能和处理效的算法，可以更有效地提高通信性能和处理效率。有的文献称之为两维或三维率。有的文献称之为两维或三维RAKE接收。接收。图图6给出一种空间滤波给出一种空间滤波RAKE接收机的框图接收机的框图, 它它包括包括N个天线单元、三套形成空间波束的加权个天线单元、三套形成空间波束的加权器和一个三指器和一个三指RAKE接收机。除此之外，还需接收机。除此之外，还需一个实时一个实时DOA探测器和相应的控制器，用以产探测器和相应的控制器，用以产生

13、加权数。生加权数。 上图给出了一个用于上图给出了一个用于DSCDMA系统的时空系统的时空域联合处理系统结构框图。它除了有智能天线域联合处理系统结构框图。它除了有智能天线部分，还有多用户联合检测部分。在多用户联部分，还有多用户联合检测部分。在多用户联合检测部分，如我们需要先得到用户合检测部分，如我们需要先得到用户0的信号。的信号。Demi和和Modi (i1,2,M)分别将来自第分别将来自第i个用个用户的扩频干扰解调后重新扩频，自适应数字滤户的扩频干扰解调后重新扩频，自适应数字滤波器波器ADFi用来识别包括无线信道和天线阵列用来识别包括无线信道和天线阵列的参数，以产生对干扰的复制。从智能天线输的

14、参数，以产生对干扰的复制。从智能天线输出端的信号出端的信号y(k)中减去干扰信号，得到的中减去干扰信号，得到的u(k)经过自适应滤波器经过自适应滤波器ADF0得到用户得到用户0的信号。再的信号。再通过通过Dem0解调后得到基带信息，把它重新扩解调后得到基带信息，把它重新扩频、调制再与频、调制再与ADF0的输出相减，就得到了用的输出相减，就得到了用于控制于控制ADFi（i0,1,M）的误差信号。）的误差信号。 4.4 第三代移动通信系统中第三代移动通信系统中 智能天线的研究智能天线的研究4.4.1 TD-CDMA系统中智能天线的应用系统中智能天线的应用4.4.2 基于软件无线电的基站上行接收智能

15、天线基于软件无线电的基站上行接收智能天线4.5 智能天线的发展智能天线的发展 左图是多径信号干扰的影响。左图是多径信号干扰的影响。可以看出，全向天线误码率为可以看出，全向天线误码率为50%左右；采用多用户联合检测左右；采用多用户联合检测的全向天线使误码率下降到的全向天线使误码率下降到10-2到到10-4左右；无多用户联合检测左右；无多用户联合检测的智能天线在干扰小于信号时，的智能天线在干扰小于信号时，误码率极低（小于误码率极低（小于10-10），但当），但当干扰来向接近天线主瓣最大值时，干扰来向接近天线主瓣最大值时，此时干扰强于有用信号，误码率此时干扰强于有用信号，误码率迅速提高到迅速提高到5

16、0%左右；采用多用左右；采用多用户联合检测的智能天线在干扰来户联合检测的智能天线在干扰来向接近天线主瓣最大值时，仍能向接近天线主瓣最大值时，仍能极大地压制干扰，但在干扰弱于极大地压制干扰，但在干扰弱于有用信号时，由于时域均衡造成有用信号时，由于时域均衡造成的误差在此时成为误差主要来源的误差在此时成为误差主要来源而导致误码率高于无多用户联合而导致误码率高于无多用户联合检测的智能天线，因此在实际使检测的智能天线，因此在实际使用中，可以控制用中，可以控制ADFi（i=0,1,M）使其在干扰高于）使其在干扰高于有用信号时工作，用来消除通信有用信号时工作，用来消除通信盲区。盲区。 左左图是其他用户信号干扰图是其他用户信号干扰的影响，可以看出，全向天线的影响，可以看出，全向天线误码率为误码率为50%左右；采用多用左右；采用多用户联合检测的全向天线误码率户联合检测的全向天线误码率下降到下降到10-2.5到到10-4左右；无左右；无多用户联合检测的智能天线在多用户联合检测的智能天线在其他用户的干扰小于有