第7章智能天线

1、信息与通信工程学院姚金杰w随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起人们极大关注。7.1 引言w如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。w 近年来智能天线成为移动通信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量。7.1 绪论如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。自适应天线阵列同频干扰w 现代蜂窝通讯为了提高频率使用效率,使用了各种频率复用技术,这也带来了同频干扰的问题。对

2、特定用户发出的有用信号,对这个小区或者其它小区中采用相同频率的用户来说,形成了很强的干扰,限制了用户数量的增加。相对于传统基站天线,扇区天线系统通过减小总发射功率的方法使这个问题得到了一定程度的改善;而智能天线系统不但可以通过指向预定用户,而且可以通过产生方向图零点来对准干扰来源方向的方法,减小同频干扰。小区内的频率复用互调干扰的形成互调干扰的形成w 在双向无线电通信拥挤的区域里，当两个或更多个信号加到非线性器件中时，产生了互调干扰分量，发射机和接收机都能产生这些干扰分量。这些分量出现在不同的频率上，而且能在另一些信道上引起干扰。如果干扰和有用信号差不多大小或比有用信号大，则有用信号就受到严重

3、的干扰。如果干扰比有用的信号弱，只在没有信号时，干扰才能被听到。w 两个或更多个发射机互相靠得很近时，每个发射机与其他发射机之间通常通过天线系统耦合，从每个发射机来的辐射信号进入其他发射机的末级放大器和传输系统，于是就形成了互调。而这些产物落到末级放大器的通带内并被辐射出去，这种辐射可能落在除了已指配的发射机频率之外的那些信道上。 互调干扰的形成互调干扰的形成智能天线引出 智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array）。w 最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空间滤波和定位。w近年来，随着移动通信的发展以及对移动通信电

4、波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。为什么要用智能天线w智能天线适用于维持一条与用户的“虚拟”路径，这种信号处理方式使得在高干扰的情形下也能维持这种联结w常规的方法把信号向所有的方向发射，导致在相邻基站信号质量下降极大限制了用户的数量移动通信基站中的智能天线7.2 智能天线的基本概念及特点信息化的发展使得信号频谱密度越来越高，如何有效利用有限的频谱资源称为重要问题传统的方法：TDMA、FDMA、CDMA还有其他方法吗？空域分集，从空域提高频谱利用率的设想 诞生了智能天线（Smart Antenna）系统，特点：通过对多个天线阵元输出信

5、号进行幅相加权获得所需要的天线方向图，实现空间分离。关键技术：阵元结构、信号定位、波束成形算法主要应用：4G的MIMO系统、麦克风阵列、雷达、信号处理等智能天线的基本结构12.N幅相加权幅相加权幅相加权幅相加权幅相加权幅相加权接收机接收机接收机接收机接收机接收机用户用户1 1用户用户2 2用户用户M M天线分配天线分配覆盖范围的比较新建系统投资比较智能天线在移动通信中的功能智能天线在移动通信中的功能（1）抗衰落）抗衰落w 在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的

6、信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。（2）抗干扰）抗干扰用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比，用12个 30波束天线阵列组成360全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。智能天线通过主波束指向指定的用户可以降低同频干扰、提高通话质量、减小频率复用距离。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励

7、“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。（3）增加系统容量）增加系统容量w 采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线，由于天线波束变窄，提高了天线增益及CI指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。4）实现移动台定位）实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所

8、处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。智能天线是一种天线和传播环境与用户和基台的最佳空间匹配通信 为光速;sinmddm)(tSmmmmmmjnnmnmmnmnttttjmnmmmnmnmeACtsCetaAntsAtx)()()()()(1010)()()(NnmnmnmNnnmnmmtsCWtxWty)sin(2111)(mmmmdnjnmjnnmnmnmeAeACW210)sin()sin(2210)sin(211)(NndnjNndnjnmmmmmeNeWNF信号在信号在45o方向的方向图方向的方向图信号在信号在70o方向的方向图方向的方向图012N-1m

9、)(tsm)2cos(2mmnmnNR信号在信号在112o方向方向和和305o方向的方向图方向的方向图 )sin() 1(2)sin(12)sin() 1(2)sin(12)sin() 1(2)sin(1211111111110000111,MMMMdNjdjdNjdjdNjdjTnMnnonmeeeeeeWWWW)2cos(2sin2mmnmmmnmjnmnNRndeWnm圆阵移相因子为：线阵移相因子为：其中：接收机接收机 12.N0m移相器移相器)1(Nm移相器移相器1m移相器移相器12.N接收机接收机 0m移相器移相器)1(Nm移相器移相器1m移相器移相器下变频下变频下变频下变频下变频下

10、变频12.N下变频下变频下变频下变频下变频下变频A/DA/DA/DDBFx1x2.xN波束波束1波束波束2.波束波束M7.4 基于SDR智能天线的基本组成 智能天线实际上就是一种多波束天线，而多波束的形成可以采用模拟方法实现也可以采用数字方法实现。随着微电子技术和高速数字信号处理(贴P)技术的迅速发展，多波束形成的数字方法实现已成为主流。软件无线电概念的出现，把软件无线电与智能天线有机地结合在一起，大大地促进智能天线特别是通信中的智能天线的实用化。本节讨论基于软件无线电的智能天线组成结构，包括单信道智能天线，多信道智能天线和信道化智能天线。12.N前端前端前端前端前端前端DBFDBFDBFAD

11、ADADDDCDDCDDCDE-MOD解调SCMBF单信道多波束形成器单信道多波束形成器.12.N前端前端前端前端前端前端SCMBF1SCMBF2SCMBFLADADADDDCDDCDDC.信道信道1多波束多波束解调输出解调输出信道信道L多波束多波束解调输出解调输出信道信道2多波束多波束解调输出解调输出12.N前端前端前端前端前端前端DMBF1DMBF2DMBFLADADADPPCRPPCRPPCR.TNiNiiiTDTLtxtxtxtXaaaAtXAAAtytytytY)(,),(),()()(,),(),()()()(,),(),()(,),(),()(21212121其中：iWiTiTi

12、iPaWtXWtSimin1)()()(*满足：)()(minminminixTiWiTTiWiWWRWWtXtXWPiii 1)(21)(iTixTiiaWWRWWH)()(1),(0)()(11ixiHixiiixiiaRaaRWaWRWWH7.5.2 “零陷”波束形成器 所谓“陷波”波束形成器就是首先在不需要的 ( D-1 ) 个方向上形成“零点”，对不需要的信号进行空域陷波，然后使所需方向上的信号尽可能地大。零点处理波束形成算法具有最佳性能。 假设所需信号的方向为1，用加权矢量w对阵列输出x(t)进行加权，使其能消去2, ,D。)0 , 0 , 0 ,()(,),(),(21kaaaW

13、DTTT“零陷”波束形成器)(,),(),()(,),(),()(,),(),()(,21222121211121DNNDDNaaaaaaaaaAwwwW其中： 由于由于A()为满秩，因此满足上式的线性无关的为满秩，因此满足上式的线性无关的加权矢量加权矢量w共有共有N-D1个。设为个。设为w1，,wN-D+1。“零陷”波束形成器0 , 0 ,0 , 0,0 , 0,)(,),(),()(,),(),()(,),(),(121212221212111121DNDNNDDDNkkkaaaaaaaaaWWW满足：0)()(,)(),()(,1321111AWaaaAWWWWDTDN定义：“零陷”波束

14、形成器0)(),(),(),(0)()(11212111AWuuuWDvvvVuuuUVUASVDANDDDNT可以推出令：维奇异值对角矩阵为其中：得：进行对“零陷”波束形成器)()()()(,)()(,)(),()()(10211111211tSktYKtyaWKKtYtSktSktSktXWtYDNiiTTTTDN进行矢量加权再用对令最后进行波形合成：7.6 智能天线对无线网络性能智能天线对无线网络性能及电磁辐射的改善及电磁辐射的改善w 对无线干扰的控制一直是移动通信运营商关注的问题，良好的干扰控制不仅可以提高通信质量，而且可以提升网络所能承载的用户数。为了有效地控制干扰，移动通信基站从单

15、小区全向站发展到了三小区定向站，CDMA系统甚至使用六小区定向站。麦得威的GSM智能天线w 麦得威的GSM智能天线系统实际是一个近似十二小区的系统，在使用上，广播信道和公用控制信道使用三小区系统，而话务信道使用十二小区系统。如图是12小区的系统相对与全向站，载干比有大约11dB的增益。的增益。 w麦得威的GSM智能天线系统是一个基于三小区定向站开发的系统，每个小区方向由一个宽波束（900或1200）天线和四个窄波束天线构成。窄波束天线半功率角为22.50或300，如图所示: w对一些同频信道进行了干扰强度的比较测试，结果是这些信道的干扰强度在使用智能天线后，得到了很大程度的控制。从表中可以看出

16、对其他小区同频信道的干扰减少了3.56dB。上行、下行信号的误率也降低，移动台的发射功率、场强也降低了。测试次测试次数数 测试测试频点频点 平均干扰强平均干扰强度（传统天度（传统天线线） 平均干扰强平均干扰强度（智能天度（智能天线线） 干扰降干扰降低低 第一次 同频1 -80.19 dBm -85.70 dBm 5.52 dB 同频2 -82.27 dBm -87.91 dBm 5.64 dB 第二次 同频1 -82.91 dBm -89.00 dBm 6.09 dB 同频2 -84.14 dBm -87.62 dBm 3.48 dB w智能天线不仅能提高通信质量。而且能大幅度降低基站和手机发

17、射到空间的能量，减少了生活环境中的电磁污染。7.7 软件无线电结构的智能天线w 软件无线电采用开放式结构 ,系统可自重构 ,由于同一系统可集成多种系统标准 ,因而可实现多频段多模式无线电 ,而且 ,通信领域的最新研究成果可随时通过软件的更新注入原有硬件系统 ,改善或赋予系统新的功能。其结构如图所示。为一个采用软件无线电技术的智能天线系统的结构图 ,天线接收的信号首先经过下变频器变换成基带信号 ,经 A/ D变换后送入智能处理器 ,然后在系统的控制下合成所需的波束 ,再经 D/ A变换和上变频变换 ,送入原 CDMA系统进行处理。智能天线的“智能化”w 智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益

18、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 ,智能天线的“智能化”正体现于此。室内智能天线系统w INRFX智能分布天线系统采用基站智能放大器和微蜂窝智能放大设备，通过软同轴电缆，将从微蜂窝引入的无线信号均匀分布在建筑物的每个角落，解决建筑物内的信号盲区、弱区和经常掉话的不良通信问题。如图是一个室内智能天线系统示意图。基站智能天线系统构成系统构成w 基站智能放大器（BIAM

19、）：接收和分配射频信号；控制和监督MIAM，向MIAM单元供电，提供告警信号和计算机通信接口。w 微蜂窝智能放大器（MIAM）：处理器控制；提供线路补偿增益；具有人工和自动两种运行模式。w 布线电缆：采用50欧软同轴电缆。w 天线：采用多种类型天线，如帽状、板状、鞭状天线等。智能天线的典型结构w 一般的智能天线如图所示。其原理如图所示。w 外形如图。w 具体参数为7.8 智能天线的发展w目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，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。已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。7.8.1欧洲欧洲w 欧洲通信委员会(C

20、EC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称之为TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。7.8.2日本日本 w 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。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速付氏变换(FFT)处理，形成正交波束后，分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号处理部分由10片FPGA完成，整块电路板大小为23.3cm34.0cm7.8.3 中国及其他中国及其他w A