智能天线技术1

1、智能天线技术 目录 智能天线技术基本概念 智能天线技术的基本原理 智能天线的用途 智能无线技术的分类 智能天线对无线网络性能及电磁辐射的改善 TD智能天线的四大趋势智能天线技术基本概念 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。但是由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。栅状抛物面天线八木定向天线基站天线

2、它是为了扩频通信系统而设计的它是由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，它的特点是有很好的方向性基站天线设置需要重点考虑下倾角、方向角、天线挂高、天线分集距离和隔离距离等参数。手机天线车载卫星天线它是配合GPS定位仪和RSSI信号强度分析设备，实现高速移动中变向搜索信号的功能，内置多个控制电机。同时可收看国内外超过300个频道，和更多电影电视频道的电视节目。我们打电话、发短信、玩网络游戏、转微博都是通过天线模块实现的。智能天线技术的基本原理 智能天线采用空分多址技术(SCDMA),利用信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,最大限度地利用有限的信道资源。无

3、线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。智能天线技术的基本原理 右图描述了一个具有智能天线、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框图。和传统的没有智能天线的基站比较, 他在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分, 而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。必须说明的是, 这一组收发信机将使用同一个本振源, 以保证此组收发信机是相干工作的。智能天线技术的基本原理 人们在习惯上还将智能天线系统分为两类，开关波束和自适应阵列系统。开关波束具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，其天线系统可形成多个固定的波束，在特定的方向上提高灵敏度。它从几个预定义的、固定波束中选择其一，

4、检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。自适应天线具有无限数目的、随时间调整的方向图，该技术是目前最先进的智能天线方法，它采用多种较新的信号处理算法，可以有效地跟踪、锁定各种类型的信号，动态抑制其干扰到最小，而所希望的信号最大。 开关波束天线接收机波束切换系统原理图开关波束天线方向图波束形成步骤首先，估计所有多径分量的入射角；其次，确定某一方向的信号为有用信号还是干扰信号，当然这需要有用户识别信号；第三，计算出天线加权值，形成特定的波束，得到最优化的信号噪声干扰信号比。该波束自适应波束形成需三个能够最大限度地放大有效信号，同时以零陷对准干扰信号，使干扰信号在理论上被完全地

5、抑制。智能天线的用途 智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位。抗衰落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，减少信号衰落的影响。智能天线还可以用于分集，减少衰落。抗干扰高增益、窄波束智能天线阵用于WCDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。增加系统容量为了满足移动 通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。实现移动台定位目前蜂窝移动通信系

6、统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。智能无线技术的分类 智能天线是一个天线阵列，它由N个天线单元组成。每个天线单元有M套加权器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N。根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：自适应方向图智能天线 采用自适应算法，其方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感

7、，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。自适应天线阵接收机自适应天线阵方向图自适应天线的发展 自适应天线已有30多年，大体上可以分成三个发展阶段 第二个10年主要集中在自适应零点控制上。 第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。 第一个10年主要集中在自适应波束控制上。自适应算法最小均方误差(LMS)准则最小二乘(LS)准则最大信噪比准则统计检测准则最优准则自适应算法是采用基于梯度的算法，其中最小均方误差算法（即LMS算法）尤为常用。自适应算法可以用

8、硬件(处理电路)或软件（程序控制）两种办法实现。前者依据算法的数学模型设计电路，后者则将算法的数学模型编制成程序并用计算机实现。固定形状方向图智能天线 固定形状方向图智能天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。智能天线对无线网络性能及电磁辐射的改善 对无线干扰的控制一直是移动通信运营商关注的

9、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 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 B的增益。的增益。 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

10、，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 平均干扰强度平均干扰强度（传统天线）（传统天线） 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 TD智能天线的四大趋势 趋势一：与MIMO技术相结合MIMO技术是4G中的一项关键技术，可以大大增加无线通信系统的容量，并有效

11、改善无线通信系统的性能，非常适合未来移动通信系统中对高速率业务的要求。智能天线和MIMO都属于多天线系统中的技术，两者既有共性又有显著区别：智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术；而MIMO是在无线链路两端都使用多元天线阵列，将发送分集和接收分集结合起来的技术。智能天线的原理是利用到达天线阵的信号之间完全相关性形成天线方向图，利用信号的相位关系克服多径干扰，实现信号的定向发送和接收；而在MIMO中天线收发信号是全方位的，并且到达天线阵的信号必须相互独立，用多个天线接收信号来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。智能天线技术可以形成能量集中的波束，增强有用信号并

12、降低干扰，而MIMO技术可以充分利用多径信息来提高系统容量。如果将两者结合起来，充分利用两种技术带来的增益，将给系统性能和容量带来极大的提升。因此，充分结合MIMO技术和智能天线技术的优点，进一步开发空域资源，使得通信终端能在更高的移动速度下实现可靠传输，则成为智能天线未来发展的必然趋势之一。TD智能天线的四大趋势 趋势二：一体化智能天线目前，现网使用的双极化智能天线都需要通过9条上跳线额外连接RRU设备，其中8条连接天线射频通道，1条是智能天线校准线。这种智能天线和RRU分体通过电缆连接的方式有着一些不可避免的缺点，如：9条上跳线均需要做好接头防水处理，电大量防水接头施工给工程带来极大的不便

13、，使得安装困难的同时还降低了设备的稳定性；天线和RRU设备之间的线缆连接也使得基站室外美观性大大降低，站点选择及协调困难，周围居民抵触情绪较高；分别安装RRU和天线，耗费工时，安装复杂；8个天线端口需要有很好的幅度和相位一致性，以便在智能天线的方向图合成中以及校准中获得准确的结果。在实际应用中，9根上跳线的幅相一致性以及长期户外应用中的稳定性和可靠性都将难以保证等。一体化智能天线是将天线与RRU整合为一体的智能天线，此类天线是在普通双极化天线的基础上，外部结构做相应调整完成的，在电气性能，电性能测试等方面，与普通双极化天线一致。考虑到室外F、E频段的引入，一体化智能天线必将登上TD-SCDMA

14、网络建设的舞台，成为智能天线发展的重要趋势之一。TD智能天线的四大趋势 趋势三：电调智能天线目前，现网采用的智能天线均采用预置下倾和机械下倾相结合的方式来调整天线的下倾角。虽然这种方式也能满足覆盖要求，但在工程应用中也暴露了一些机械调下倾角无法克服的缺点，如：调整下倾角困难，在网络优化的工程中，需要耗费大量的人力资源，调节效率低；由于采用机械下倾，站点在进行隐蔽工程时，隐蔽外罩需要预留较大的下倾角调节空间，造成隐蔽工程体积庞大；在大角度下倾时水平面覆盖产生畸变，且伴随交叉极化和主极化特性变差、水平面前后比与无下倾时趋势不一致等。正是由于常规智能天线存在这些不可克服的缺点，电调智能天线的开发与应

15、用将必然成为未来TD-SCDMA智能天线发展的重要趋势之一。电调智能天线有以下优点：可实现波束下倾角的连续动态调整，网络优化动态实时调整时不需要闭站，可以及时平衡覆盖、容量、干扰等多方面的矛盾；在结构上垂直安装，无需考虑下倾预留空间，安装件简单可靠，且便于美化；监控数据库保存各站址天线波束的调整数据和历史数据，便于结合远程监控分析和优化网络覆盖。 趋势四：介质智能天线对于基站天线来说，小型化天线有着不可比拟的优势：不仅可以降低机械承载，方便天线的安装，而且可以节省宝贵的天面资源，为多系统的天线共站提供了更加便利的条件，此外，也非常有利于天线美化和隐蔽工程。虽然目前的双极化智能天线尺寸已比最初的智能天线尺寸减少了一半左右，但还不能称之为小型化天线，小尺寸智能天线的研发和应用仍是智能天线未来的发展方向之一。由于电磁波在不同的介质传播特性有所不同，介质的存在就会影响电磁波的传播，利用这个特性，采用低损耗高频介质作为填充材料，结合适当的天线结构，在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下，介质谐振器可以作为天线来使用。介质天线的一大优点就是在不改变天线性能的情况下，可以将天线的尺寸大幅度降低。介质智能天线就是将介质天线和智能天线相结合而制造出来的几何尺寸较小的智能天线。TD-SCDMA系统使用的智