智能天线-综述PPt

1、 智能天线智能天线一、一、基本概念基本概念 在移动通信环境条件下，复杂的地形、建筑物的结构都会对电波的传播产生影响，大量用户间的相互作用也会产生时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰等，从而会使通信质量受到影响。采用智能天线可以有效地解决这些问题。智能天线采用空分多址技术，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。图1 智能天线实验平台图2 智能天线二、二、工作原理工作原理 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，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

2、干扰信号的目的。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。 智能天线的阵元排列方式有直线型、圆环型、平面型等几种类型，其中等间距线天线阵最为常见，下面基于等间距天线阵建立智能天线的信号模型，如图3所示。图 3 等距天线阵L为等间距线天线阵的阵元个数；d为阵元间距；为信号s(t)的入射方向与天线阵法线方向的夹角第一个阵元为参考阵元)sin(1)(icdi）（ 1s(t)到达第i个阵元与到达参考阵元的时间差为：其中c为光速信号s(t)在参考阵元上的感应信号可以用复数形式表示

3、为： tfjtutx102exp 2信号s(t)在第i个阵元上的感应信号可表示为： sin) 1(2exp2exp101dijtxfjtxtxii 3为载波波长，把信号s(t)在天线阵上感应的信号用向量表示为：)()()(),(),()(1L21txtxtxtxtxT， 4其中 sin) 1(2expsin2exp1Ldjdj 5称为引导向量。考虑噪声，x(t)可表示为： tntxtx1其中Ttntntntn)(),(),()(L21， 6 7TL,21窄带传输条件下采用窄带波束形成器，记为加权向量即：阵列输出信号y(t)可表示为： txtyT 8 9 根据不同的准则选取加权向量，可使某个方向

4、上的信号得到最佳合并，而其他方向上的干扰和信号则被抑制。 窄带传输条件下采用窄带波束形成器，如图4：图4 窄带波束形成器结构图 当不满足窄带传输条件时，信号带宽比较大，信号通过天线阵时，不仅存在着相位差，振幅也发生变化。对这样的宽带信号，应该选择宽带信号处理方案，宽带波束形成器结构框图如图5所示。 和窄带波束形成器不同，宽带波束形成器中每个阵元接收到的信号都要用一个FIR滤波器进行处理，由于信号中不同的频率分量通过天线阵产生的相移不同，采用这样的结构能对相移差进行补偿，因而这种处理器具有频率选择性。宽带波束形成器同时在空域和时域对接收到的信号进行处理，这种处理方式称为空时阵列处理。图5 宽带波

5、束形成器结构n自适应天线阵列 自适应天线是一种控制反馈系统，它根据一定的准则，采用数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量，通过对接收到的信号进行加权合并，在有用信号方向上形成主波束，而在干扰方向上形成零陷，从而提高信号的输出信干噪比。三、工作方式结构n天线阵列 n下变频器n模数转换 n自适应处理器 n波束成型网络 图6 自适应天线工作原理n波束切换智能天线 利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的波束宽度也随阵元数目而确定。随着用户在小区中移动，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。用户信号并不总在固定波束中心，当用户出于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，不能实现

6、最佳接收。图7 多波束的形成原理图 一组特定的权向量w可以形成特定的波束。若要形成多个不同指向的波束，则可以采用多个不同权向量的波束形成器。图8 利用多波束形成网络的切换波束系统在120扇区内，波束形成网络预先形成了等间距的4个固定波束照射整个扇区，系统扫描每个波束，检测输出信号强度，当某个期望用户处于如图9中的位置时，波束2输出功率将最大，因此系统选择波束2对准期望用户。当用户移动到其它位置时，系统将切换到相应波束上。图9 波束切换示意图 多波束天线具有结构简单、复杂度较低、运算量小、易于实现、无须判定用户信号到达方向(DOA)的优点。 但不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差。 自适应天线阵列

7、在载干比和系统容量的改善方面都比多波束天线强。但算法一般较复杂，运算量，存储量一般较大，为了满足实时处理的要求，对硬件的处理速度和存储单元要求较高。四、智能天线算法 智能天线算法决定着暂态响应的速率和实现电路的复杂度，选择什么样的算法进行波束智能控制是非常重要的。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和自适应赋形的实现。根据这两个方向分类，有以下算法。 辨识信号到达方向，代表的算法有：n MUSIC（Multiple Signal Classification、多信号分类）算法n ESPRIT（Estimation of Signal Parameters Via Rotational

8、 Invariance Techniques、旋转不变技术信号参数估计）算法n 最大似然法。 自适应波束赋形的目的是通过自适应算法得到最佳加权系数。采用何种算法首先需要考虑自适应准则，主要有最大信噪比（SNR）、最小均方误差（MMSE）、最小方差、最大似然等 nDMI（Direct Matrix Inverse、直接抽样协方差矩阵求逆）算法 nLMS（Least Mean Square、最小均方）算法 nRLS（Recursive Least Squares、递归最小二乘）算法 nCMA（Constant Modulus Algorithm、恒模）算法五、智能天线系统特点n智能天线可以增加小区

9、覆盖距离。n智能天线可以保证小区内的有效覆盖。n智能天线可以利用多径固有的分集效应改善链路质量，减小信号的延迟扩展，进而提高数据的传输速率。n智能天线利用空分多址可以提高频谱利用效率，提高系统的容量。n增加了每个小区能同时容纳的用户数，延长移动台电池寿命n智能天线利用空分多址可以提高频谱利用效率，提高系统的容量。n智能天线可以实现手机定位。六、智能天线的应用 最初的智能天线技术主要用于雷达、声呐、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。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入，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

10、基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。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。 在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为一个最活跃的领域。 第三代移动通信中，中国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术典型的范例，它采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费等优点。七、研究简史 早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备

11、的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。 日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年，研究人员已经指出基于最小均方误差（MMSE）准则的自适应天线能够减小多径衰落，因而可以用于高速移动通信应用中。 此外，日本ATR光电通信研究所也研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。随后，ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨，最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合，在天线处实现了空间滤波。日本欧洲 欧洲通信委员会（CEC）在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称TSUNAMI。 此后，欧洲通信委员会（CEC）又在ACTS计划中继续进行了第二阶段智能天线技术研究，即TSUNAMI，旨在考察第三代移动通信中采用智能天线系统的可行性和具体优势。 其他国家 美国和中国也研制出应用于无线本地环路（WLL）的智能天线系统。该产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用，在日本进行的现场实验表明，在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高4倍。此外，ArrayComm还研制出用于GSM、PHS和无线本地环路的IntelliCell天线，该天线已经在全球多个国家投入实用。除Ar