智能天线在移动通信中的应用概要

1、智能天线在移动通信中的应用摘 要：介绍了移动通信中关键技术之一的智能天线技术，并就它 的结构、算法以及在第三代移动通信中的应用进行了较全面的阐述。关键词：移动通信；智能天线；天线阵列；自适应算法Abstract：Smartantennaisoneofthekeytechnologiesof mobilecommunications.Itdescribesthetechnologyandfocusonitsarchiteceture，commua nilcgo atrithm ion.andapplicationto3GmobilKeywords： Mobile communications S

2、mart antenna Array Self-adapting algorithm0前百随着移动通信的发展，人们不仅从时域和频域的角度来探讨提高移动通信 系统数量和质量的各种手段，而且进一步研究信号在空域的处理方法。智能天 线技术就是典型的代表。智能天线技术起源于20世纪40年代的自适应天线组合技术，在当时采用 了锁相环技术进行天线的跟踪。1965年,Howells提出了自适应陷波的 旁瓣对消器技术用于阵列信号处理，之后，又陆续出现了等一系列技术，后 来,Gabriel将自适应波束形成技术上升到“智能阵列”概念。早在 1978年，智能天线就在军事通信中得到了应用，进入20世纪90年代后，才在

3、 民用移动通信系统中开始研究应用。该项技术主要应用于以下方面：a）信号源定位，确定天线阵列到信号源的方位角；b）信号源分离，确定各个信号源发射信号的波形；c）信道估计，确定信号源与天线阵列间传输信道的参数。1智能天线的组成智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的目 的。它主要包括天线阵列部分、模数转换、波束形成网络以及自适应信号处 理，其结构框图如图1所示。1天线阵列部分天线阵列即在空间分开设置一系列天线阵元，并将各阵元接收到的信号作 加权处理，通过改变阵列的权值。可使波束形状发生改变。天线阵列相当于在 空域对空间信号做离散采样，如同时域中自适应滤波器处理方法一样，也进行

4、 诸如滤波、分离及参数估计等。通过信号处理，可使阵列在有效信号方向上产 生的波束得到加强，而在干扰信号方向上产生“陷点”(Null )，从而提 高系统容量、降低系统干扰、扩大系统覆盖范围。图2给出了示意图。1. 2波束形成网络智能天线所形成的波束可实现空间滤波的作用，它对期望信号方向具有高 增益，而对不希望的干扰信号实现陷波作用。智能天线波束成形的基本方法 是：通过将各天线单元输出信号进行加权求和，将天线阵列波束指向到一个方 向，使期望的信号得到最大的输出。理想情况下天线单元的加权值如下：式中：M 与相关阵最大特征根有关的比例常数R 输入信号相关矩阵a(0 ) 方向矢量1. 2自适应信号处理自

5、适应信号处理是智能天线智能体现的一个重要方面，它以自适应算法为 核心，动态地调整最优加权系数。2常用智能算法及其性能比较自适应算法是智能天线的核心，目前国际上已提出许多算法，归纳起来主 要分为盲算法和非盲算法。所谓盲算法是指发送端不需发送导频信号，训练序列等，接收端可自行估 计发送信号，并以此作为参考信号进行接收端的信号处理。盲算法一般是利用 调制信号本身固有的一些特征来进行接收处理，这些特征有循环平稳、子空间 法等。非盲算法需要参考信号，利用这些参考信号实现自适应算法。如在3G中 就有专门发送导频信道的信号。应该说非盲算法相对盲算法而言误差较小，收敛速度较快，但它需要额外 的参考信息，而盲算

6、法的优缺点正好相反。现在又有人提出将非盲算法和盲算 法相结合的半盲算法，即先利用非盲算法确定初始值，再利用盲算法进行跟踪 与调整，这样就可以结合两者的优点更好地进行信号处理。3智能天线在3G中的应用智能天线技术在3G中的应用主要体现在2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

7、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，在理论上只是准最优的。实现基站智能天线下行发难度相对较大，这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：a）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；b）利用上行信道信息估计下行信道。对于FDD方式，由于上下行频率间隔相差90 MHz，衰落特性完全独 立因而不能使用。但对TDD方式，只要上下行的帧长较短完全可以实现。4智能天线的优点a）动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户，能起到空间隔 离、消除干扰的作用，动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天 线；b）增加系统容量;C)增加覆盖范围，改善建筑物中的和高速运动时的信号接收质量;提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量；减少发射功率，延长移