智能天线综述报告

智能天线综述报告一、 引言随着全球通信业务的迅速发展，无线移动通信技术将越来越引起人们的极大关注。但是移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间干扰ISI(Inter-SymbolInterference)，以及由于通信系统中频率复用引入的同信道十扰(CCI，Co-channelinterference)、CDMA系统中的MAI(MultipleAccessInterference)等都会使链路性能、系统容量下降。早期的移动通信中，运营商为了降低投资成本，总是希望用较少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS(基站收发信设备)之前可能有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，可以采用增加移动台的发射功率或者基站天线的接收增益的办法，事实上由于移动台的发射功率是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言采用智能天线技术可以实现较大增益，且其方法比用单天线容易。移动通信发展到现在，人们对通信容量的需求与日俱增，为了扩大系统容量，支持更多用户，通常采用的是小区分裂或者扇区化的方法来降低频率复用因子，提高频率的利用率，但是随之而来的是干扰的增加。原来借助路径损耗有效降低的CCI和MAI却较大比例的增加了。而利用智能天线技术，可以充分利用有用信号和干扰信号在空间方位上的差异，选择恰当的合并权值，形成最优的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣或者零陷对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，同时支持更多的用户。智能天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、降低基站发射功率、节省系统成本、提高数据传输速率、提高系统容量、提高频谱效率、减少信号间干扰与电磁环境污染等。二、 智能天线的发展历史智能天线技术诞生于20世纪80年代末，但在这之前，有关应用阵列天线改善无线电系统性能的努力是伴随着无线电的发明而开始的。众所周知，天线最重要的特性之一是辐射特性。在实际情况下，常常要求将天线辐射能量集中在需要的方向上，这样一方面可提高有效覆盖距离，减少不必要的功率浪费，另一方面，也可减少对其他方向的电磁污染和干扰。研究发现，通过对多个单元组成的阵列天线馈电输出信号进行幅度和相位加权后合成输出，能够在理论上“综合”出符合上述要求的阵列方向图。这种阵列方向图综合的理论于20世纪50年代发展成熟，其典型代表有Dolph-Chebyshev,Talor等方法,其特点是在给定的副瓣电平和其他约束条件下，可方便地求得符合这种方向图特性要求的阵列各单元激励加权系数。通过模拟电路，这种原理在雷达、电子对抗等军事领域首先得到了成功的应用。自适应波束形成理论是阵列天线技术的又一次重大发展。其特点是阵列天线的输出方向图可以根据不同的环境改变，以达到某种性能最优的标准，例如在十扰方向形成零陷以达到抑制干扰性能最优特性等，其典型代表有Howells自适应零陷对消、Widrow最小均方自适应波束形成、Capon恒定增益指向最小方差等波束形成方法。1964年和1976年IEEE-AP汇刊标志着自适应波束形成理论的成熟，并成为智能天线的重要理论基础之一。20世纪80年代，两项重大的进展促成了智能天线新学科的产生。一项是以O.Schmidt有关多重信号分类方法(MUSIC)、R.Roy和T.Kailath有关旋转不变方法(ESPRIT)为代表的新型到达波方位估计算法，这些算法能够在多个同时同频信号环境中给出每一个信号源的来波方向。另一项是数字技术的革命，使得波束形成能够在数字域进行。前一项发现为同时大量用户复用频率资源提供了理论基础，后一项则证明了智能天线有了物理上可实现的基础。20世纪90年代，智能天线技术得到了进一步的发展并付诸应用。在算法理论上相继提出了如恒模自适应算法、盲信号分离算法、基于有限字母的期望极大(EM)算法等新的阵列信号处理方法，提出了有关智能天线的理论的固定波束和自适应波束等算法技术方案。在软件无线电体系架构的基础上研制了多个试验平台，开展了性能验证和评估工作。在这些工作的基础上，针对现有的PHS、GSM系统研发成功智能天线基站，并已投入商业运营，智能天线技术已经纳入到新一代3G移动通信TD-SCDMA国际标准中。目前，有关多输入多输出(MIMO)的理论进一步充实和发展了智能天线技术的内涵，提出了以空时编码为核心的空时自适应处理新技术，这种技术可有效地利用空间分集和空间复用原理解决多径衰落问题并获得极高的信道容量和频谱利用率。在未来的移动通信和宽带自适应AdHoc网络的研究中，智能天线都是作为其中的关键技术得到广泛的重视。可以预计，日益成熟的智能天线技术将会在未来无线系统设计中发挥重要的作用。三、智能天线的原理与实现技术智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列，利用数字信号处理技术，产生空间定向波束,使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户信号，并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线可分为两大类：多波束天线(或称波束切换智能天线)和自适应天线。多波束天线是利用多个并行波束覆盖整个用户区，在这类智能天线中，天线系统能形成多少个空间波束事先就已经确定，且每个波束的指向是固定的，波束的宽度也随天线元数目而确定。当智能天线服务于某个用户时，系统自动从这几个有限的波束中选择一个或几个的组合来服务于该用户。用户有可能虽处在所选波束的作用范围，但并不一定在波束中心（最大方向），当用户位于波束边缘及十扰信号位于波束中央时，接收效果最差，因此多波束天线不能实现信号最佳接收。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应阵天线是根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道，并且能使用户始终得到波束的最大指向，此类天线能形成无限多个波束。当用户移动时，波束也能作自适应改变，可等同于信号有线传输的线缆，从而有效地克服了对系统的干扰影响。显然，这种类型的智能天线性能最佳，但它结构复杂，同时要求系统实时性要好。智能天线由天线阵列、模/数或数/模转换、自适应处理、波束形成网络等4部分组成。智能天线采用数字波束形成（DBF）方式，用软件完成自适应算法的更新，或采用数模结合的处理方法，在不改变系统硬件配置前提下，既保证处理精度，又保证处理速度和灵活性。智能天线的波束形成算法，主要有盲算法、非盲算法和半盲算法三种。非盲算法需要参考信号，因此需要占用一定的频谱，从而导致频谱的有效利用率降低；盲算法不需要任何先验信息，但收敛性和捕获能力方面尚有许多不足；半盲算法是二者的折中。四、智能天线的应用现状及问题讨论智能天线技术已经在民用和军事两方面得到了广泛的应用。在民用方面，受巨大的商业利益驱使，国内外已经开发了数十种有关移动通信业务的试验平台，用于检验各种智能天线技术的性能，有关工程化的智能天线应用系统也应运而生，并向宽带自适应网络等方向发展。如TSUNAMI智能天线和TD-SCDMA智能天线等。虽然智能天线展现了诸多优点，但是智能天线为了实现其改善系统性能的目标，必须在动态环境下对许多时变参数进行估计和最优化，诸如动态切换、动态信道分配、覆盖一簇移动信号的波束动态成形。同道干扰动态零陷，以及为形成波束而获取的先验知识都需要复杂的控制结构，并且这些系统参数的更新耗费的时间也是必须考虑的问题。例如，系统要求实时更新处于快速移动中的移动信号的位置信息，而响应时间却受到方向角估计，跟踪方案以及收敛至满意水平的波束形成算法所需时间的限制。尽管可以通过算法的并行来实现增强信号处理能力，但同时也增加了成本。目前，智能天线已经发展成为无线系统的一支综合技术门类，有着众多的分支和方法，根据不同的情况，如果这些方法在宽带无线通信、导航、雷达、电子对抗、声纳等广泛的领域获得灵活的应用，则会极大地促进相应领域的发展，从这个角度来看，发展智能天线具有重大的意义和实用价值。五、结束语天线作为移动通信的重要组成部分，在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。在无线电通信领域，智能天线有着诱人的前景。智能天线的优越性在于其可以分析到达天线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会，提高频率的利用率，改善系统性能。智能天线体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能天线，还需要许多问题有待研究解决。从目前的情况看来，智能天线正逐步应用在固定无线接入系统中，以适应用户固定而无线传播环境不断变化的情况。随着无线电技术的发展，智能天线技术的改善，通信容量将成倍增加，通信质量大大提高。参考文献[1]詹毅，程强，王文勇.智能天线技术及应用研究评述[J].中国电子科学研究院学报,2007,