自适应天线-第四章

1第四章自适应天线的应用

4.1

无线移动通信系统中的自适应天线

4.2智能天线(SmartAntenna)

4.3

MIMO天线技术

4.4

自适应天线在雷达中的应用2[1]龚耀寰,《自适应滤波》第11、12、13章，电子工业出版社，2003.

[2]

J.C.Liberti,T.S.Rappaport,《SmartAntennasforWirelessCommunications

》,PearsonEducation,2002。(中译本：无线通信中的智能天线，机械工业出版社)[3]刘鸣,袁超伟等《智能天线技术与应用》，机械工业出版社，2007.

[4]IEEE上相关文献资料。

References34.1.1概述4.1

无线移动通信系统中的自适应天线无线移动通信的发展进程：TD-SCDMA452G系统主要性能：6不同代的主要功能：789

双工方式

多址方式10

多径、多址信道；存在着信号衰落，时延扩展，多普勒频率扩展，共道干扰，多址干扰等问题；已采用的办法：调制解调，信道编码，均衡，普通分集联合等技术；日益成熟；但进一步解决上述问题的能力有限；自适应天线技术－智能天线：TheLastFrontier。

由于在无线移动通信频段内的频谱资源非常有限，如何在有限的可用频谱范围尽可能提高频谱利用率（每Hz带宽可能传输的比特率，bps/Hz）就成为目前无线移动通信的基本任务。无线移动通信信道的特点：1112

智能天线采用指向期望用户的定向波束，增加了有用信号功率；窄定向波束降低了主波束外的干扰；自适应波束零点指向强干扰用户；上述措施均使SINR增加，从而扩展了系统容量，提高了频谱利用率。4.1.2采用智能天线后无线通信系统的性能改善

增加信号对干扰噪音比(SINR)1.提高频谱利用率和系统容量，降低误码率及出界概率13

减轻时延扩展及多径衰落

能实现空分多址(SDMA)

传统多址技术：FDMA、TDMA、CDMA；智能天线采用多个固定波束或自适应波束对服务空间进行划分---空分多址(SDMA)；

SDMA能够在不增加所用频带的条件下用多波束创造更多信道，从而大大提高频率利用率和系统容量。

多径效应是形成时延扩展及衰落的原因，也是造成码间干扰(ISI)的主要原因；采用智能天线可以大大减轻时延扩展及多径衰落对接收信号的影响；智能天线也提供了除空间分集、极化分集之外的另一种分集---角度分集。14

减少发射功率和空间电磁干扰；增加发射效率；在同样的最大发射功率情况下，可以扩大了基站小区的覆盖范围，从而减少基站数目；减少切换率；大大降低系统对功率控制精度的要求。2.改善蜂窝通信系统功能

多发多收天线(MTMRA)，也称作多入多出(MIMO)技术；将信道编码、调制与智能天线相结合，能实现最优的分集处理；系统容量与收发最小天线数成线性关系，极大地提高频谱利用率。3.实现更完善的空间分集和MIMO15

将空间分成扇区已在传统蜂窝系统中应用。原理：将空间分成扇区，通常采用120度扇区，在蜂窝系统中用3个扇区覆盖360度。4.2

智能天线切换波束方式(SwitchedBeam)

智能天线切换波束采用更窄波束，进一步将宏扇区分成几个微扇区。当用户进入某个扇区时，切换波束系统选择一个最强波束对准该用户。4.21

智能天线的工作方式16相对于全向或120度扇区波束系统，能提供更大的SINR，更大的覆盖范围或更小的发射功率；结构简单，工程造价低；易于与现有基站系统连接；只需检测信号强度以确定所用波束，无需进行DOA(DirectionofArrival)估计。实现快速跟踪。

当用户信号在波束边缘，干扰信号在波束中央时接收效果差；不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差；不能对多径分量进行相干分集联合；扇贝现象(Scalloping)。

切换波束方式的优点

切换波束方式的缺点17自适应阵的工作方式见右图。自适应阵方式

通过指向波束提高期望用户的增益，降低噪声与干扰的影响，SINR的改善优于切换波束，从而大大增加了信道容量和频谱利用率；可在更复杂的干扰环境下工作；

自适应阵列方式的优点

能对期望用户的多径信号进行合成，利用路径分集；能够根据用户到来角度的变化不断改变波束形状，使波束主瓣对准期望用户，零点对准干扰用户；能实现动态小区，减少切换率。18

实现难度及系统造价较切换波束系统大；与现有基站结合比切换波束系统困难。

自适应阵列方式的缺点M.Chryssomallis,“Smartantennas,”IEEEAntennasPropagat.Mag.,vol.42,no.3pp.129-136,June2000.

194.2.2算法分类

根据智能天线的工作方式，可分为多波束形成算法和自适应波束形成算法；根据是否利用阵列输入数据，分为数据独立波束形成算法，最佳波束形成或自适应波束形成算法；根据参考信号形式可分为：空间参考方式：最佳加权矢量取决于需要信号及干扰信号的到来方向(DOA);

主要优点：特别适用于频分双工(FDD)系统；缺点：取决于扩散角(扩散角很大或存在相关多径时，性能会显著下降)；对通道失配误差很敏感；高分辨DOA算法一般收敛性能不好或需时较长。20时间参考方式：参考信号由训练信号或导频信号产生。如2G－GSM可用专用码训练序列，3G－UMTS可用用户专用导频。（LMS,RLS,SMI,…）优点：不需DOA；有较强鲁棒性(Robust)；可结合最佳多径从而降低衰落影响；缺点：要求精确同步，对于FDD体制不能从上行接受信息确定下行波束加权；盲处理方式：不需DOA或训练信号，但存在收敛和捕捉问题。（CMA,LS-CMA,…）

根据应用功能可分为：高灵敏度接收方式；干扰抑制方式；SDMA方式。214.2.3智能天线各种方式的应用

密集建筑、大量移动物体(大扩散角)、高业务流量、移动用户机动性小；密集多径环境；微小区；

TDMA：时间参考波束形成方式；TDD、FDD；

CDMA：基于训练信号的时间参考自适应波束形成方式；盲处理。

扩散角小、业务流量小、移动用户机动性大；宏小区；空间参考波束形成方式较为合适；切换波束方式。

市区

乡村224.24

智能天线的实验研究与发展状况

欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中的TSUNAMI智能天线实验平台工作频率：1.8G～1.9GHz；载波数：10；载波间隔：1.728MHz；峰值发射功率：250Mw；天线：8阵元贴片天线阵；多址方式：TDMA,SDMA；双工方式：TDD；实验结果：两用户四信道下，BER<1.0E-3;

当BER=1.0E-3时，相对于单天线的功率改善>10dB。23L波段，f=1.542GHz；4×4阵元组成；采用自适应恒模算法(CMA)；实验结果：当需要信号由0,3入射，干扰信号由4,20

入射时，自适应干扰置零使SINR改善9.6dB；当需要信号由4,25

入射，干扰信号由8,60

入射时，SINR改善18.5dB。

日本移动通信DBF实验系统

其他实验系统或产品

美国AT&T的智能天线实验平台；美国ArrayComm公司的用于GSM、PHS的Intellicell；

Metaware公司的用于TDMA和CDMA的Smartcell；瑞典Ericsson的用于GSM的RBS2206；国内众多研究机构、公司（TD-SCDMA）；

…244.3

MIMO天线技术ReferencesD.Gesbert,M.Shafi,etal,“Fromtheorytopractice:anoverviewofMIMOspace-timecodedwirelesssystems,”IEEEJ.SelectedAreasinCommun.,2003,21(3):281-302.A.Hottinen,O.Tirkkonen,andR.Wichman,Multi-antennatransceivertechniquesfor3Gandbeyond,JohnWiley,2003.黄韬，袁超伟等,《MIMO相关技术与应用》,机械工业出版社，2007。李忻,<新一代无线通信系统中的MIMO信道建模与多天线设计研究>，电子科技大学博士学位论文,2005。伍裕江,<MIMO无线通信中的终端多天线>，电子科技大学博士学位论文,2007。254.3.1MIMO概念

无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，又称为多发多收天线(MTMRA)技术。特点：能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

起源于20世纪70年代；

1995年，BellLab.的E.Teladar给出MIMO的高斯信道容量；

1996年，BellLab.的G.J.Foschini给出一种MIMO算法－－D-BLAST算法；

1998年，V.Tarokh讨论了用于MIMO的空时码；

1998年，P.W.Wolniansky等采用V-BLAST算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bps/Hz以上的频谱利用率。

发展历史26

普通的多天线技术用于实现分集以对抗衰落，不同天线发射载有同样信息的信号。例如1个发射天线，M个接收天线，则发射信号通过M个通道到达接收机，最大分集增益为M；多径衰落被视作有害因素，发射或接收分集目的在于对抗多径衰落。

基本原理

而在MIMO技术中，多径可以作为一个有利因素加以利用。若发射、接收天线间的通道衰落是独立的，则MIMO系统可创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，以提高数据率。27

信道容量：SISO(单入单出)：传统无线通信，信道容量为：其中C为香农(Shannon)容量;ρ为接收天线的SNR;h为规一化信道复增益。MIMO系统原理框图：28

信道容量(续)：MISO(多入单出)：在发端采用N×1的SmartAntenna，信道容量为：SIMO(单入多出)：在收端采用N×1的SmartAntenna，信道容量为：MIMO(多入多出)：信道容量为：当天线数目较多时，因此C

随天线数目线性增长。N为发射天线数目，M为接受天线数目，H为M×N的通道矩阵。294.3.2MIMO在3G和后3G无线系统中的应用

空时网格码；空时分组码；

BellLab.的BLASTMIMO算法。

编码30

SpaceDiversityAntenna[1]

Y.Ebine,andY.Yamada,“AVehicular-MountedVerticalSpaceDiversityAntennaforaLandMobileRadio,”,IEEETrans.VehicularTech.,May1991,40(2):420-425.MIMO天线31[2]

F.DemmerleandW.Wiesbeck,Abiconicalmultibeamantennaforspace-divisionmultipleaccess,IEEETrans.AntennasandPropagation,June1998,46(6):782-787.UsedforAnglediversity(patterndiversity)toseparatesignalsfromdifferentDOA.

AngleDiversityAntenna32C.Waldschmidt,andW.Wiesbeck,“CompactWide-BandMultimodeAntennasforMIMOandDiversity,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.52,no.8,pp.1963-1969,Aug.2004.

PolarizationDiversityAntenna33MIMOPlatforminUESTC硬件实现部分软件实现部分信源比特流数据获取QPSK星座映射空时编码组帧处理同步头、信道估计序列等脉冲成型中频载波调制数字频率合成上变频及射频接口TransmitterSystem34软件实现部分硬件实现部分射频接口及下变频中频正交解调幅相误差校正基带过采样本振基带频差预补偿匹配滤波符号同步及帧同步启动帧检测数据帧分离信道参数估计空时解码QPSK逆映射比特流数据转换信宿ReceiverSystem353122136

天线问题：

天线数目(M,N)以及阵元间距为关键参数，当阵元间距增大时，相关性下降，信道容量增大（BER下降），但天线阵尺寸增大；接收复杂度：额外RF，硬件，软件，及其复杂的接收分离算法；系统集成；

MIMO信道模拟。

尚需进一步研究的问题374.3.3MIMO研究近况MIMO系统理论及性能研究，目前有较多文献。

MIMO实验研究：BellLab.的BLAST系统：f0=1.9GHz，

N=8，M=12，在室内达到25.9bps/Hz的频谱效率。

/project/blast/BYU(BrighamYoungUniv):MIMO实验平台，大量信道测试；/~jensen/欧盟ISTMETRA等项目：/metra/国内：电子科技大学，东南大学,北邮，清华等高校；中兴、华为等也积极进行MIMO研究与现场测试，并提出了多种编码算法与信道模型，研制出多种MIMO天线；中国科技部于2001年启动了未来通用无线通信技术研究规划FuTURE(FutureTechnologiesforUniversalRadioEnvironment).38

LTE是LongTermEvolution的缩写，全称应为3GPPLongTermEvolution，中文一般翻译为3GPP长期演进技术，为第三代合作伙伴计划（3GPP）标准;

使用“正交频分复用”（OFDM）的射频接收技术；2×2和4×4MIMO分集天线技术;

支持FDD和TDD；每一个5MHz的蜂窝内，至少能容纳200个动态使用者。用户面单向传输时延低于5ms，控制面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms。2010年12月6日国际电信联盟把LTE正式称为4G；LTE-4G39传统的3G技术是指同一无线网络提供语音和数据通讯；4G时代则变成为全数据网络；LTE最高下载速率可达100Mbps与上传50Mbps以上；LTE与WiMAX，以及3GPP2的超行动宽带（UltraMobileBroadband，UMB）技术一起被称为4G；区别在于WiMAX是来自IP的技术，而LTE是从GSM／UMTS的移动技术衍生而来，二者都采用了OFDM传输，也都采用了Viterbi和Turbo加速器。40MassiveMIMO-5G大规模多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，MIMO)系统通过增加基站天线数目;大规模MIMO技术指基站天线数目庞大，而用户终端采用单天线接收的通信方式，可作为目前移动通信系统的一种平滑的过渡方式;即不必大面积更新用户的终端设备，通过对基站的改造，提高系统的频谱利用率；由Marzetta等首先在2006年提出。MARZETTATL．HowMuchTrainingisRequiredforMultiuserMimo［C］//IEEE．Signals，SystemsandComputers，2006，ACSSC'06，FortiethAsilomarConferencen．Monterey，California:IEEEPress，2006:359-363．41

DBF的工作过程及其特点4.5

自适应天线在雷达中的应用4.5.1自适应数字波束形成(DBF)特点：自适应天线+数字信号处理设有一平面波 从p方向入射到间距为d的直线阵上，各单元接受的窄带模拟信号为：原理框图见下页。42模拟信号在接收机模块中被放大，再由下变频变换到基带，然后利用正交相位检波(I,Q),由(I,Q)通道分别输出复视频信号的实部和虚部：在A/D变换器中，在tn时刻抽样，数字化，得到数字接受信号：在数字波束形成器中乘以自适应的复加权Wn43得到的输出相加得到天线的响应为：优点：改善自适应的方向图调零；能产生密集多波束；方便于阵列单元方向图的校准；可获得超分辨率；灵活的雷达功率和时间管理；适合于多站点工作。44

DBF的实现方案接收模块示意图：采用高数据率的A/D变换器(100M~200M)数字波束形成器是DBF雷达进行工作的心脏，主要完成两