智能天线技术

现代通信技术进展第六讲：智能天线一、概述:天线的分类

全向天线

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

定向天线

定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。一、天线的分类机械天线

所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。电调天线

所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。对称振子天线方向性天线方向性增强波瓣宽度栅状抛物面天线八木定向天线室内吸顶天线与室内壁挂天线二、概述随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起人们极大关注。二、概述如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。近年来智能天线成为移动通信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量。如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。自适应天线阵列同频干扰现代蜂窝通讯为了提高频率使用效率,使用了各种频率复用技术,这也带来了同频干扰的问题。对特定用户发出的有用信号,对这个小区或者其它小区中采用相同频率的用户来说,形成了很强的干扰,限制了用户数量的增加。相对于传统基站天线,扇区天线系统通过减小总发射功率的方法使这个问题得到了一定程度的改善;而智能天线系统不但可以通过指向预定用户,而且可以通过产生方向图零点来对准干扰来源方向的方法,减小同频干扰。小区内的频率复用互调干扰的形成

在双向无线电通信拥挤的区域里，当两个或更多个信号加到非线性器件中时，产生了互调干扰分量，发射机和接收机都能产生这些干扰分量。这些分量出现在不同的频率上，而且能在另一些信道上引起干扰。如果干扰和有用信号差不多大小或比有用信号大，则有用信号就受到严重的干扰。如果干扰比有用的信号弱，只在没有信号时，干扰才能被听到。两个或更多个发射机互相靠得很近时，每个发射机与其他发射机之间通常通过天线系统耦合，从每个发射机来的辐射信号进入其他发射机的末级放大器和传输系统，于是就形成了互调。而这些产物落到末级放大器的通带内并被辐射出去，这种辐射可能落在除了已指配的发射机频率之外的那些信道上。

互调干扰的形成何谓智能天线？

智能天线原名自适应天线阵列（AAA，AdaptiveAntennaArray）。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空间滤波和定位。近年来，随着移动通信的发展以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，智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。智能天线的特点（1）扩大系统的覆盖区域；（2）增加系统容量；（3）提高频谱利用效率；（4）降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。等间距线天线阵M元智能天线阵结构图智能天线的分类人们在习惯上还是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，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开关波束天线方向图自适应天线阵接收机自适应天线阵方向图自适应天线阵方向图波束形成步骤步骤：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抑制。智能天线的优点智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术（switchedbeamtechnology）和自适应空间数字处理技术（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），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干扰信号的目的。覆盖范围的比较新建系统投资比较智能天线在移动通信中的功能

（1）抗衰落在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。如果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，减小信号衰落的影响。（2）抗干扰用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比，用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。智能天线通过主波束指向指定的用户可以降低同频干扰、提高通话质量、减小频率复用距离。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。（3）增加系统容量采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线，由于天线波束变窄，提高了天线增益及C／I指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。4）实现移动台定位

目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。智能天线是一种天线和传播环境与用户和基台的最佳空间匹配通信为什么要用智能天线智能天线适用于维持一条与用户的“虚拟”路径，这种信号处理方式使得在高干扰的情形下也能维持这种联结．常规的方法把信号向所有的方向发射，导致在相邻基站信号质量下降．极大限制了用户的数量．移动通信基站中的智能天线三、空分信道和智能天线智能天线是一个天线阵列，如图所示。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分为：智能天线方框图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，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一个10年主要集中在自适应波束控制上。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。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。智能天线的增益如图是一个8元圆形自适应阵列对1用户(实心矩形)、10干扰用户(空心矩形)通信环境的等效方向图。由图可见，系统在干扰方向形成凹点，并在所需信号方向形成峰值。通常自适应算法在无干扰信号的其它角度上也可能出现峰值。也有等旁瓣的智能天线。时空信号联合处理技术智能天线实际上是一种空间信号处理技术。如果它和时间信号处理技术相结合，就是时空信号联合处理。在时间信号处理方面，如均衡技术，时、频域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到广泛应用。把两种信号处理技术结合起来产生一种称之为两维或三维RAKE接收。如图给出了一个用于DSCDMA系统的时空域联合处理系统结构框图。它除了有智能天线部分，还有多用户联合检测部分。在多用户联合检测部分，如我们需要先得到用户0的信号。Demi和Modi(i＝1,2,…,M)分别将来自第i个用户的扩频干扰解调后重新扩频，自适应数字滤波器ADFi用来识别包括无线信道和天线阵列的参数，以产生对干扰的复制。从智能天线输出端的信号y(k)中减去干扰信号，得到的u(k)经过自适应滤波器ADF0得到用户0的信号。再通过Dem0解调后得到基带信息，把它重新扩频、调制再与ADF0的输出相减，就得到了用于控制ADFi（i＝0,1,…,M）的误差信号。四、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的增益。

麦得威的GSM智能天线系统是一个基于三小区定向站开发的系统，每个小区方向由一个宽波束（900或1200）天线和四个窄波束天线构成。窄波束天线半功率角为22.50或300，如图所示:

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3.5~6dB。上行、下行信号的误率也降低，移动台的发射功率、场强也降低了。测试次数

测试频点

平均干扰强度（传统天线）

平均干扰强度（智能天线）

干扰降低

第一次

同频1-80.19dBm

-85.70dBm

5.52dB

同频2

-82.27dBm

-87.91dBm

5.64dB

第二次

同频1-82.91dBm

-89.00dBm

6.09dB

同频2

-84.14dBm

-87.62dBm

3.48dB

智能天线不仅能提高通信质量。而且能大幅度降低基站和手机发射到空间的能量，减少了生活环境中的电磁污染。五、软件无线电结构的智能天线软件无线电采用开放式结构,系统可自重构,由于同一系统可集成多种系统标准,因而可实现多频段多模式无线电,而且,通信领域的最新研究成果可随时通过软件的更新注入原有硬件系统,改善或赋予系统新的功能。其结构如图所示。为一个采用软件无线电技术的智能天线系统的结构图,天线接收的信号首先经过下变频器变换成基带信号,经A/D变换后送入智能处理器,然后在系统的控制下合成所需的波束,再经D/A变换和上变频变换,送入原CDMA系统进行处理。智能天线的“智能化”智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向,事实上,在随机多径信道上,移动用户的物理方向是难以确定的,特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时,用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化,智能天线的“智能化”正体现于此。六、室内智能天线系统INRFX智能分布天线系统采用基站智能放大器和微蜂窝智能放大设备，通过软同轴电缆，将从微蜂窝引入的无线信号均匀分布在建筑物的每个角落，解决建筑物内的信号盲区、弱区和经常掉话的不良通信问题。如图是一个室内智能天线系统示意图。基站智能天线系统构成基站智能放大器（BIAM）：接收和分配射频信号；控制和监督MIAM，向MIAM单元供电，提供告警信号和计算机通信接口。微蜂窝智能放大器（MIAM）：处理器控制；提供线路补偿增益；具有人工和自动两种运行模式。布线电缆：采用50欧软同轴电缆。天线：采用多种类型天线，如帽状、板状、鞭状天线等。七、智能天线的典型结构一般的智能天线如图所示。其原理如图所示。外形如图。具体参数为七、智能天线的发展目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用。已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。7.1欧洲欧洲通信委员会(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称之为TSUNAMI(T