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类型

  智能天线可以分为两种类型:交换波束天线和适应阵列。

交换波束

  交换波束使用许多窄波束天线,每个指向一个微有不同的方向,以此覆盖整个120度扇区。当扇区内的移动用户移动时,系统内的智能天线从一个天线变换到另一个天线。

适应阵列

  适应阵列使用一个阵列天线和成熟的数字信号处理来从一个位置到下一个位置转换天线束。

发展历程

  90年代以来,阵列处理技术引入移动通信领域,很快形成了一个新的研
究热点-智能天线(SmartAntennas)?智能天线应用广泛,它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面,都具有独特的优点。

  最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信,用来完成空间滤波和定位等。近年来,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。此外,随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高,要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现,智能天线可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DOA(directionofarrinal),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。同时,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。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域,属于空分多址(SDMA)体制。

技术分类

综述

  智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术?switched beamtechnology)和自适应空间数字处理技术(adaptive spatial digital proc
essingtechnology),或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号,来自窄波束以外的信号被抑制。但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,充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。

波束转换天线

  波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图,通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号,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。在特定的方向上提高灵敏度,从而提高通信容量和质量。

  为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话,要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户,特别地,在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。

  每个波束的方向是固定的,并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户,基站选择不同的对应波束,使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心,当使用者是在波束边缘,干扰信号在波束的中央,接收效果最差。因此,与自适应天线阵比较,波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真,波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向(DOA) 的优势。主要用于模拟通信系统。

自适应天线阵

  融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度,因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术(spatialprocessing technology)可以增强信号能力,使多个用户共同使用一个信道。自适应天线阵结构框图如图1所示。

  T0是相邻的抽头之间的延迟,Wn.m是n天线第m个抽头因子。每个天
线后接一个延时抽头加权网,可自适应的调整加权系数。这样一来同时具有时域和空域处理能力。

  自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统,它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图,使它在干扰方向形成零陷,将干扰信号抵消,而且可以使有用信号得到加强,从而达到抗干扰的目的。

  由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并,取得最佳的信噪比系数。采用M个阵元自适应天线,理论上,自适应天线阵的价值是能产生(M-1)倍天线放大,可带来10lgM的SNR改善,消除扇形失真的影响,并且它的(M-1)倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求,移动台的发射功率可减小10lgM。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池,也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言,总功率被分配到M个阵元,又由于采用DBF?DigitalBeam-Forming 可以使所需总功率下降,因此,每个阵元通道的发射功率大大降低,进而可使用低功率器件。

  采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线,然后送入智能处理器,则可以对多径信号进行最佳接收,减少多径干扰的影响,从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高,降低了系统的误码率。

  通常采用4-16 天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的 1/2。阵元间距过大,降低接收信号相关度;阵元间距过小,将在方向图引起不必要的波瓣,因此阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线的型,环型和平面的型,自适应天线是智能天线的主要的型式。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的 DOA,或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向,提供不同空间通道,有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。

智能天线对系统的改善和主要用途

综述

  智能天线潜在的性能效益表现在多方面,例如,抗多径衰落、减小时延扩展、支
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持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善BER?Bit ErrorRate 性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低,等等。

改善系统性能

  采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用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;

  欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本;

  无线本地环路系统的基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行上行波束赋形,达到最佳接收效果。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响;

  FDMA系统采用智能天线技术,与通常的三扇区基站相比,C/I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果;频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率?

  TDMA系统采用智能天线技术?可提高C/I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120?天线,C/I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C/I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量;

  CDMA系统系统采用智能天线技术,可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/硬切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。

提高频谱利用效率

  容量和频谱利用率的问题是发展移动通信根本性的问题。智能天线通过空分多址,将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内,其实质是分配移动通信系统工作的空间区域,使空间资源之间
的交叠最小,干扰最小,合理利用无线资源。

  对于给定的频谱带宽,系统容量愈大,频谱利用率愈高。因此,增加系统容量与提高频谱效率一致。为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用自适应天线代替普通天线。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。

  未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案,可在不影响通话质量的情况下,将基站配置成全向连接,大幅度提高基站容量。

  智能天线(smart antenna)基于自适应天线阵列原理,利用天线阵[[[ㄊ尚蝃]]际酰固煜哒蟮牟ㄊ赶蚰芨倨谕藕诺奶煜摺V悄芴煜哂哂懈兄嬖诘母扇挪⒆远种聘扇庞跋斓哪芰Γ保咕哂性銮科谕藕诺哪芰Α

发展阶段

  发展自1959年,Van Atta(范阿塔)提出自适应天线阵的概念,发展至今可分
为3个阶段,即自适应波束控制、自适应零陷控制和空间谱估计。主要研究成果有:最佳接收准则、自适应算法和信号来向估计。智能天线技术主要用于军事领域中的电子对抗和通信对抗中。近年来随着民用移动通信的发展,智能天线技术也被用来解决民用移动通信中的干扰问题,可改善移动通信的系统性能,并提高系统容量。

结构

  智能天线由3部分组成:实现信号空间过采样的天线阵;对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络;重新合并权值的控制部分。如图所示。在移动通信应用中为便于分析、旁瓣控制和DOA(到达方向)估计,天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。控制部分(即算法部分)是智能天线的核心,其功能是依据信号环境,选择某种准则和算法计算权值。

我国的研究现状

国家级

  1998年中国邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的CDMATDD技术,就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和支持,并己制定了相关标准。

企业研究

  北京信威公司已成功开发出用于WLL的时分双工(Time DivisionDuplex,TDD)方式的SCDMA产品,并应用于我国提出的TD-SCDMA方案中。该智能天线采用八阵元环形自适应阵列,射频工作于1785-1805MHz,采用TDD方式,收发间隔lOms,接收机灵敏度最大可提高9dB。但该系统只能工作于无线本地环路中,并对用户位置、移动速率有一定的要求。

学术界

  国内一些大学如清华大学、北京邮电大学、北方交通大学、上海交通大学、电子科技大学、西安交通大学和西安电子科技大学等也开展了智能天线方面的研究工作。国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究。

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