智能天線及其應(yīng)用

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：深圳市彼達(dá)通訊設(shè)備有限公司   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月28日

隨著社會(huì)信息交流需求的急劇增加、個(gè)人移動(dòng)通信的迅速普及，頻譜已成為越來(lái)越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

用于基臺(tái)的智能天線是一種由多個(gè)天線單元組成的陣列天線。它通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位來(lái)改變陣列的天線方向圖，從而抑制干擾，提高信噪比。它可自動(dòng)測(cè)出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶走。它可提高天線增益，減少信號(hào)發(fā)射功率，延長(zhǎng)電池壽命，減小用戶設(shè)備的體積?；蛟诓唤档桶l(fā)射功率的前提下，大大增加基站的覆蓋率。廣義地說(shuō)，智能天線是一種天線和傳播環(huán)境與用戶和基臺(tái)的最佳空間匹配通信。

用于手機(jī)的智能天線可以有效地提高通信性能，降低發(fā)射功率，減少電波對(duì)人體影響。此外，由于智能天線可以從用戶方向和傳播時(shí)延獲知用戶位置，它將是一種不受建筑物阻擋的定位手段，可以為用戶提供新的服務(wù)，如導(dǎo)航、緊急救助等。天線的空間分集可以克服快衰落，顯著提高通信質(zhì)量，有時(shí)也把它歸入智能天線的范疇。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少公司在開(kāi)發(fā)智能天線方面投入了大量人力物力，有些已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。如：Nortel SmartBTS - GSM, MetaWave SpotLight, ArrayComm IntelliCell, Celwave Smart System - AMPSc Hazeltine IAS - AMPS, Ericsson and Lucent - IS- 136, NTT DoCoMo等。AT&T公司采用帶功率控制的開(kāi)關(guān)多波束天線組成智能天線，在1.9 GHz頻段上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

二、空分信道和智能天線

智能天線是一個(gè)天線陣列，如圖1所示。它由N個(gè)天線單元組成。每個(gè)天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：

1. 自適應(yīng)方向圖智能天線

它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲(chóng)相似，沒(méi)有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)單，可以得到最大的信號(hào)干擾比。但是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢。另外，由于波束的零點(diǎn)對(duì)頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時(shí)分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化上。

智能天線在空間選擇有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，有時(shí)我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號(hào)干擾比的處理增益來(lái)分析的，它帶來(lái)的好處是避開(kāi)了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時(shí)建立了信號(hào)環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號(hào)處理的理論和方法、自動(dòng)控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問(wèn)題。

自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來(lái)，已有30多年。大體上可以分成三個(gè)發(fā)展階段：第一個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)零點(diǎn)控制上；第三個(gè)10年主要集中在空間譜估計(jì)上，諸如最大似然譜估計(jì)、最大熵譜估計(jì)、特征空間正交譜估計(jì)等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，尤其用在通信對(duì)抗。與此同時(shí)，自適應(yīng)信號(hào)處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。

2. 固定形狀方向圖智能天線

固定形狀方向圖智能天線在工作時(shí)，天線方向圖形狀基本不變。它通過(guò)測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號(hào)的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過(guò)控制低的旁瓣電平來(lái)確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無(wú)需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對(duì)天線單元與信道的要求較高。

近年來(lái)，一些研究小組針對(duì)個(gè)人移動(dòng)通信環(huán)境的DOA檢測(cè)算法進(jìn)行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究。Bigler等人的實(shí)驗(yàn)表明，在900MHz移動(dòng)通信頻段的DOA的實(shí)測(cè)值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實(shí)驗(yàn)中DOA估計(jì)值對(duì)測(cè)量時(shí)間、信號(hào)功率、信號(hào)頻率的變化均不敏感，各種情況下測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4度。

在多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測(cè)量是目前理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對(duì)各種不同通信體制、不同信號(hào)帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進(jìn)行了分析，給出了對(duì)應(yīng)的模型。在美國(guó)的Boston地區(qū)，New Jersey的高速公路,德國(guó)的Munich地區(qū)等進(jìn)行了大量的測(cè)試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對(duì)于窄波束，其時(shí)間色散可以減少。采用通信信號(hào)中的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點(diǎn)之一。

三、智能天線的增益

8元圓形自適應(yīng)陣列對(duì)1用戶(實(shí)心矩形)、10干擾用戶(空心矩形)通信環(huán)境的等效方向圖。由圖2可見(jiàn)，系統(tǒng)在干擾方向形成凹點(diǎn)，并在所需信號(hào)方向形成峰值。通常自適應(yīng)算法在無(wú)干擾信號(hào)的其它角度上也可能出現(xiàn)峰值。

一個(gè)門限值為6dB的32用戶CDMA系統(tǒng)中，在基站引入采用自適應(yīng)、-15dB等旁瓣針狀波束、-20dB等旁瓣針狀波束和簡(jiǎn)單同相疊加方向圖四種不同智能天線后，系統(tǒng)Eb/N的累積概率分布?？梢钥闯?，采用智能天線以后，系統(tǒng)的Eb/N得到了顯著的提高。圖5給出了分別利用四種智能天線擴(kuò)容的系統(tǒng)，在不同用戶數(shù)時(shí)系統(tǒng)Eb/N低于門限值(6dB)的出界概率分布。在0.01的出界概率下，采用上述四種智能天線系統(tǒng)的擴(kuò)容能力分別為6.56、6.41、5.47、4.9倍。

四、時(shí)空信號(hào)聯(lián)合處理技術(shù)

智能天線實(shí)際上是一種空間信號(hào)處理技術(shù)。如果它和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，就會(huì)獲得更大的好處。在時(shí)間信號(hào)處理方面，如均衡技術(shù)，時(shí)、頻域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到廣泛應(yīng)用。它們本身也常用于克服多徑衰落，提高通信質(zhì)量。把兩種信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的統(tǒng)一的算法，可以更有效地提高通信性能和處理效率。有的文獻(xiàn)稱之為兩維或三維RAKE接收。圖6給出一種空間濾波RAKE接收機(jī)的框圖, 它包括N個(gè)天線單元、三套形成空間波束的加權(quán)器和一個(gè)三指RAKE接收機(jī)。除此之外，還需一個(gè)實(shí)時(shí)DOA探測(cè)器和相應(yīng)的控制器，用以產(chǎn)生加權(quán)數(shù)。

圖7給出了一個(gè)用于DSCDMA系統(tǒng)的時(shí)空域聯(lián)合處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它除了有智能天線部分，還有多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分。在多用戶聯(lián)合檢測(cè)部分，如我們需要先得到用戶0的信號(hào)。Demi和Modi (i＝1,2,…,M)分別將來(lái)自第i個(gè)用戶的擴(kuò)頻干擾解調(diào)后重新擴(kuò)頻，自適應(yīng)數(shù)字濾波器ADFi用來(lái)識(shí)別包括無(wú)線信道和天線陣列的參數(shù)，以產(chǎn)生對(duì)干擾的復(fù)制。從智能天線輸出端的信號(hào)y(k)中減去干擾信號(hào)，得到的u(k)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器ADF0得到用戶0的信號(hào)。再通過(guò)Dem0解調(diào)后得到基帶信息，把它重新擴(kuò)頻、調(diào)制再與ADF0的輸出相減，就得到了用于控制ADFi（i＝0,1,…,M）的誤差信號(hào)。

我們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，假設(shè)有兩個(gè)用戶同時(shí)在工作，每個(gè)用戶的信號(hào)到達(dá)接收端都有兩徑，針狀波束智能天線的主瓣指向?yàn)?80°,以第一位用戶的DOA=180°的信號(hào)為有用信號(hào)，對(duì)全向天線（無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)）、全向天線（有多用戶聯(lián)合檢測(cè)）、智能天線（無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)）、智能天線（有多用戶聯(lián)合檢測(cè)）四種情況。

多徑信號(hào)干擾的影響。全向天線誤碼率為50%左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的全向天線使誤碼率下降到10-2到10-4左右；無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾小于信號(hào)時(shí)，誤碼率極低（小于10-10），但當(dāng)干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，此時(shí)干擾強(qiáng)于有用信號(hào)，誤碼率迅速提高到50%左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，仍能極大地壓制干擾，但在干擾弱于有用信號(hào)時(shí)，由于時(shí)域均衡造成的誤差在此時(shí)成為誤差主要來(lái)源而導(dǎo)致誤碼率高于無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線，因此在實(shí)際使用中，可以控制ADFi（i=0,1,…,M）使其在干擾高于有用信號(hào)時(shí)工作，用來(lái)消除通信盲區(qū)。

圖9是其他用戶信號(hào)干擾的影響，可以看出，全向天線誤碼率為50%左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的全向天線誤碼率下降到10-2.5到10-4左右；無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在其他用戶的干擾小于有用信號(hào)時(shí)，誤碼率極低（小于10-10），但當(dāng)其他干擾強(qiáng)于有用信號(hào)時(shí)，誤碼率迅速變大到50%左右；采用多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在干擾來(lái)向接近天線主瓣最大值時(shí)，仍能保證誤碼率低于10-3，但在干擾弱于有用信號(hào)時(shí)，誤碼率高于無(wú)多用戶聯(lián)合檢測(cè)的智能天線。

五、動(dòng)態(tài)信道分配

在通信中，信道的分配是保障通信質(zhì)量，有效利用信道的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)空分信道引入系統(tǒng)后，空、頻、時(shí)、碼分信道的動(dòng)態(tài)分配算法成為新的技術(shù)難點(diǎn)。后三種信道分配技術(shù)是確定性的，在小區(qū)內(nèi)它與環(huán)境無(wú)關(guān)，可以由系統(tǒng)根據(jù)用戶情況實(shí)施動(dòng)態(tài)分配。但空分信道分配與他們不同，它基于信干比情況，可以歸納為兩個(gè)基本條件。即在基臺(tái)處接收功率相差不大和用戶方向角度相差大于天線主波瓣的用戶可以分享同一時(shí)、頻域信道。這樣，信道分配成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的條件組合問(wèn)題，并且，隨著用戶空間位置的移動(dòng)，空分信道必須相應(yīng)變化，隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，以跟蹤用戶。它必須與時(shí)、頻信道的分配和切換結(jié)合起來(lái)。這需要一種高效算法，以適應(yīng)快速移動(dòng)用戶的要求。此外，它還必須保證信道的切換不能過(guò)于頻繁，切換和接入時(shí)間要足夠短等。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，由于其容量是一個(gè)軟容量，其信道分配相對(duì)簡(jiǎn)單。

由于智能天線本身具有功率控制功能，其性能要優(yōu)于現(xiàn)有的功率控制技術(shù)。所謂波束跟著用戶走還包含著功率控制?，F(xiàn)有的功率控制是一維的，而智能天線的功率控制是兩維，甚至三維的。采用智能天線，基地臺(tái)間的越區(qū)切換可以采用更為靈活的方法，更好地克服CDMA系統(tǒng)中的呼吸現(xiàn)象。

六、結(jié)束語(yǔ)

天線技術(shù)是當(dāng)前移動(dòng)通信發(fā)展的瓶頸之一，是目前最有活力、最富有挑戰(zhàn)性的學(xué)術(shù)和技術(shù)領(lǐng)域。一方面，對(duì)天線的各種要求，如小體積、寬頻帶、多頻段、高方向性及低副瓣等不斷提出；因此新的材料，如陶瓷介質(zhì)材料、超導(dǎo)天線等不斷出現(xiàn)；新的天線形式，如金屬介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)、復(fù)合縫隙陣、各種陣列天線等不斷產(chǎn)生。另一方面，在目前電磁環(huán)境日益惡化的情況下，將空間信號(hào)和時(shí)間信號(hào)處理結(jié)合，采用智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)是解決需求和可能矛盾的根本出路。自適應(yīng)天線已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷史，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，智能天線的發(fā)展必將在更高層次上、更廣泛的內(nèi)涵上將無(wú)線通信帶入新的時(shí)代。