智能天線及其應(yīng)用

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：深圳市彼達通訊設(shè)備有限公司   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月28日

隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴展通信容量，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。另外在移動通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴散、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問題。

用于基臺的智能天線是一種由多個天線單元組成的陣列天線。它通過調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位來改變陣列的天線方向圖，從而抑制干擾，提高信噪比。它可自動測出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實現(xiàn)波束隨著用戶走。它可提高天線增益，減少信號發(fā)射功率，延長電池壽命，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，智能天線是一種天線和傳播環(huán)境與用戶和基臺的最佳空間匹配通信。

用于手機的智能天線可以有效地提高通信性能，降低發(fā)射功率，減少電波對人體影響。此外，由于智能天線可以從用戶方向和傳播時延獲知用戶位置，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，有時也把它歸入智能天線的范疇。

近年來國內(nèi)外不少公司在開發(fā)智能天線方面投入了大量人力物力，有些已開始進入實用階段。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關(guān)多波束天線組成智能天線，在1.9 GHz頻段上進行了實驗。

二、空分信道和智能天線

智能天線是一個天線陣列，如圖1所示。它由N個天線單元組成。每個天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個不同方向的波束，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，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。另外，由于波束的零點對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)時分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實時優(yōu)化上。

智能天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號干擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時建立了信號環(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)用信號處理的理論和方法、自動控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。

自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來，已有30多年。大體上可以分成三個發(fā)展階段：第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特征空間正交譜估計等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進入應(yīng)用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應(yīng)信號處理理論與技術(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，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達方向(DOA)，然后根據(jù)信號的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于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。

近年來，一些研究小組針對個人移動通信環(huán)境的DOA檢測算法進行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯嶒炑芯俊igler等人的實驗表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實驗中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結(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量是目前理論和實驗研究的熱點。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進行了分析，給出了對應(yīng)的模型。在美國的Boston地區(qū)，New Jersey的高速公路,德國的Munich地區(qū)等進行了大量的測試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓(xùn)練序列進行信道估計，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點之一。

三、智能天線的增益

8元圓形自適應(yīng)陣列對1用戶(實心矩形)、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，系統(tǒng)在干擾方向形成凹點，并在所需信號方向形成峰值。通常自適應(yīng)算法在無干擾信號的其它角度上也可能出現(xiàn)峰值。

一個門限值為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容的系統(tǒng)，在不同用戶數(shù)時系統(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)的擴容能力分別為6.56、6.41、5.47、4.9倍。

四、時空信號聯(lián)合處理技術(shù)

智能天線實際上是一種空間信號處理技術(shù)。如果它和時間信號處理技術(shù)相結(jié)合，就會獲得更大的好處。在時間信號處理方面，如均衡技術(shù)，時、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。把兩種信號處理技術(shù)結(jié)合起來，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接收機的框圖, 它包括N個天線單元、三套形成空間波束的加權(quán)器和一個三指RAKE接收機。除此之外，還需一個實時DOA探測器和相應(yīng)的控制器，用以產(chǎn)生加權(quán)數(shù)。

圖7給出了一個用于DSCDMA系統(tǒng)的時空域聯(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)合檢測部分。在多用戶聯(lián)合檢測部分，如我們需要先得到用戶0的信號。Demi和Modi (i＝1,2,…,M)分別將來自第i個用戶的擴頻干擾解調(diào)后重新擴頻，自適應(yīng)數(shù)字濾波器ADFi用來識別包括無線信道和天線陣列的參數(shù)，以產(chǎn)生對干擾的復(fù)制。從智能天線輸出端的信號y(k)中減去干擾信號，得到的u(k)經(jīng)過自適應(yīng)濾波器ADF0得到用戶0的信號。再通過Dem0解調(diào)后得到基帶信息，把它重新擴頻、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。

我們進行了計算機仿真，假設(shè)有兩個用戶同時在工作，每個用戶的信號到達接收端都有兩徑，針狀波束智能天線的主瓣指向為180°,以第一位用戶的DOA=180°的信號為有用信號，對全向天線（無多用戶聯(lián)合檢測）、全向天線（有多用戶聯(lián)合檢測）、智能天線（無多用戶聯(lián)合檢測）、智能天線（有多用戶聯(lián)合檢測）四種情況。

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

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

五、動態(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、碼分信道的動態(tài)分配算法成為新的技術(shù)難點。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)境無關(guān)，可以由系統(tǒng)根據(jù)用戶情況實施動態(tài)分配。但空分信道分配與他們不同，它基于信干比情況，可以歸納為兩個基本條件。即在基臺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、頻域信道。這樣，信道分配成為一個動態(tài)的條件組合問題，并且，隨著用戶空間位置的移動，空分信道必須相應(yīng)變化，隨時進行動態(tài)分配，以跟蹤用戶。它必須與時、頻信道的分配和切換結(jié)合起來。這需要一種高效算法，以適應(yīng)快速移動用戶的要求。此外，它還必須保證信道的切換不能過于頻繁，切換和接入時間要足夠短等。對于CDMA系統(tǒng)，由于其容量是一個軟容量，其信道分配相對簡單。

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

天線技術(shù)是當(dāng)前移動通信發(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，將空間信號和時間信號處理結(jié)合，采用智能天線和軟件無線電技術(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，有了長足的進步。但是，智能天線的發(fā)展必將在更高層次上、更廣泛的內(nèi)涵上將無線通信帶入新的時代。