智能天線及其應(yīng)用

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 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(hù)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(hù)方向，并將波束指向用戶(hù)，從而實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶(hù)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(hù)設(shè)備的體積。或在不降低發(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(hù)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(hù)方向和傳播時(shí)延獲知用戶(hù)位置，它將是一種不受建筑物阻擋的定位手段，可以為用戶(hù)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(hù)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(lèi)：

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(chēng)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(hù)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(hù)方向，從而提高用戶(hù)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(mǎn)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(hù)(實(shí)心矩形)、10干擾用戶(hù)(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(mén)限值為6dB的32用戶(hù)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。可以看出，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(hù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)Eb/N低于門(mén)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(chēng)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(hù)聯(lián)合檢測(cè)部分。在多用戶(hù)聯(lián)合檢測(cè)部分，如我們需要先得到用戶(hù)0的信號(hào)。Demi和Modi (i＝1,2,…,M)分別將來(lái)自第i個(gè)用戶(hù)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(hù)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(hù)同時(shí)在工作，每個(gè)用戶(hù)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(hù)的DOA=180°的信號(hào)為有用信號(hào)，對(duì)全向天線（無(wú)多用戶(hù)聯(lián)合檢測(cè)）、全向天線（有多用戶(hù)聯(lián)合檢測(cè)）、智能天線（無(wú)多用戶(hù)聯(lián)合檢測(cè)）、智能天線（有多用戶(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)聯(lián)合檢測(cè)的智能天線在其他用戶(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)方向角度相差大于天線主波瓣的用戶(hù)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(hù)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(hù)。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(hù)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(hù)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。