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智能天线技术

随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及,频谱已成为越来越宝贵的资源。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。采用智能天线可以有效的解决这个问题。

智能天线也叫自适应阵列天线,它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位,从而调节天线阵列的方向图形状,以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统,能够在较大程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。但是由于存在多径效应,每个天线均需一个Rake接收机,从而使基带处理单元复杂度明显提高。

起源发展

智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域,由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。

近年来,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,芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,以此代替模拟电路形成天线波束的方法,提高了天线系统的可靠性与灵活程度,智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数增加迅速,人们对移动通话质量的要求也不断提高,这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法,通过在基站使用全向收发智能天线,可以为每个用户提供一个窄的定向波束,使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号发射功率,降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式,智能天线引入了第四维多址方式空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。

智能天线相当于空时滤波器,在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下,可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言,智能天线将在以下方面提高了移动通信系统的性能:

⑴扩大系统的覆盖区域;

⑵增加系统容量;

⑶提高频谱利用效率;

⑷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。

天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系,对于全向天线来说,它的方向图是一个圆;对于阵列天线,可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图,形成主瓣方向具有较大增益,而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况,实时地调整阵列天线各元素的参数,形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的,例如将大增益的主瓣对准有用信号,而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。

智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分,其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息,实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况;在使用闭环反馈的形式时,也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元,按一定的方式排列,构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列,通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列,其间距通常取工作波长的一半,并且取向相同。智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成,如图所示。实际智能天线结构比图复杂,因为图中表示的是单个用户情况,假如在一个小区中有K个用户,则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用,其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套,共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户,剩下的K- 1 个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益,在干扰源的方向降低增益.因此,智能天线系统的应用可以带来如下好处:提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。

智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位。

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,减少信号衰落的影响。智能天线还可以用于分集,减少衰落。

高增益、窄波束智能天线阵用于WCDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。

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,用多波束板状天线代替普通天线。

目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。

智能天线是一个天线阵列,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,可以分为两类:

它采用自适应算法,其方向图与变形虫相似,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。

智能天线在空间选择有用信号,抑制干扰信号,有时我们称为空间滤波器。虽然这主要是靠天线的方向特性,但它是从信号干扰比的处理增益来分析的,它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难,同时建立了信号环境与处理结果的直接联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术,解决天线权集优化问题。

自适应天线自出现以来,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。在大规模集成电路技术发展的促进下,八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段,尤其用在通信对抗。与此同时,自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。

固定形状方向图智能天线在工作时,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于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。

近年来,一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。Bigler等人的实验表明,在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满足固定形状波束智能天线工程需要的,实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感,各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。

在多径环境下,空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。已有多种传播模型和分析方法,并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境(城、农村、商业区、楼内)进行了分析,给出了对应的模型。在美国的Boston地区,New Jersey的高速公路,德国的Munich地区等进行了大量的测试。结果表明,在农村、城郊以及许多城区,对于窄波束,其时间色散可以减少。采用通信信号中的训练序列进行信道估计,可以给出空间信道的响应,这也是研究的热点之一。

智能天线需根据通信系统的传输特性和环境,选用不同的算法来调整波束,甚至改变系统的资源管理状态,为提高其运用弹性和灵活度,采用软件无线电(SDR)实现智能天线已成为主流趋势。软件无线电采用开放式架构,以硬件作为其通用的基本平台,通过软件完成功能性的重组,以满足不同环境、多模式、多功能的通信要求,同时具备可适应性信号处理、组件可程序化的能力。在此概念下,利用软件控制方式改变硬件特性的通信设备,均可视为软件无线电系统。软件无线电系统的发展方式类似于软件开发,系统中各个硬件组件模块可视为功能不同的对象(object),根据呼叫的不同启动相应的执行程序,因此可直接通过下载程序代码的方式来置换对象,即可显现在同一硬件平台上,可适应性的调整应用架构,借以提高系统的运用弹性和扩充能力,提供高效率、高弹性、高适应性的处理能力。因为不对硬件组态进行任何改变,所以系统具有易维护、易应用的操作环境。

鉴于未来无线通信系统的体制繁多,为使智能天线能配合系统进行平滑的技术演进,进而能更弹性地运用于多模系统中,软件无线电将是未来智能天线研制的重要系统架构。利用软件无线电实现智能天线系统示意如图所示。

软件无线电系统由不同的硬件模块所构成,其中包括可组态通信系统模块、基频处理单元(含DSP及FPGA模块)、数字宽频收发单元(含模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC))、实时操作系统及智能天线单元等。运用软件无线电系统架构发展智能天线的最大挑战在于各种算法的建立。

在3G中的应用

在WCDMA和CDMA2000中的应用。第3 代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务的系统。但是,它们还会像第2 代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用,并且在3G 标准中制订了相关的条款。如WCDMA 和CDMA2000 都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道,但是将要求使用智能天线系统。

对于WCDMA 和CDMA2000 系统而言,智能天线虽然是推荐配置,但是当今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站产品已经开始支持智能天线了。

在TD- SCDMA系统中的应用。TDSCDMA(时分同步的码分多址) 智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性( 无线环境和传输条件相同) 而获得的。此外,智能天线可减少小区间干扰,也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。TD- SCDMA 系统的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的,直径为25cm。同全方向天线相比,它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励,利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图,使用DSP( 数字信号处理器) 使主瓣自适应地指向移动台方向,就可达到提高信号的载干比,降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用,使频谱效率得以显著地提高。

由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性,另一方面则要求在每一独立的方向上,系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP 控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量。在TD- SCDMA系统中,由于无线子帧的长度是5ms,则至少每秒可测量200 次,每用户的上下行传输发生在相同的方向,通过智能天线的方向性和跟踪性,可获得其最佳的性能。

TDD(时分双工) 模式的TD- SCDMA 的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此在上行和下行2 个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的,使得智能天线能将小区间干扰降至最低,从而获得最佳的系统性能。

智能天线技术对无线通信,特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是,在将智能天线用于CDMA 系统时,必须考虑所带来的问题,并在标准和产品设计上解决这些问题。

上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的,而且接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中,智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,提高系统性能是非常直接的;但在用户没有发射、仅处于接收状态下,又是在基站的覆盖区域内移动时( 空闲状态) ,基站不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射( 如系统中的pilot、同步、广播、寻呼等物理信道)。一个全向覆盖的基站,其不同码道的发射波束是不同的,即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来,对全向信道来说,将要求高得多的发射功率,这是系统设计时所必须考虑的。

在使用智能天线时,必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理,直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形。但对实际无线基站,每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的,而且,其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准,则下行波束赋形将受严重影响。这样,不仅得不到智能天线的优势,甚至完全不能通信。

目前,在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样,实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰,也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下,必须将智能天线和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用,才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测( joint detection) 、干扰抵消及Rake接收等。目前,智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法,而和Rake 接收机的结合算法还在研究中。

显然,智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量,又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在,CDMA系统在向宽带方向发展,码片速率已经很高,基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求,这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平,天线元的数量在6~16 之间。


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