智能天線(xiàn)工作原理是什么

智能天線(xiàn),智能天線(xiàn)工作原理是什么?

　　隨著(zhù)移動(dòng)用戶(hù)數量的快速增加，尤其在我國人口密度較大的城市地區，移動(dòng)業(yè)務(wù)運營(yíng)公司和頻率資源管理部門(mén)將面臨頻率資源短缺的巨大挑戰，頻率資源已經(jīng)成為制約繼續發(fā)展的瓶頸，而隨著(zhù)用戶(hù)數量的不斷增加，這個(gè)問(wèn)題會(huì )演變得愈來(lái)愈嚴重。面對挑戰，人們提出了不同的解決方案，得到比較廣泛認可的有兩種方法：一是移動(dòng)運營(yíng)公司調整基礎網(wǎng)絡(luò )的構成，增加基站數量和小區數量。這種方法需要相對巨大的基建投資，同時(shí)帶來(lái)的干擾問(wèn)題也比較突出;二是擴大頻譜帶寬，這種方法需要較高的頻率資源成本，況且頻率資源是有限的，頻譜帶寬不可能無(wú)限擴展?；谶@樣的現實(shí)，智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)也就應運而生了。智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)最大的好處就是可以大大增加現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的容量，且所需的經(jīng)濟成本比較合理。

　　基本原理：智能天線(xiàn)采用空分多址技術(shù)(SCDMA),利用信號在傳輸方向上的差別,將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號區分開(kāi)來(lái),最大限度地利用有限的信道資源。無(wú)線(xiàn)基站中的智能天線(xiàn)由天線(xiàn)陣和基于基帶數字信號處理技術(shù)組成。

　　下圖描述了一個(gè)具有智能天線(xiàn)、工作于TDD方式CDMA基站的示意方框圖。和傳統的沒(méi)有智能天線(xiàn)的基站比較,他在硬件上由一個(gè)天線(xiàn)陣和一組收發(fā)信機組成了其射頻部分,而在基帶信號處理部分的硬件則基本相同。必須說(shuō)明的是,這一組收發(fā)信機將使用同一個(gè)本振源,以保證此組收發(fā)信機是相干工作的。

　　每個(gè)射頻收發(fā)信機都有ADC和DAC,將收到的基帶模擬信號轉換為數字信號;將待發(fā)射的數字信號轉換為模擬基帶信號。而所有收發(fā)數字信號都通過(guò)一組高速數字濾波器總線(xiàn)和基帶數字信號處理器來(lái)連接。

　　來(lái)自多個(gè)用戶(hù)終端的信號是多址干擾、衰落、多經(jīng)傳播和多譜勒頻移等效應,并存在其他干擾和白噪聲。將圖中第i個(gè)接收機在第n時(shí)刻的輸出用S i(n)表示。通過(guò)解擴和相應的數字信號處理,可以獲得對每個(gè)碼道的接收數據。如果以X j i(∫)表示第j碼道的第∫個(gè)符號的數據,則在基帶進(jìn)行上行波束賦形(合成)后,將獲得智能天線(xiàn)的總接收數據為:

　　其中:W為上行波束賦形矩陣,其矩陣元素為W ij(∫)。

　　智能天線(xiàn)的下一步是實(shí)現其下行波束賦形,此用戶(hù)在第j碼道的第∫個(gè)符號可以表示為Y j(∫)。而通過(guò)智能天線(xiàn)的下行波束賦形(調整基站中各個(gè)發(fā)射機所發(fā)射信號的幅度和相位),在第i個(gè)天線(xiàn)陣元所發(fā)射的信號可表示為:

　　其中:U為元素的U j i(∫)下行波束賦形矩陣。顯然,為了獲得最佳接收效果,就必須找到一種好的上行波束形成算法,即求得W矩陣的方法;而為了讓此用戶(hù)獲得最好的信號,就必須找到一種好的下行波束形成算法,即求得U矩陣的方法。必須說(shuō)明的是,在求此波束形成矩陣時(shí),已知的僅僅是天線(xiàn)陣列的幾何結構和各種接收機所收到的信號。對此,學(xué)術(shù)界作了大量工作,有多種算法可以采用,其主要限制是在基帶信號處理能力和對系統實(shí)時(shí)性的要求。

　　作為一個(gè)簡(jiǎn)化的特例,可以用最大功率合成算法,即令W=X,以獲得成形,在TDD方式的系統中,若組成智能天線(xiàn)系統的各射頻收發(fā)信機是全向的,由于其上下行電波傳播條件相同,則可以直接將此上行波束賦形矩陣使用于下行,即令U=W。

　　TD-SCDMA天線(xiàn)使用一個(gè)環(huán)形天線(xiàn)陣,8個(gè)完全相同的天線(xiàn)元素均勻地分布在一個(gè)半徑為r的圓上。智能天線(xiàn)的功能是由天線(xiàn)陣及與其相連接的基帶數字信號處理部分共同完成的。該智能天線(xiàn)的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線(xiàn)元相同。在360°范圍內任意賦形,為了消除干擾,波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設置零點(diǎn),該零點(diǎn)處的天線(xiàn)輻射電平比最大輻射方向約低40 dB。

　　現狀及其發(fā)展方向：在日本，可以看到很多智能天線(xiàn)的實(shí)例，有的運營(yíng)公司采用了這項技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )容量甚至提高了六倍;這一技術(shù)同樣也適用于3G網(wǎng)絡(luò )，在某些國家的WCDMA網(wǎng)絡(luò )中，利用智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)將城區的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量提高了3倍，在郊區甚至提高了6倍。提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量對運營(yíng)公司重要，對我國尤其重要，因為我國大城市的人口密度一般都很高。在提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量的同時(shí)，覆蓋范圍也有相應的改善。由于使用了智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)，提高了小區的信號質(zhì)量，減少了鄰近小區的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。根據試驗數據，如果在WCDMA系統中使用智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)，城區覆蓋范圍可以擴大1倍，郊區擴大了3倍。智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)的干擾緩解機制還有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶(hù)終端，基站和用戶(hù)終端僅僅需要較小的發(fā)射功率就能夠達到同樣的信號質(zhì)量水平。盡管智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)要求配置多個(gè)天線(xiàn)，因此增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發(fā)射功率有較大的減少，功放器的單價(jià)大大下降;由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高昂，所以使用多個(gè)低功率放大器反而大大節約了投資，同時(shí)還提高了整個(gè)功放子系統的可靠性。

　　智能天線(xiàn)(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初應用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域。近年來(lái)，現代數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價(jià)格的不斷下降，使得利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可行，促使智能天線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始在無(wú)線(xiàn)通信中廣泛應用。由于智能天線(xiàn)能顯著(zhù)提高系統的性能和容量，并增加了天線(xiàn)系統的靈活性，未來(lái)幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統都將采用該技術(shù)。

　　在移動(dòng)通信系統中,天線(xiàn)擔負著(zhù)發(fā)射和接收空間電磁坡的重要作用。天線(xiàn)性能的好壞直接影響著(zhù)移動(dòng)通信系統的性能。

　　智能天線(xiàn)系統(smart antenna system)具有提高移動(dòng)通信系統容量、質(zhì)量和減少干擾的功能?，F在移動(dòng)通信系統正處于大力開(kāi)展移動(dòng)數據通信業(yè)務(wù),逐步向第三代移動(dòng)通信過(guò)渡的階段,更需要解決提高載波與干擾之比(稱(chēng)載干比,C/1)的問(wèn)題,達到能提供更高數據傳送速率和增大系統容量?jì)纱竽繕?。應用智能天線(xiàn)系統將對上述兩大目標的實(shí)現起重要的作用。

　　智能天線(xiàn)是應用先進(jìn)的技術(shù),把無(wú)線(xiàn)電的信號導向某個(gè)特定的方向,使無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用率更高,信號的傳輸更為效。所謂的先進(jìn)的技術(shù)主要是指波束轉換技術(shù)和自適應空間數字處理技術(shù)。智能天線(xiàn)有波束轉換智能天線(xiàn)和自適應智能天線(xiàn)兩類(lèi)。智能天線(xiàn)分為兩大類(lèi)：多波束天線(xiàn)與自適應天線(xiàn)陣列。多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線(xiàn)元數目而確定。當用戶(hù)在小區中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應波束中進(jìn)行選擇，使接收信號最強。因為用戶(hù)信號并不一定在波束中心，當用戶(hù)位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線(xiàn)不能實(shí)現信號最佳接收，一般只用作接收天線(xiàn)。但是與自適應天線(xiàn)陣列相比，多波束天線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶(hù)信號到達方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應天線(xiàn)陣列一般采用4～16天線(xiàn)陣元結構，陣元間距為半個(gè)波長(cháng)。天線(xiàn)陣元分布方式有直線(xiàn)型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線(xiàn)陣列是智能天線(xiàn)的主要類(lèi)型，可以完成用戶(hù)信號接收和發(fā)送。自適應天線(xiàn)陣列系統采用數字信號處理技術(shù)識別用戶(hù)信號到達方向，并在此方向形成天線(xiàn)主波束。下面對兩種智能天線(xiàn)簡(jiǎn)單介紹一下:

　　1.波束轉換智能天線(xiàn)智能天線(xiàn)是在分區傳輸途徑的概念上發(fā)展起來(lái)的。這種天線(xiàn)把現用的全向性天線(xiàn)或1200方向性的天線(xiàn)改變成為多個(gè)分區的窄波束(通常是15°～30°)天線(xiàn)。因為現在移動(dòng)通信系統基站天線(xiàn)系統的覆蓋面積較大,天線(xiàn)的功率大部分損耗在電波的無(wú)效傳播中。窄波束天線(xiàn)縮小了覆蓋的面積,因而相對地提高了信號的強度。例如,30°窄波束的覆蓋面積只有1200天線(xiàn)覆蓋面積的四分之一(如圖1所示),因此它接收同頻道區內干擾的窗口也縮小到四分之一。從原理上來(lái)說(shuō),窄波束天線(xiàn)接收到的干擾也減少到四分之-,相當于把載波干擾比提高了6分貝。

　　窄波束天線(xiàn)系統需要用數字信號處理(DSP)技術(shù)持續不斷地對本區內每一個(gè)移動(dòng)手機進(jìn)行最佳波束的選擇,保證能在任一個(gè)時(shí)隙(按全球通移動(dòng)通信系統的標準,“時(shí)隙”的長(cháng)度為0.57毫秒)內實(shí)現波束轉換。這種技術(shù)叫做“波束轉換技術(shù)(swithched beam technology)”,而這種智能天線(xiàn)也叫做“波束轉換智能天線(xiàn)”。

　　2.自適應智能天線(xiàn)自適應智能天線(xiàn)系統實(shí)現話(huà)務(wù)負荷平衡的原理如圖2-52所示。它應用了自適應空間數字處理技術(shù)測量不同波束的信號強度,能動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)扇區的波束寬度和方向角,以適應話(huà)務(wù)負荷分布狀況的改變。圖2左圖表示3個(gè)扇區的負荷很不平衡,b區的負荷最輕,因而自適應地放寬了波束寬度,并承擔了原c區的負荷;而c區則自適應地改變了方向角,轉向原a區,分擔了a區中部分的負荷,使a區過(guò)于大的負荷得到支援,從而實(shí)現了話(huà)務(wù)負荷的平衡。自適應智能天線(xiàn)系統具有比波束轉換智能天線(xiàn)更為先進(jìn)的系統性能,但由于存在技術(shù)復雜、成本費用高等方面問(wèn)題,目前實(shí)際應用尚少。

　　近年來(lái)，智能天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。智能天線(xiàn)采用空分多址(SDMA)技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號區分開(kāi)來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。與無(wú)方向性天線(xiàn)相比較，其上、下行鏈路的天線(xiàn)增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時(shí)，由于天線(xiàn)波瓣直接指向用戶(hù)，減小了與本小區內其它用戶(hù)之間，以及與相鄰小區用戶(hù)之間的干擾，而且也減少了移動(dòng)通信信道的多徑效應。CDMA系統是個(gè)功率受限系統，智能天線(xiàn)的應用達到了提高天線(xiàn)增益和減少系統干擾兩大目的，從而顯著(zhù)地擴大了系統容量，提高了頻譜利用率。

　　智能天線(xiàn)在本質(zhì)上是利用多個(gè)天線(xiàn)單元空間的正交性，即空分多址復用(SDMA)功能，來(lái)提高系統的容量和頻譜利用率。這樣，TD-SCDMA系統充分利用了CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA這四種多址方式的技術(shù)優(yōu)勢，使系統性能最佳化。

　　智能天線(xiàn)的核心在于數字信號處理部分，它根據一定的準則，使天線(xiàn)陣產(chǎn)生定向波束指向用戶(hù)，并自動(dòng)地調整系數以實(shí)現所需的空間濾波。智能天線(xiàn)須要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是辨識信號的方向和數字賦形的實(shí)現。

　　TD-SCDMA的智能天線(xiàn)使用一個(gè)環(huán)形天線(xiàn)陣，由8個(gè)完全相同的天線(xiàn)元素均勻地分布在一個(gè)半徑為R的圓上所組成。智能天線(xiàn)的功能是由天線(xiàn)陣及與其相連接的基帶數字信號處理部分共同完成的。該智能天線(xiàn)的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線(xiàn)元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶(hù)的分布，在360°的范圍內任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設置零點(diǎn)，該零點(diǎn)處的天線(xiàn)輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。TD-SCDMA使用的智能天線(xiàn)當N=8時(shí)，比無(wú)方向性的單振子天線(xiàn)的增益分別大9dB(對接收)和18dB(對發(fā)射)。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線(xiàn)的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線(xiàn)的發(fā)射增益要比接收增益大得多，對于傳輸非對稱(chēng)的IP等數據、下載較大業(yè)務(wù)信息是非常適合的。

　　智能天線(xiàn)(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無(wú)線(xiàn)接入系統的核心技術(shù)之一。它利用時(shí)分雙工(TDD)使上下射頻信道完全對稱(chēng),以便于在基站使用智能天線(xiàn)技術(shù)。通過(guò)對相干接收到的、來(lái)自終端的信號在每個(gè)天線(xiàn)元及其相連接的接收機的反應,再進(jìn)行相應的空間譜處理,獲得此信號的空間特征矢量及矩陣,并得到信號的功率估值和到達方向(DOA)估值,在此基礎上就可以計算下行信號在各個(gè)天線(xiàn)陣元的權重,并同時(shí)解決諸如天線(xiàn)上下行波束賦形、多址干擾消除、抗多徑干擾、均衡等問(wèn)題。本系統為每一條碼道產(chǎn)生一個(gè)天線(xiàn)波束,實(shí)現了空分多址(SDMA)。其結果不僅增加了通信距離、也簡(jiǎn)化了信號處理的復雜性、大大降低了干擾、增加了系統容量。

　　智能天線(xiàn)最初只是應用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域等。近幾年來(lái),隨著(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展,智能天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成功應用于移動(dòng)通信系統,并通過(guò)對無(wú)線(xiàn)數字信號的高速時(shí)空處理,極大地改善了頻譜的使用效率。

　　智能天線(xiàn)的基本思想是:天線(xiàn)以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶(hù),接收模式下,來(lái)自窄波束之外的信號被抑制,發(fā)射模式下,能使期望用戶(hù)接收的信號功率最大,同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶(hù)受到的干擾最小。智能天線(xiàn)是利用用戶(hù)空間位置的不同來(lái)區分不同用戶(hù)。不同于傳統的頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA),智能天線(xiàn)引入第4種多址方式:空分多址(SDMA)。即在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,仍然可以根據信號不同的中間傳播路徑而區分。

　　智能天線(xiàn)分為兩大類(lèi):多波束天線(xiàn)與自適應天線(xiàn)陣列。

　　多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區,每個(gè)波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線(xiàn)元數目而確定。當用戶(hù)在小區中移動(dòng)時(shí),基站在不同的相應波束中進(jìn)行選擇,使接收信號最強。多波束天線(xiàn)不能實(shí)現信號最佳接收,一般只用作接收天線(xiàn)。但是與自適應天線(xiàn)陣列相比,多波束天線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶(hù)信號到達方向的優(yōu)點(diǎn)。

　　自適應天線(xiàn)陣列是智能天線(xiàn)的主要類(lèi)型,可以完成用戶(hù)信號接收和發(fā)送。自適應天線(xiàn)陣列一般采用4-16天線(xiàn)陣元結構,陣元間距為半個(gè)波長(cháng)。使用自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)能擴大系統覆蓋區域,提高系統容量,提高數據傳輸速率,提高頻譜利用效率,降低基站發(fā)射功率,節省系統成本,減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。