智能天線移動通信范文

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1引言

我們知道,天線有很多種,但大體上可分為三大類:“線天線”、“面天線”及“陣列天線”。陣列天線最初用于雷達、聲納以及軍事通信中,完成空間濾波和參數(shù)估計兩大任務。當陣列天線應用到移動通信領域時,通信工程師喜歡用“智能天線”來稱謂之。智能天線根據(jù)方向圖形成(或稱為波束形成)的方式又可分為兩類:第一類,采用固定形狀方向圖的智能天線,且不需要參考信號;第二類,采用自適應算法形成方向圖的智能天線,需要參考信號。

本文在以下提到的智能天線都是指第二類,即(自適應)智能天線,這也是目前智能天線研究的主流。

2智能天線的技術現(xiàn)狀

在分析研究智能天線技術理論的同時,國內外一些大學、公司和研究所分別建立了試驗平臺,用實驗的方法來驗證理論研究的成果,得出相應的結論。

(1)在美國

在智能天線技術方面,美國較其它國家要成熟的多,并已開始投入實用。美國ArrayComm公司將智能天線技術應用于無線本地環(huán)路(WLL)系統(tǒng)。ArrayComm方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環(huán)形自適應陣列可供不同環(huán)境選用,現(xiàn)場實驗表明在PHS基站采用該技術可以使系統(tǒng)容量提高4倍。

(2)在歐洲

歐洲通信委員會(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)計劃中實施了第一階段智能天線技術研究,稱為TSUNAMI(TheTechnologyinSmartAntennasforUniver-salAdvancedMobileInfrastructure),由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。該項目是在DECT基站上構造智能天線試驗模型,于1995年初開始現(xiàn)場試驗,天線陣列由8個陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調,陣元分布有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。試驗模型用數(shù)字波束成形的方法實現(xiàn)智能天線,采用ERA技術有限公司的專用ASIC芯片BDF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作為中央控制。

(3)在日本

ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后,進行快速付氏變換(FFT)處理,形成正交波束后,分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法,數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成,整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線的概念。

我國目前有部分單位也正進行相關的研究。信威公司將智能天線應用于TDD(時分雙工)方式的WLL系統(tǒng)中,信威公司智能天線采用8陣元環(huán)形自適應陣列,射頻工作于1785~1805MHz,采用TDD雙工方式,收發(fā)間隔10ms,接收機靈敏度最大可提高9dB。

3智能天線的優(yōu)勢

智能天線是第三代移動通信不可缺少的空域信號處理技術,歸納起來,智能天線具有以下幾個突出的優(yōu)點。

(1)具有測向和自適應調零功能,能把主波束對準入射信號并適應實時跟蹤信號,同時還能把零響點對準干擾信號。

(2)提高輸入信號的信干噪比。顯然,采用多天線陣列將截獲更多的空間信號,也即是獲得陣列增益。

(3)能識別不同入射方向的直射波和反射波,具有較強的抗多徑衰落和同信道干擾的能力。能減小普通均衡技術很難處理的快衰落對系統(tǒng)性能的影響。

(4)增強系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落的能力,因為天線陣列本質上具有空間分集的能力。

(5)可以利用智能天線,實時監(jiān)測電磁環(huán)境和用戶情況來提高網絡的管理能力。

(6)智能天線自適應調節(jié)天線增益,從而較好地解決遠近效應問題。為移動臺的進一步簡化提供了條件。越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動臺功率的電平來判斷的。由于陰影效應和多徑衰落的影響常常導致錯誤的越區(qū)轉接,從而增加了網絡管理的負荷和用戶的呼損率。在相鄰小區(qū)應用的智能天線技術,可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度,為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。

4智能天線與若干空域處理技術的比較

為了進一步理解智能天線的概念,我們把智能天線和相關的傳統(tǒng)空域處理技術加以比較。

(1)智能天線與自適應天線的比較

智能天線與自適應天線并沒有本質上的區(qū)別,只是由于應用場合不同而具有顯著的差異。自適應天線主要應用于雷達系統(tǒng)的干擾抵消,一般地,雷達接收到的干擾信號具有很強的功率電平,并且干擾源數(shù)目比天線陣列單元數(shù)少或相當。而在無線通信系統(tǒng)中,由于多徑傳播效應到達天線陣列的干擾數(shù)目遠大于天線陣列單元數(shù),入射角呈現(xiàn)隨機分布,功率電平也有很大的動態(tài)變化范圍,此時的天線叫智能天線。

對自適應天線而言,只需對入射干擾信號進行抵消以獲得信干噪比(SINR,SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。對智能天線而言,由于到達陣列的多徑信號的入射角和功率電平均數(shù)是隨機變化的,所以獲得的是統(tǒng)計意義上的信干噪比(SINR)的最大化。

(2)智能天線與空間分集技術的比較

空間分集是無線通信系統(tǒng)中常用的抗多徑衰落方案。M單元智能天線也可等效為由M個空間耦合器按優(yōu)化合并準則構成的空間分集陣列。因此可以認為智能天線是傳統(tǒng)分集接收的進一步發(fā)展。

但是智能天線與空間分集技術卻是有顯著的差別的。首先空間分集利用了陣列天線中不同陣元耦合得到的空間信號的弱相關性,也即是不同路徑的多徑信號的弱相關性。而智能天線則是對所有陣元接收的信號進行加權合并來形成空間濾波。一個根本性的區(qū)別:智能天線陣列結構的間距小于一個波長(一般取λ/2),而空間分集陣列的間距可以為數(shù)個波長。

(3)智能天線與小區(qū)扇區(qū)化的比較

小區(qū)的扇區(qū)化可以認為是一種簡化的、固定的預分配智能天線系統(tǒng)。智能天線則是動態(tài)地、自適應優(yōu)化的扇區(qū)化技術。現(xiàn)在,我們來討論一個頗有爭議的問題。根據(jù)IS-95建議,當采用120°扇區(qū)時系統(tǒng)容量將增加3倍。由此是否可以得到結論,扇區(qū)化波束越窄系統(tǒng)容量提高越大?考慮到實際的電磁環(huán)境,我們認為對這一問題的回答是否定的。這是因為窄波束接收到的信號往往是由許多相關性較強的多徑信號構成的。一般情況下,各徑信號的時延擴展小于一個chip周期。這時信號波形易于產生畸變從而降低信號的質量達不到增加系統(tǒng)容量的目的。同時如果采用過窄的波束接收信號,一旦該徑信號受到嚴重的衰落,則將直接導致通信的中斷。另外,過窄的接收波束在工程上是難以實現(xiàn)的,并將成倍地增加設備的復雜度。

5智能天線的未來展望

(1)目前還沒有一個完整的通信理論能夠較全面地將智能天線的所有課題有機地聯(lián)系起來,故需要建立一套較完整的智能天線理論;另一方面,高效、快速的智能算法也將是智能天線走向實用的關鍵。

(2)采用高速DSP技術,將原先的射頻信號轉移到基帶進行處理。基帶處理過程是數(shù)字算法的硬件實現(xiàn)過程。

(3)由于圓形布陣和二維任意布陣比等間隔線陣優(yōu)越,同時陣列天線的數(shù)字合成算法能夠用于任意形式陣列天線而形成任意圖案的方向圖,因而可考慮在CDMA基站中采用二維任意布陣的智能天線。

(4)在移動臺中(如手機)采用智能天線技術。

(5)采用智能天線技術來改善移動通信信道中上下鏈路不能使用同一套權值的問題,以改善上下鏈路的性能。

(6)目前,智能天線技術的研究已不是單一地研究智能天線本身,應與CDMA的一些關鍵技術(如多用戶檢測技術、多用戶接收技術、功率控制等)結合在一起研究。

6結束語

智能天線是一門綜合性很強的學科。它涉及到天線技術、無線電傳播技術、信號檢測與處理等多學科。智能天線已從單一的軍事應用步入民用通信領域。由于CDMA移動通信系統(tǒng)技術相對于FDMA、TDMA系統(tǒng)具有較大的容量,且由于智能天線可以降低多徑干擾、多址干擾等因素,這使得智能天線技術成為當前移動通信的研究熱點。