智能天線及其應用

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：深圳市彼達通訊設備有限公司   人氣： 發表時間：2011年10月28日

一、序

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、同時隙的信號區分開來。它可以成倍地擴展通信容量，并和其他復用技術相結合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由于復雜的地形、建筑物結構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質量受到嚴重影響。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。它通過調節各陣元信號的加權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，從而實現波束隨著用戶走。它可提高天線增益，減少信號發射功率，延長電池壽命，減小用戶設備的體積。或在不降低發射功率的前提下，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，如導航、緊急救助等。天線的空間分集可以克服快衰落，顯著提高通信質量，有時也把它歸入智能天線的范疇。

近年來國內外不少公司在開發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套加權器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數M可以大于天線單元數N。根據采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：

1. 自適應方向圖智能天線

它采用自適應算法，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。但是它的動態響應速度相對較慢。另外，由于波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統中上下行的響應不同，因此它不適應于頻分雙工而比較適應時分雙工系統。自適應天線陣著眼于信號環境的分析與權集實時優化上。

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學困難，同時建立了信號環境與處理結果的直接聯系。自適應天線陣的重要特征是應用信號處理的理論和方法、自動控制的技術，解決天線權集優化問題。

自適應天線自出現以來，已有30多年。大體上可以分成三個發展階段：第一個10年主要集中在自適應波束控制上，第二個10年主要集中在自適應零點控制上；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。在大規模集成電路技術發展的促進下，八十年代以后自適應天線逐步進入應用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應信號處理理論與技術也得到了大力發展與廣泛的應用。

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)，然后根據信號的DOA選取合適的陣元加權，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。與自適應智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應速度快，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境的DOA檢測算法進行了相當的理論和實驗研究。Bigler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，各種情況下測試結果的標準偏差均小于4度。

在多徑環境下，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、不同環境（城巿、農村、商業區、樓內）進行了分析，給出了對應的模型。在美國的Boston地區，New Jersey的高速公路,德國的Munich地區等進行了大量的測試。結果表明，在農村、城郊以及許多城區，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓練序列進行信道估計，可以給出空間信道的響應，這也是研究的熱點之一。

三、智能天線的增益

8元圓形自適應陣列對1用戶(實心矩形)、10干擾用戶(空心矩形)通信環境的等效方向圖。由圖2可見，系統在干擾方向形成凹點，并在所需信號方向形成峰值。通常自適應算法在無干擾信號的其它角度上也可能出現峰值。

一個門限值為6dB的32用戶CDMA系統中，在基站引入采用自適應、-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Eb/N的累積概率分布。可以看出，采用智能天線以后，系統的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，在不同用戶數時系統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的擴容能力分別為6.56、6.41、5.47、4.9倍。

四、時空信號聯合處理技術

智能天線實際上是一種空間信號處理技術。如果它和時間信號處理技術相結合，就會獲得更大的好處。在時間信號處理方面，如均衡技術，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用。它們本身也常用于克服多徑衰落，提高通信質量。把兩種信號處理技術結合起來，產生一種新的統一的算法，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探測器和相應的控制器，用以產生加權數。

圖7給出了一個用于DSCDMA系統的時空域聯合處理系統結構框圖。它除了有智能天線部分，還有多用戶聯合檢測部分。在多用戶聯合檢測部分，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后重新擴頻，自適應數字濾波器ADFi用來識別包括無線信道和天線陣列的參數，以產生對干擾的復制。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)經過自適應濾波器ADF0得到用戶0的信號。再通過Dem0解調后得到基帶信息，把它重新擴頻、調制再與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（無多用戶聯合檢測）、全向天線（有多用戶聯合檢測）、智能天線（無多用戶聯合檢測）、智能天線（有多用戶聯合檢測）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致誤碼率高于無多用戶聯合檢測的智能天線，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。

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合檢測的智能天線。

五、動態信道分配

在通信中，信道的分配是保障通信質量，有效利用信道的關鍵技術之一。當空分信道引入系統后，空、頻、時、碼分信道的動態分配算法成為新的技術難點。后三種信道分配技術是確定性的，在小區內它與環境無關，可以由系統根據用戶情況實施動態分配。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，空分信道必須相應變化，隨時進行動態分配，以跟蹤用戶。它必須與時、頻信道的分配和切換結合起來。這需要一種高效算法，以適應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，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，其性能要優于現有的功率控制技術。所謂波束跟著用戶走還包含著功率控制。現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，基地臺間的越區切換可以采用更為靈活的方法，更好地克服CDMA系統中的呼吸現象。

六、結束語

天線技術是當前移動通信發展的瓶頸之一，是目前最有活力、最富有挑戰性的學術和技術領域。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，如陶瓷介質材料、超導天線等不斷出現；新的天線形式，如金屬介質多層結構、復合縫隙陣、各種陣列天線等不斷產生。另一方面，在目前電磁環境日益惡化的情況下，將空間信號和時間信號處理結合，采用智能天線和軟件無線電技術是解決需求和可能矛盾的根本出路。自適應天線已經歷了40多年的發展歷史，有了長足的進步。但是，智能天線的發展必將在更高層次上、更廣泛的內涵上將無線通信帶入新的時代。