通信論文投稿期刊推薦《中國新通信》雜志是由中國科學技術(shù)協(xié)會主管，中國電子學會主辦，《中國數(shù)據(jù)通信》雜志社編輯出版的集權(quán)威性、實用性、技術(shù)性、普及性于一體的數(shù)據(jù)通信專業(yè)技術(shù)刊物。技術(shù)版為月刊。覆蓋范圍：電信、電子、郵政、金融、交通、石油、電力、廣電、教育、鐵路、醫(yī)療、部隊等相關(guān)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的部門與系統(tǒng)。
　　摘要：智能天線被公認為是未來移動通信的一種發(fā)展趨勢。文章對天線的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)性能的改善及國外研究狀況等進行了闡述,指出了研究過程中存在的問題及發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：智能天線,移動通信,空分多址

　　1智能天線的基本概念及組成

　　1.1基本概念及工作原理

　　在移動通信中,智能天線是天線陣在感知和判斷自身所處電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上,依據(jù)一定的準則,自動地形成多個高增益的動態(tài)窄波束,以跟蹤移動用戶,同時抑制波束以外的各種干擾和噪聲,從而處于最佳工作狀態(tài)。智能天線吸取了自適應天線的抗干擾原理,依靠陣列信號處理和數(shù)字波束形成技術(shù)發(fā)展起來。由于天線有發(fā)射和接收兩種狀態(tài),所以智能天線包含智能化發(fā)射和智能化接收兩個部分,它們的工作原理基本相同。圖1所示的是處于接收狀態(tài)的智能天線結(jié)構(gòu)圖�，F(xiàn)以發(fā)射狀態(tài)的智能天線為例,說明波束的形成。將M維信號矢量S(t)=(s1(t),s2(t),...sM(t))T與一個N×M階加權(quán)矩陣W相乘,得到一個N維的陣信號矢量X(t)=W×S(t)。其中,X(t)=(x1(t),x2(t),x3(t),…xN(t))T,在遠區(qū)產(chǎn)生的場強為:

　　顯然,Σnwnmfn(θ)表示單路信號sm(t)的輻射方向圖。一旦天線陣確定下來后,它的方向性函數(shù)fn(θ)也隨之確定,于是只要通過改變wnm就可形成所需要的輻射方向圖。

　　1.2組成及關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)射頻部分

　　射頻部分包括陣列天線和高頻處理。在移動通信系統(tǒng)中,天線陣通常采用直線陣和平面陣兩種方式。陣的形式確定下來后,天線單元的選擇非常關(guān)鍵,除了必須滿足系統(tǒng)提出的頻帶、駐波比、增益、極化等性能指標外,在實際中還要做到單元間的互耦小、一致性好和加工方便等,微帶天線憑借自身特有的優(yōu)勢,已經(jīng)在這方面得到廣泛的應用。高頻處理主要是指對接收或發(fā)射信號進行放大,以滿足A/D變換或發(fā)射功率的要求。考慮到智能天線對誤差非常敏感,還要保證射頻部分各個支路幅度和相位的一致性。

　　(2)中頻部分

　　目前受數(shù)字器件水平的限制,還不能直接對來自天線單元的微波信號進行采樣。較為常用的辦法是:先利用下變頻器將微波高頻信號變到中頻,然后使該支路的模擬信號經(jīng)過濾波和放大等中頻處理,最后對它進行采樣,典型的實現(xiàn)方法有兩種,分別如圖2(a)、(b)所示。

　　圖2(a)所示的是雙下變頻接收機,通過兩級混頻器,完成高頻信號到中頻的變換。這種接收機的優(yōu)點是降低了對A/D變換器采樣速率的要求,而且整個接收機的增益分配也有一定的靈活性。圖2(b)為直接采樣接收機,它借助于更快速度的A/D變換器和其他一些輔助的數(shù)字器件,在中頻直接對信號進行采樣,避免了信道中I和Q兩路信號的匹配問題。圖中均衡器的作用是補償各支路間幅度和相位的不一致。

　　(3)數(shù)字波束形成部分

　　數(shù)字波束形成(DBF)是智能天線的核心部分,在硬件上需要有高速率的數(shù)字信號處理芯片支持。目前能用于該領(lǐng)域的數(shù)字器件主要有兩種:一種是通用的DSP芯片,如TMS320系列;另一種是專用集成電路(ASIU),其中最為典型的是能進行大規(guī)模并行處理的FPGA。數(shù)字波束形成在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應算法,以調(diào)整加權(quán)系數(shù)。目前在通信領(lǐng)域研究得較多的算法主要有:LMS及其改進算法RLS、SMI和CMA等。值得注意的是基于特征值分解的自適應數(shù)字波束形成算法越來越受到重視,它不僅能很好地與超分辨測向算法統(tǒng)一起來,而且能自動校正通道不匹配、陣元位置偏差等許多因素所產(chǎn)生的誤差,具有很強的魯棒性(Robust),缺點是計算量大。由于移動通信環(huán)境非常復雜,各種算法都有其優(yōu)缺點,需要相互并用才能取長補短,使系統(tǒng)的性能最佳。

　　2移動通信系統(tǒng)采用智能天線的好處

　　2.1提高系統(tǒng)容量和頻譜效率

　　智能天線通過以下途徑來提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率:(1)產(chǎn)生多個窄波束來對準移動用戶,以致處于發(fā)射狀態(tài)時能減少對附近小區(qū)移動用戶的共信道干擾,處于接收狀態(tài)時各種干擾信號因落入方向圖零點而被抑制;(2)具有空分多址性能。假設(shè)智能天線形成N個波束來跟蹤移動用戶,那么在理論上,該小區(qū)內(nèi)相同的頻率就可重復利用N次,系統(tǒng)的容量增加N倍,或者在容量不變的情況下,服務的小區(qū)面積可增加N1r倍(r是電波傳播損耗因子,通常為4);(3)智能天線還能明顯提高接收信號的信噪比,改善系統(tǒng)的服務質(zhì)量,意味著在不提高服務質(zhì)量的條件下可增加用戶數(shù)量。研究表明,現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的每個基站都使用四單元的智能天線后,系統(tǒng)的容量可提高7倍,而在同樣條件下,采用四個固定波束的天線只能增加1倍的容量。以上結(jié)果都是與全向天線相比而言。

　　2.2智能化的信道分配和越區(qū)切換

　　智能天線采用數(shù)字信號方式將各支路的有用信號保留到A/D變換之后,借助于陣列信號處理,可對各種信號(包括通信信號和干擾信號)的參數(shù)(如信號個數(shù)、頻率、到達角等)進行估計,對移動用戶進行定位和跟蹤。有了這些重要信息,智能天線就能打破傳統(tǒng)按固定邊界小區(qū)分配信道數(shù)的思路,將其波束覆蓋的區(qū)域定義為一個智能小區(qū),根據(jù)該小區(qū)內(nèi)用戶群業(yè)務量的大小,實時分配信道,大大提高了信道利用率。

　　由于智能天線能夠隨時提供移動用戶的位置信息,控制中心就可利用它們計算出用戶的移動速度和方向,非常容易實現(xiàn)越區(qū)切換。這種所謂的“智能切換”,既不同于“硬切換”,也不同于“軟切換”。

　　2.3提高通信質(zhì)量和傳輸效率

　　智能天線用于移動通信系統(tǒng)后,能明顯改善BER性能。對于一個CDMA移動通信系統(tǒng),當小區(qū)內(nèi)有K個用戶同時工作時,在采用RLS算法的智能天線和全向天線兩種情況下,BER的表達式分別如下:

　　其中,Q(X)是標準Q函數(shù),G是CDMA系統(tǒng)處理增益,β值為0.05513,D是智能天線增益。此外,智能天線還能有效地提高接收信號的信噪比、降低碼間串擾和通信過程中的掉話率,提高通信質(zhì)量。

　　與固定波束的天線相比,智能天線窄波束產(chǎn)生的增益一方面可降低發(fā)射臺的功率,另一方面可減小移動終端的體積和重量、延長終端電池的使用壽命,或可以采用更小的電池,降低整個系統(tǒng)的成本。

　　3國外智能天線的研究

　　3.1用于衛(wèi)星移動通信的智能天線

　　L波段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的智能天線陣采用由16個環(huán)形微帶貼片天線組成的4×4方形平面陣,射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A/D變換器的采樣速率為128kHz,分辨率為8位。在數(shù)字信號處理部分,選用10個FPGA芯片,其中8片用于16個天線支路的準相干檢測和快速傅立葉變換,另外2片起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應算法選用CMA。對該系統(tǒng)進行外場測試發(fā)現(xiàn),能產(chǎn)生16個波束來覆蓋整個上半空間,并且不需要借助任何傳感器,就能用最高增益波束自動捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號,在各種復雜環(huán)境下都能提供比其他天線高得多的通信質(zhì)量。

　　3.2用于蜂窩移動通信系統(tǒng)的智能天線

　　用于蜂窩移動通信基站的智能天線基本設(shè)計思想是當天線工作在接收狀態(tài)時,利用高分辨測向算法(如ESPRIT)獲得通信信號的引導矢量,求得上行鏈路加權(quán)系數(shù)。當智能天線處于發(fā)射狀態(tài)時,對于時分復用系統(tǒng),由于上下行鏈路使用相同頻率,上行鏈路的加權(quán)系數(shù)可直接用于下行鏈路;對于頻分復用系統(tǒng),上下行鏈路之間一般有四十幾MHz的頻率間隔,因此上行鏈路的加權(quán)系數(shù)必須經(jīng)過適當處理后,才能用于下行鏈路。該智能天線工作在900MHz,天線陣選用間距為λ/2的8個微帶天線所排成的直線陣,中頻頻率為144MHz。對于(1)視線內(nèi)無阻擋、無多徑信號,(2)視線內(nèi)無阻擋、有一路多徑信號,(3)視線內(nèi)有阻擋,天線只能接收到反射信號,在這三種不同的環(huán)境下,對該天線的性能指標進行多次測試發(fā)現(xiàn):與單個天線的情況相比,智能天線能明顯地減少上下行鏈路的衰落,提高信噪比。

　　3.3其它智能天線

　　歐洲RACETSUNAMI計劃中的智能天線采用DECT標準,射頻頻率為1.89GHz,天線陣由8個微帶貼片組成,組陣方式可變。數(shù)字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,在軟件上分別由MUSIC算法和NLMS、RLS完成測向和求得最佳加權(quán)系數(shù)。在典型的市區(qū)環(huán)境下進行測試表明,該智能天線有效跟蹤的方向分辨率大約為15°,BER優(yōu)于10-3。

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