智能天線工作原理是什么

智能天線,智能天線工作原理是什么?

　　隨著移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量的快速增加，尤其在我國(guó)人口密度較大的城市地區(qū)，移動(dòng)業(yè)務(wù)運(yùn)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(zhàn)，頻率資源已經(jīng)成為制約繼續(xù)發(fā)展的瓶頸，而隨著用戶(hù)數(shù)量的不斷增加，這個(gè)問(wèn)題會(huì)演變得愈來(lái)愈嚴(yán)重。面對(duì)挑戰(zhàn)，人們提出了不同的解決方案，得到比較廣泛認(rèn)可的有兩種方法：一是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)公司調(diào)整基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，增加基站數(shù)量和小區(qū)數(shù)量。這種方法需要相對(duì)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(kuò)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(kuò)展。基于這樣的現(xiàn)實(shí)，智能無(wú)線技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生了。智能無(wú)線技術(shù)最大的好處就是可以大大增加現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量，且所需的經(jīng)濟(jì)成本比較合理。

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

　　下圖描述了一個(gè)具有智能天線、工作于TDD方式CDMA基站的示意方框圖。和傳統(tǒng)的沒(méi)有智能天線的基站比較,他在硬件上由一個(gè)天線陣和一組收發(fā)信機(jī)組成了其射頻部分,而在基帶信號(hào)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(jī)將使用同一個(gè)本振源,以保證此組收發(fā)信機(jī)是相干工作的。

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

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

　　其中:W為上行波束賦形矩陣,其矩陣元素為W ij(∫)。

　　智能天線的下一步是實(shí)現(xiàn)其下行波束賦形,此用戶(hù)在第j碼道的第∫個(gè)符號(hào)可以表示為Y j(∫)。而通過(guò)智能天線的下行波束賦形(調(diào)整基站中各個(gè)發(fā)射機(jī)所發(fā)射信號(hào)的幅度和相位),在第i個(gè)天線陣元所發(fā)射的信號(hào)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(hào),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),已知的僅僅是天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和各種接收機(jī)所收到的信號(hào)。對(duì)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(hào)處理能力和對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)中,若組成智能天線系統(tǒng)的各射頻收發(fā)信機(jī)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天線使用一個(gè)環(huán)形天線陣,8個(gè)完全相同的天線元素均勻地分布在一個(gè)半徑為r的圓上。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。在360°范圍內(nèi)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(shè)置零點(diǎn),該零點(diǎn)處的天線輻射電平比最大輻射方向約低40 dB。

　　現(xiàn)狀及其發(fā)展方向：在日本，可以看到很多智能天線的實(shí)例，有的運(yùn)營(yíng)公司采用了這項(xiàng)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(guó)家的WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，利用智能無(wú)線技術(shù)將城區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量提高了3倍，在郊區(qū)甚至提高了6倍。提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量對(duì)運(yùn)營(yíng)公司重要，對(duì)我國(guó)尤其重要，因?yàn)槲覈?guó)大城市的人口密度一般都很高。在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)，覆蓋范圍也有相應(yīng)的改善。由于使用了智能無(wú)線技術(shù)，提高了小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量，減少了鄰近小區(qū)的干擾，因此也擴(kuò)大了覆蓋范圍。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果在WCDMA系統(tǒng)中使用智能無(wú)線技術(shù)，城區(qū)覆蓋范圍可以擴(kuò)大1倍，郊區(qū)擴(kuò)大了3倍。智能無(wú)線技術(shù)的干擾緩解機(jī)制還有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號(hào)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(dá)到同樣的信號(hào)質(zhì)量水平。盡管智能無(wú)線技術(shù)要求配置多個(gè)天線，因此增加了功率放大器的數(shù)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(fù)雜，成本高昂，所以使用多個(gè)低功率放大器反而大大節(jié)約了投資，同時(shí)還提高了整個(gè)功放子系統(tǒng)的可靠性。

　　智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域。近年來(lái)，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)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(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術(shù)開(kāi)始在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來(lái)幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,天線擔(dān)負(fù)著發(fā)射和接收空間電磁坡的重要作用。天線性能的好壞直接影響著移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。

　　智能天線系統(tǒng)(smart antenna system)具有提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量、質(zhì)量和減少干擾的功能。現(xiàn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)正處于大力開(kāi)展移動(dòng)數(shù)據(jù)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(dá)到能提供更高數(shù)據(jù)傳送速率和增大系統(tǒng)容量?jī)纱竽繕?biāo)。應(yīng)用智能天線系統(tǒng)將對(duì)上述兩大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起重要的作用。

　　智能天線是應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù),把無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向某個(gè)特定的方向,使無(wú)線電頻譜的利用率更高,信號(hào)的傳輸更為效。所謂的先進(jìn)的技術(shù)主要是指波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)。智能天線有波束轉(zhuǎn)換智能天線和自適應(yīng)智能天線兩類(lèi)。智能天線分為兩大類(lèi)：多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶(hù)在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。因?yàn)橛脩?hù)信號(hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶(hù)位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類(lèi)型，可以完成用戶(hù)信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。下面對(duì)兩種智能天線簡(jiǎn)單介紹一下:

　　1.波束轉(zhuǎn)換智能天線智能天線是在分區(qū)傳輸途徑的概念上發(fā)展起來(lái)的。這種天線把現(xiàn)用的全向性天線或1200方向性的天線改變成為多個(gè)分區(qū)的窄波束(通常是15°～30°)天線。因?yàn)楝F(xiàn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)基站天線系統(tǒng)的覆蓋面積較大,天線的功率大部分損耗在電波的無(wú)效傳播中。窄波束天線縮小了覆蓋的面積,因而相對(duì)地提高了信號(hào)的強(qiáng)度。例如,30°窄波束的覆蓋面積只有1200天線覆蓋面積的四分之一(如圖1所示),因此它接收同頻道區(qū)內(nèi)干擾的窗口也縮小到四分之一。從原理上來(lái)說(shuō),窄波束天線接收到的干擾也減少到四分之-,相當(dāng)于把載波干擾比提高了6分貝。

　　窄波束天線系統(tǒng)需要用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)持續(xù)不斷地對(duì)本區(qū)內(nèi)每一個(gè)移動(dòng)手機(jī)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(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),“時(shí)隙”的長(zhǎng)度為0.57毫秒)內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)叫做“波束轉(zhuǎn)換技術(shù)(swithched beam technology)”,而這種智能天線也叫做“波束轉(zhuǎn)換智能天線”。

　　2.自適應(yīng)智能天線自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)話(huà)務(wù)負(fù)荷平衡的原理如圖2-52所示。它應(yīng)用了自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)測(cè)量不同波束的信號(hào)強(qiáng)度,能動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)扇區(qū)的波束寬度和方向角,以適應(yīng)話(huà)務(wù)負(fù)荷分布狀況的改變。圖2左圖表示3個(gè)扇區(qū)的負(fù)荷很不平衡,b區(qū)的負(fù)荷最輕,因而自適應(yīng)地放寬了波束寬度,并承擔(dān)了原c區(qū)的負(fù)荷;而c區(qū)則自適應(yīng)地改變了方向角,轉(zhuǎn)向原a區(qū),分擔(dān)了a區(qū)中部分的負(fù)荷,使a區(qū)過(guò)于大的負(fù)荷得到支援,從而實(shí)現(xiàn)了話(huà)務(wù)負(fù)荷的平衡。自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)具有比波束轉(zhuǎn)換智能天線更為先進(jìn)的系統(tǒng)性能,但由于存在技術(shù)復(fù)雜、成本費(fèi)用高等方面問(wèn)題,目前實(shí)際應(yīng)用尚少。

　　近年來(lái)，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。與無(wú)方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，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)，由于天線波瓣直接指向用戶(hù)，減小了與本小區(qū)內(nèi)其它用戶(hù)之間，以及與相鄰小區(qū)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(yīng)。CDMA系統(tǒng)是個(gè)功率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達(dá)到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

　　智能天線在本質(zhì)上是利用多個(gè)天線單元空間的正交性，即空分多址復(fù)用(SDMA)功能，來(lái)提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。這樣，TD-SCDMA系統(tǒng)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(shì)，使系統(tǒng)性能最佳化。

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

　　TD-SCDMA的智能天線使用一個(gè)環(huán)形天線陣，由8個(gè)完全相同的天線元素均勻地分布在一個(gè)半徑為R的圓上所組成。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。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(nèi)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(shè)置零點(diǎn)，該零點(diǎn)處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。TD-SCDMA使用的智能天線當(dāng)N=8時(shí)，比無(wú)方向性的單振子天線的增益分別大9dB(對(duì)接收)和18dB(對(duì)發(fā)射)。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線的發(fā)射增益要比接收增益大得多，對(duì)于傳輸非對(duì)稱(chēng)的IP等數(shù)據(jù)、下載較大業(yè)務(wù)信息是非常適合的。

　　智能天線(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無(wú)線接入系統(tǒng)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(duì)稱(chēng),以便于在基站使用智能天線技術(shù)。通過(guò)對(duì)相干接收到的、來(lái)自終端的信號(hào)在每個(gè)天線元及其相連接的接收機(jī)的反應(yīng),再進(jìn)行相應(yīng)的空間譜處理,獲得此信號(hào)的空間特征矢量及矩陣,并得到信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向(DOA)估值,在此基礎(chǔ)上就可以計(jì)算下行信號(hào)在各個(gè)天線陣元的權(quán)重,并同時(shí)解決諸如天線上下行波束賦形、多址干擾消除、抗多徑干擾、均衡等問(wèn)題。本系統(tǒng)為每一條碼道產(chǎn)生一個(gè)天線波束,實(shí)現(xiàn)了空分多址(SDMA)。其結(jié)果不僅增加了通信距離、也簡(jiǎn)化了信號(hào)處理的復(fù)雜性、大大降低了干擾、增加了系統(tǒng)容量。

　　智能天線最初只是應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域等。近幾年來(lái),隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展,智能天線技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng),并通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)字信號(hào)的高速時(shí)空處理,極大地改善了頻譜的使用效率。

　　智能天線的基本思想是:天線以多個(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(hào)被抑制,發(fā)射模式下,能使期望用戶(hù)接收的信號(hào)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。智能天線是利用用戶(hù)空間位置的不同來(lái)區(qū)分不同用戶(hù)。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA),智能天線引入第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(jù)信號(hào)不同的中間傳播路徑而區(qū)分。

　　智能天線分為兩大類(lèi):多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。

　　多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區(qū),每個(gè)波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶(hù)在小區(qū)中移動(dòng)時(shí),基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇,使接收信號(hào)最強(qiáng)。多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收,一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比,多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。

　　自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類(lèi)型,可以完成用戶(hù)信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列一般采用4-16天線陣元結(jié)構(gòu),陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。使用自適應(yīng)陣列天線技術(shù)能擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域,提高系統(tǒng)容量,提高數(shù)據(jù)傳輸速率,提高頻譜利用效率,降低基站發(fā)射功率,節(jié)省系統(tǒng)成本,減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染。