智能天線,智能天線工作原理是什么?

背景：隨著移動用戶數(shù)量的快速增加，尤其在我國人口密度較大的城市地區(qū)，移動業(yè)務運營公司和頻率資源管理部門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，而隨著用戶數(shù)量的不斷增加，這個問題會演變得愈來愈嚴重。面對挑戰(zhàn)，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：一是移動運營公司調(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。這種方法需要相對巨大的基建投資，同時帶來的干擾問題也比較突出；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，頻譜帶寬不可能無限擴展?；谶@樣的現(xiàn)實，智能無線技術(shù)也就應運而生了。智能無線技術(shù)最大的好處就是可以大大增加現(xiàn)有無線網(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, 將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來, 最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數(shù)字信號處理技術(shù)組成。

下圖描述了一個具有智能天線、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框圖。和傳統(tǒng)的沒有智能天線的基站比較, 他在硬件上由一個天線陣和一組收發(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。必須說明的是, 這一組收發(fā)信機將使用同一個本振源, 以保證此組收發(fā)信機是相干工作的。

每個射頻收發(fā)信機都有ADC 和DAC, 將收到的基帶模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號; 將待發(fā)射的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號。而所有收發(fā)數(shù)字信號都通過一組高速數(shù)字濾波器總線和基帶數(shù)字信號處理器來連接。

來自多個用戶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 個接收機在第n 時刻的輸出用S i (n) 表示。通過解擴和相應的數(shù)字信號處理, 可以獲得對每個碼道的接收數(shù)據(jù)。如果以X j i (∫) 表示第j 碼道的第∫個符號的數(shù)據(jù), 則在基帶進行上行波束賦形(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現(xiàn)其下行波束賦形, 此用戶在第j 碼道的第∫個符號可以表示為Y j (∫) 。而通過智能天線的下行波束賦形(調(diào)整基站中各個發(fā)射機所發(fā)射信號的幅度和相位) , 在第i 個天線陣元所發(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。必須說明的是,在求此波束形成矩陣時, 已知的僅僅是天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和各種接收機所收到的信號。對此, 學術(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(tǒng)實時性的要求。

作為一個簡化的特例, 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 天線使用一個環(huán)形天線陣, 8 個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為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, 波束賦形時還可以在有干擾的地方設(shè)置零點, 該零點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例，有的運營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，利用智能無線技術(shù)將城區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量提高了3倍，在郊區(qū)甚至提高了6倍。提高無線網(wǎng)絡(luò)容量對運營公司重要，對我國尤其重要，因為我國大城市的人口密度一般都很高。在提高無線網(wǎng)絡(luò)容量的同時，覆蓋范圍也有相應的改善。由于使用了智能無線技術(shù)，提高了小區(qū)的信號質(zhì)量，減少了鄰近小區(qū)的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，如果在WCDMA系統(tǒng)中使用智能無線技術(shù)，城區(qū)覆蓋范圍可以擴大1倍，郊區(qū)擴大了3倍。智能無線技術(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終端，基站和用戶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。盡管智能無線技術(shù)要求配置多個天線，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，所以使用多個低功率放大器反而大大節(jié)約了投資，同時還提高了整個功放子系統(tǒng)的可靠性。

智能天線

智能天線（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初應用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)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)開始在無線通信中廣泛應用。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，未來幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

在移動通信系統(tǒng)中,天線擔負著發(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通信系統(tǒng)的性能。

智能天線系統(tǒng)(smart antenna system)具有提高移動通信系統(tǒng)容量、質(zhì)量和減少干擾的功能。現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)正處于大力開展移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務,逐步向第三代移動通信過渡的階段,更需要解決提高載波與干擾之比(稱載干比,C/1)的問題,達到能提供更高數(shù)據(jù)傳送速率和增大系統(tǒng)容量兩大目標。應用智能天線系統(tǒng)將對上述兩大目標的實現(xiàn)起重要的作用。

智能天線是應用先進的技術(shù),把無線電的信號導向某個特定的方向,使無線電頻譜的利用率更高,信號的傳輸更為效。所謂的先進的技術(shù)主要是指波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應空間數(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智能天線兩類。智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當用戶在小區(qū)中移動時，基站在不同的相應波束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。下面對兩種智能天線簡單介紹一下:

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分區(qū)的窄波束(通常是15°～30°)天線。因為現(xiàn)在移動通信系統(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效傳播中。窄波束天線縮小了覆蓋的面積,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。從原理上來說,窄波束天線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。

窄波束天線系統(tǒng)需要用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)持續(xù)不斷地對本區(qū)內(nèi)每一個移動手機進行最佳波束的選擇,保證能在任一個時隙(按全球通移動通信系統(tǒng)的標準,“時隙”的長度為0.57毫秒)內(nèi)實現(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.自適應智能天線 自適應智能天線系統(tǒng)實現(xiàn)話務負荷平衡的原理如圖2-52所示。它應用了自適應空間數(shù)字處理技術(shù)測量不同波束的信號強度,能動態(tài)地改變每個扇區(qū)的波束寬度和方向角,以適應話務負荷分布狀況的改變。圖2左圖表示3個扇區(qū)的負荷很不平衡,b區(qū)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(qū)的負荷;而c區(qū)則自適應地改變了方向角,轉(zhuǎn)向原a區(qū),分擔了a區(qū)中部分的負荷,使a區(qū)過于大的負荷得到支援,從而實現(xiàn)了話務負荷的平衡。自適應智能天線系統(tǒng)具有比波束轉(zhuǎn)換智能天線更為先進的系統(tǒng)性能,但由于存在技術(shù)復雜、成本費用高等方面問題,目前實際應用尚少。

圖1用4個半功率角為30度的窄波束天線來覆蓋傳統(tǒng)的定向小區(qū)120度的區(qū)域

圖2通過每個扇區(qū)眼的波束寬度和方向角的改變來實現(xiàn)話務負荷平衡

近年來，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為移動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)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，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，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其它用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑效應。CDMA系統(tǒng)是個功率受限系統(tǒng)，智能天線的應用達到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

智能天線在本質(zhì)上是利用多個天線單元空間的正交性，即空分多址復用（SDMA）功能，來提高系統(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，使系統(tǒng)性能最佳化。

智能天線的核心在于數(shù)字信號處理部分，它根據(jù)一定的準則，使天線陣產(chǎn)生定向波束指向用戶，并自動地調(diào)整系數(shù)以實現(xiàn)所需的空間濾波。智能天線須要解決的兩個關(guān)鍵問題是辨識信號的方向和數(shù)字賦形的實現(xiàn)。

TD－SCDMA的智能天線使用一個環(huán)形天線陣，由8個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為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天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時產(chǎn)生多個波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內(nèi)任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設(shè)置零點，該零點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N＝8時，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB（對接收）和18dB（對發(fā)射）。每個振子的增益為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，對于傳輸非對稱的IP等數(shù)據(jù)、下載較大業(yè)務信息是非常適合的。

智能天線

智能天線(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無線接入系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。它利用時分雙工(TDD)使上下射頻信道完全對稱,以便于在基站使用智能天線技術(shù)。通過對相干接收到的、來自終端的信號在每個天線元及其相連接的接收機的反應,再進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(chǔ)上就可以計算下行信號在各個天線陣元的權(quán)重,并同時解決諸如天線上下行波束賦形、多址干擾消除、抗多徑干擾、均衡等問題。本系統(tǒng)為每一條碼道產(chǎn)生一個天線波束,實現(xiàn)了空分多址(SDMA)。其結(jié)果不僅增加了通信距離、也簡化了信號處理的復雜性、大大降低了干擾、增加了系統(tǒng)容量。

智能天線最初只是應用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域等。近幾年來,隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展,智能天線技術(shù)已經(jīng)成功應用于移動通信系統(tǒng),并通過對無線數(shù)字信號的高速時空處理,極大地改善了頻譜的使用效率。

智能天線的基本思想是:天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶,接收模式下,來自窄波束之外的信號被抑制,發(fā)射模式下,能使期望用戶接收的信號功率最大,同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時分多址(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)。即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,仍然可以根據(jù)信號不同的中間傳播路徑而區(qū)分。

智能天線分為兩大類:多波束天線與自適應天線陣列。

多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū),每個波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當用戶在小區(qū)中移動時,基站在不同的相應波束中進行選擇,使接收信號最強。多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收,一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比,多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。

自適應天線陣列是智能天線的主要類型,可以完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應天線陣列一般采用4-16天線陣元結(jié)構(gòu),陣元間距為半個波長。使用自適應陣列天線技術(shù)能擴大系統(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,減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。