3G之智能天線
智能天線
劉林南 博士
智能天線技術(shù)
引言
智能天線的形式
智能天線的結(jié)構(gòu)
智能天線的信號(hào)模型
智能天線的賦形
智能天線在3G中的應(yīng)用
智能天線的現(xiàn)狀及展望
引言
智能天線的基本思想；
空分多址的概念；
智能天線和自適應(yīng)天線的區(qū)別。
智能天線的基本思想
天線以多個(gè)高增益窄帶波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶；
接收模式下，來(lái)自窄帶波束以外地信號(hào)被抑制；
發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大，同時(shí)使窄帶波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最??；


空分多址的概念
與傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA）、十分多址（TDMA）和碼分多址不同，智能天線引入空分多址（SDMA），利用用戶空間位置的不同來(lái)區(qū)分不同用戶；
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)不同的傳播路徑來(lái)區(qū)分；
空分多址的概念
SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式，例如空時(shí)－碼分多址（SD-CDMA）；
智能天線與傳統(tǒng)天線在概念上的區(qū)別，智能天線理論支撐是信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)理論，信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理。
智能天線和自適應(yīng)天線的不同
智能天線以自適應(yīng)天線為基礎(chǔ)的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過(guò)抑制干擾和對(duì)抗衰落來(lái)增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而提高頻譜利用率，不僅涉及智能接收，還包括智能發(fā)射；
智能天線與自適應(yīng)天線有著本質(zhì)的區(qū)別，后者只能對(duì)功率方向圖進(jìn)行調(diào)整，而前者還可以獨(dú)立的對(duì)信道方向圖進(jìn)行調(diào)整。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號(hào)方向的不同，將不同信號(hào)分開(kāi)，從而對(duì)傳統(tǒng)信道空分復(fù)用，增加系統(tǒng)容量。
智能天線的形式
根據(jù)工作方式的不同：
欲多波束或切換波束系統(tǒng)；
自適應(yīng)陣列系統(tǒng)；
根據(jù)波束形成的不同：
陣元空間處理方式；
波束空間處理方式；
切換波束系統(tǒng)

自適應(yīng)陣列系統(tǒng)

陣元空間處理方式
陣元空間處理方式直接對(duì)各陣元按接收信號(hào)采樣進(jìn)行加權(quán)求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向。由于各種陣元均參與自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整，這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處理。
波束空間處理方式
包含兩級(jí)處理過(guò)程，第一級(jí)對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成多個(gè)指向不同方向的波束；
第二級(jí)對(duì)第一級(jí)的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出，此方案不是對(duì)全部陣元是從整天計(jì)算最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對(duì)其中的部分陣元作自適應(yīng)處理，因此，屬于部分自適應(yīng)陣列處理；
計(jì)算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。
智能天線的結(jié)構(gòu)
典型陣列；
結(jié)構(gòu)原理；
系統(tǒng)組成。
典型陣列
均勻線陣；
隨機(jī)分步線陣；
十字陣；
圓陣；
面陣，等。
結(jié)構(gòu)原理圖

智能天線的系統(tǒng)組成
天線陣列：
天線陣元數(shù)量與天線陣元的配置方式，對(duì)智能天線的性能有著重要的影響；
模數(shù)轉(zhuǎn)換：
接收鏈路：模擬信號(hào) → 數(shù)字信號(hào)
發(fā)射鏈路：數(shù)字信號(hào) → 模擬信號(hào)
智能處理：
天線波束在一定范圍內(nèi)能根據(jù)用戶的需要和天線傳播環(huán)境的變化而自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，包括：
以數(shù)字信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理器，用來(lái)產(chǎn)生自適應(yīng)的最優(yōu)權(quán)值系數(shù)：
以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)
智能天線的信號(hào)模型

智能天線的信號(hào)模型

智能天線的賦形
波束形成技術(shù)：
使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高陣列輸出所需信號(hào)的強(qiáng)度；
零點(diǎn)技術(shù)：
使陣列天線方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，減少干擾信號(hào)的強(qiáng)度；
空間譜估計(jì)技術(shù)：
處理帶寬內(nèi)信號(hào)的到達(dá)方向DOA（Direction of Arrival）的問(wèn)題；


智能天線的常用準(zhǔn)則
最大信干噪比準(zhǔn)則：
最佳加權(quán)使得陣列輸出信號(hào)的信號(hào)干擾噪聲比最大；
最小均方誤差準(zhǔn)則：
最佳加權(quán)使得陣列輸出和有用信號(hào)的均方誤差最??；
最小方差準(zhǔn)則：
最佳加權(quán)使得陣列輸出噪聲的方差最??；
最大似然準(zhǔn)則：
經(jīng)過(guò)空時(shí)加權(quán)后的估計(jì)信號(hào)與期望信號(hào)有最大可能的相似；
智能天線在3G中的應(yīng)用
歐洲
歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，1995年初開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。
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(zhǎng)的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。
中國(guó)
ArrayComm公司和中國(guó)郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無(wú)線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。
中國(guó)的TD-SCDMA是3G中比較明確使用智能天線的方案
智能天線的發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)已將智能天線技術(shù)列入國(guó)家863-317通信技術(shù)主課題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)；
我國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)作為系統(tǒng)根基的SCDMA-WLL的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，足以證明基于TD-SCDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是可行和成熟的
美國(guó)Metawave公司，ArrayComm公司對(duì)智能天線進(jìn)行了大量研究；
智能天線的研究方向
論證智能天線對(duì)通信系統(tǒng)的功效：
對(duì)通信系統(tǒng)容量的提高；
抗多徑干擾的性能；
提出優(yōu)化方案和快速算法；



3G之智能天線