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
天線以多個高增益窄帶波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶；
接收模式下，來自窄帶波束以外地信號被抑制；
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區(qū)分不同用戶；
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)信號不同的傳播路徑來區(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，從而可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空時－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統(tǒng)計檢測與估計理論，信號處理及最優(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)是通過抑制干擾和對抗衰落來增加系統(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，后者只能對功率方向圖進(jìn)行調(diào)整，而前者還可以獨立的對信道方向圖進(jìn)行調(diào)整。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號方向的不同，將不同信號分開，從而對傳統(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各陣元按接收信號采樣進(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準(zhǔn)用戶信號到達(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
包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成多個指向不同方向的波束；
第二級對第一級的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元是從整天計算最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對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 → 數(shù)字信號
發(fā)射鏈路：數(shù)字信號 → 模擬信號
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)字信號處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號處理器，用來產(chǎn)生自適應(yīng)的最優(yōu)權(quán)值系數(shù)：
以動態(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)
智能天線的信號模型

智能天線的信號模型

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的強(qiáng)度；
零點技術(shù)：
使陣列天線方向圖的零點對準(zhǔn)干擾方向，減少干擾信號的強(qiáng)度；
空間譜估計技術(shù)：
處理帶寬內(nèi)信號的到達(dá)方向DOA（Direction of Arrival）的問題；


智能天線的常用準(zhǔn)則
最大信干噪比準(zhǔn)則：
最佳加權(quán)使得陣列輸出信號的信號干擾噪聲比最大；
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)過空時加權(quán)后的估計信號與期望信號有最大可能的相似；
智能天線在3G中的應(yīng)用
歐洲
歐洲通信委員會(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，1995年初開始現(xiàn)場試驗。天線由八個陣元組成，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的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。
中國
ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。
中國的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
我國已將智能天線技術(shù)列入國家863-317通信技術(shù)主課題研究中的個人通信技術(shù)分項；
我國的第三代移動通信系統(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線電技術(shù)作為系統(tǒng)根基的SCDMA-WLL的現(xiàn)場運行結(jié)果，足以證明基于TD-SCDMA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)是可行和成熟的
美國Metawave公司，ArrayComm公司對智能天線進(jìn)行了大量研究；
智能天線的研究方向
論證智能天線對通信系統(tǒng)的功效：
對通信系統(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