智能天线的研究

智能天线的研究摘要随着信息化社会的到来，空间电磁环境日趋复杂，信号频谱密度越来越高，如何有效利用有限的频谱资源已成为人们普遍关心的重要问题之一。智能天线就是在这样一种设想下提出来的一种新型天线系统，它通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束之乡来实现空间分离，最终提高了频谱利用率。本文首先介绍了智能天线的基本概念、原理、优点、发展现状及发展趋势；接着介绍了基站用智能天线的基本阵列模型——线阵及圆形阵波束形成；然后介绍了智能天线的两种基本算法：Capon波束形成算法和空间零点预处理波束合成。最后，采用数字波束形成技术，形成了基站圆环阵列智能天线数字波束形成算法。并对基站圆环阵列智能天线的多波束方向图进行综合，得到了希望得到的多个波束。关键词：智能天线，阵列模型，基本算法，圆环阵列，数字波束形成，软件无线电第一章绪论1.1课题研究背景智能天线是3G的一项关键技术，作为当今三大主流标准之一的TD-SCDMA（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess)是由中国自主提出使用的TDD方式的(时分双工方式)的第三代移动通信系统标准。TD-—SCDMA的核心技术之一就是智能天线技术。在TD-—SCDMA系统中使用智能天线技术，基站可以利用上行信号信息对下行信号进行波束成形，从而降低对其他移动台的干扰，同时提高接收灵敏度，增加覆盖距离和范围，改善整个通信系统的性能。智能天线是一种多天线系统，它按照某种算法来对准期望信号，使得期望信号得到最大增益，而干扰信号被压制。智能天线系统的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向移动用户，并自动调整权系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决以下两个关键问题：辨识信号到达方向DOA（DirectionsofArrinal）和数字波束赋形的实现。在对信号DOA估计的算法中，作为超分辨空间谱估计技术的MUSIC（MultipleSignalClassification）算法是最经典的算法之一。第二章正文2.1智能天线的概念及原理2.1.1智能天线的概念智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。2.1.2智能天线的原理天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成，如图所示。实际智能天线结构比图复杂，因为图中表示的是单个用户情况，假如在一个小区中有K个用户，则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用，其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套，共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户，剩下的K-1个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益.因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。2.2智能天线的分类2.2.1综述智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术(SwitchedBeamTechnology)和自适应空间数字处理技术（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology)，或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。2.2.2波束转换天线波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向(DOA)的优势。主要用于模拟通信系统。2.2.3自适应天线阵融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术(spatialprocessingtechnology)可以增强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。自适应天线阵结构框图如图所示。T0是相邻的抽头之间的延迟，Wn．m是n天线第m个抽头因子。每个天线后接一个延时抽头加权网，可自适应的调整加权系数。这样一来同时具有时域和空域处理能力。自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数。采用M个阵元自适应天线，理论上，自适应天线阵的价值是能产生（M－1）倍天线放大，可带来10lgM的SNR改善，消除扇形失真的影响，并且它的（M－1）倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小10lgM。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言，总功率被分配到M个阵元，又由于采用DBF(DigitalBeamForming)可以使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多径干扰的影响，从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。通常采用4-16天线阵元结构，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的1/2。阵元间距过大，降低接收信号相关度；阵元间距过小，将在方向图引起不必要的波瓣，因此阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线的型，环型和平面的型，自适应天线是智能天线的主要的型式。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的DOA，或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向，提供不同空间通道，有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。2.3智能天线的优点（1）抗衰落在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自适应接收天线，将这些分量隔离开，然后再合成处理，即可实现角度分集。（2）抗干扰用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比，用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。（3）增加系统容量为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄，提高了天线增益及C／I指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案，可在不影响通话质量的情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统，但部分省市模拟系统占用了CDMA频段，必须采用清频手段解决此问题。使用智能天线，可大大改善模拟系统小区复用方式，增加模拟系统容量，即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏，为CDMA系统留出频段。（4）实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。2.4智能天线的发展现状及应用2.4.1智能天线的发展动态1我国已将智能天线技术列入国家863-317通信技术主课题研究中的个人通信技术分项；2我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电技术作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的3美国Metawave公司，ArrayComm公司对智能天线进行了大量研究；2.4.2智能天线的