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智能天线的原理及应用汇报人:于秀青德庆央宗陈述内容智能天线的简介及其概念智能天线的现状及发展前景智能天线的原理智能天线的应用陈述内容智能天线的简介及其概念智能天线的现状及发展前景智能天线的原理智能天线的功能无线通信技术在不断发展。有限的无线频率资源面临着不断增长的通信需求,智能天线可以在某种程度上缓解这一矛盾。智能天线的简介及其概念智能天线系统(smartantennasystem)具有提高移动通信系统容量、质量和减少干扰的功能。现在移动通信系统正处于大力开展移动数据通信业务,逐步向第三代移动通信过渡的阶段,更需要解决提高载波与干扰之比(称载干比,C/1)的问题,达到能提供更高数据传送速率和增大系统容量两大目标。应用智能天线系统将对上述两大目标的实现起重要的作用。以下是几中智能天线的实物图：智能天线的简介及其概念智能天线的简介及其概念智能天线的简介及其概念智能天线的简介及其概念智能天线的简介及其概念•智能天线的基本概念智能天线指能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到性能最优的天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部。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。智能天线的简介及其概念1.1交换波束天线交换波束使用许多窄波束天线，每个指向一个微有不同的方向，以此覆盖整个120度扇区。当扇区内的移动用户移动时，系统内的智能天线从一个天线变换到另一个天线。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。智能天线可以分为两种类型：交换波束天线和适应阵列。自适应天线阵列用在无线系统中一个关键题目是在视距（LOS）和非视距（NLOS）情况下的性能差异。在视距情况下，对接收到的信号进行加权、合并后产生一个天线图案，它的主波束方向就指向目标用户，而在其它方向上抑制干扰用户。此时，若天线阵元数大于到达的信号数，可以用信号处理中MUSIC、ESPRIT等现代谱估计算法来估计信号的到达角度，这样一个阵列至少可以在M－1个方向上形成方向图零点。在非视距情况下，无线信号的到达经过了多次反射和多个途径（两条不同路径之间的相对时延大的必须作为两条独立的路径）。1.2自适应天线阵列智能天线的简介及其概念陈述内容智能天线的简介及其概念智能天线的现状及发展趋势智能天线的原理智能天线的功能智能天线的现状及发展前景一、智能天线的发展历程由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有很高的要求。这决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程，目前通常将这种过程分为以下三个阶段（见下图）：智能天线的现状及发展前景智能天线的现状及发展前景●第一阶段：开关波束转换。在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。●第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。智能天线的现状及发展前景智能天线的现状及发展前景目前，基站普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。智能天线的现状及发展前景二、智能天线的发展前景未来无线系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术，因此未来智能天线设计的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。首先，在物理层的可重配置性方面，为了使无线通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中，需要在收发机中采用可重新配置的自适应技术来调节结构，从而获得最好的性能。其次，在不同层之间的优化中，通过由OSI模型定义的高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。可以通过结合物理层、链路层、网络层的参数来设计智能天线，使其具有一定的兼容性。智能天线技术在通信系统中的应用逐渐广泛，技术日益成熟，已经成为移动通信系统中最具有吸引力的技术之一，在将未来的通信发展中发挥更巨大的作用。智能天线的现状及发展前景陈述内容智能天线的简介及其概念智能天线的现状及发展前景智能天线的原理智能天线的功能智能天线的原理智能天线可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，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。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。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。智能天线的原理智能天线的原理图一、智能天线的结构智能天线的一般结构如图所示，主要包括四部分：天线阵列，模数转换，自适应处理器，波束成型网络。智能天线的一般结构图智能天线的原理(1)天线阵列部分天线的阵元数量与天线阵元的配置方式对智能天线的性能有着重要的影响。阵元形状大致分为：线阵，面阵，圆阵，三角阵，不规则阵和随机阵等等(2)模数转换下行是将模拟信号转换成数字信号，上行时将数字信号转换成模拟信号。(3)自适应处理部分自适应处理器是根据自适应空间滤波器/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值。(4)波束成型网络波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生期望的自适应波束。智能天线的原理二、两类天线的工作方式2.1自适应天线阵列自适应天线是一种控制反馈系统，他利用多个天线阵元接收信号的加权组合进行信号处理。它采用数字处理技术,根据一定的准则形成天线阵列的加权向量,通过对各天线阵列接收信号进行加权合并,在期望用户的方向形成主波束,在干扰方向上形成零陷,同时,自适应天线能根据期望用户和干扰的空间位置改变自动调整接收和发射方向图,将天线的主波束对准期望用户,而将零陷对准干扰用户，从而达到提高信干噪比（SINR）的目的。智能天线的原理自适应天线阵列的原理图智能天线的原理阵元接收的信号首先下变频到基带，然后每路信号用复扰码分离同相和正交分路，通过利用上行链路发送的导频信号，可以对每路信号的时延和相位进行较准确的估计。导频符号对信道的估计可以对波束形成加权矢量进行控制.自适应天线阵列的方向图无固定的形状,可以随着信号及干扰的变化动态自适应变化.蜂窝移动通信中的自适应天线阵列一般采用4-16天线阵元结构，阵元的间距常取半个波长。阵元的间距过大，会降低各阵元接收信号的相关度,而且将在方向图引起不必要的栅瓣；阵元间距过小，主瓣宽度较大。智能天线的原理2.2波束天线的工作方式实际的通信系统中总是存在有用信号和干扰信号,通过多个波束可以减少干扰,通过选择性联通含有有用信号的波束可以进一步的抑制来自相邻区域的干扰,这就是波束切换的基本思路.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。切换波束天线首先利用波束形成网络形成有限数目的,固定的,预定义的多波束图覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束的宽度也随着天线数目而确定.系统从几个预定义的,固定波束中选择使输出功率最大的波束.当移动台从一个扇区移动到另一个扇区使,系统从一个波束切换到另一个波束,从而在特定的方向上提高灵敏度,提高通信容量和质量.智能天线的原理波束天线结构简单，复杂度较低，运算量小，易于实现，无须判定用户信号到达方向。但是，切换波束天线不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差。对靠近期望信号的多径分量没有采取有效措施，对多径信号的角度更为敏感，并且还不能区别主瓣里的有用信号和干扰信号。自适应天线阵列在信干噪比和信道容量放面有很好的改善。并且当同时通话的移动台数量小于天线单元数时，将产生比切换波束天线更优的性能，通过指向波束提高了期望用户增益，降低了噪声和干扰的影响，其信干噪比改善优于切换波束天线，大大增加了容量和频谱的利用率。但是，自适应天线算法较复杂，运算量和存储量一般较大，对硬件的处理速度和存储单元要求较高。2.3两种智能天线的比较智能天线的原理陈述内容智能天线的简介及其概念智能天线的现状及发展前景智能天线的原理智能天线的应用智能天线（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。在移动通信系统中,天线担负着发射和接收空间电磁坡的重要作用。天线性能的好坏直接影响着移动通信系统的性能。智能天线的应用智能天线在CDMA中的应用CDMA中的智能天线阵的结构采用N元直线阵或N元圆环阵。小区内存在M个用户,每个用户对应一套权值,根据设定的接送准则和智能算法,使天线阵产生定向波束指向移动用户,减少了多址干扰的影响;如果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。这就为蜂窝系统的设计者提供了许多可能的选择:（1）在给定误码率的条件下可以增加用户,扩大系统容量,这与阵元的数目、配置及自适应算法的选择有直接的关系;（2）在给定用户数目的条件下可以降低误码率;（3）在给定误码率的条件下可以降低手机的发射功率,这意味着手机电池可以使用更长的时间;智能天线的应用（4）增大基站接收范围从而增大小区范围;（5）可以简化功率控制,降低基站及手机的成本。增加用户容量和增大小区服务范围是CDMA实用化的两个主要因素：增加容量可以提高设备的利用率,降低成本;增大小区服务范围主要是考虑边远地区和为未来的个人通信服务,同时可以减少小区数,降低系统成本。CDMA中的智能天线阵的结构图智能天线的应用TD-SCDMA(时分同步的码分多址)智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性(无线环境和传输条件相同)而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰，也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。TD-SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP(数字信号处理器)使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射