智能天線及其在無線通信中的應(yīng)用

　　論文關(guān)鍵詞：智能天線　無線　應(yīng)用

　　論文摘要：智能天線是近年發(fā)展起來的,用于提高無線通信系統(tǒng)的容量和抗干擾能力的新技術(shù)。本文全面地闡述了智能天線的概念、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方案和應(yīng)用前景,同時(shí)還給出了智能天線的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

　　一、引 言

　　近年來,蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展十分迅速,用戶量呈指數(shù)律上升。但是隨著用戶量的大幅度地增長,目前的通信系統(tǒng)正面臨著許多亟待解決的問題。尤其突出的是:信道容量的限制、多徑衰落、遠(yuǎn)近效應(yīng)、同頻道干擾、越區(qū)切換、移動(dòng)臺(tái)由于電池容量的功率受限等等。這就迫切需要一種能夠提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的新技術(shù)。這就是智能天線得以提出和發(fā)展的客觀。

　　通過分析,我們不難發(fā)現(xiàn)頻分多址(FD-MA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CD-MA)分別是在頻域、時(shí)域和碼組上實(shí)現(xiàn)用戶的多址接入,而空域資源尚未得到充分的利用。智能天線則致力于空間資源的開發(fā),是一條解決目前頻譜資源匱乏的有效途徑。

　　一般地,智能天線被定義為:具有測(cè)向和波束成形能力的天線陣列。實(shí)際上,智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系,也就是利用了信號(hào)的相位關(guān)系,這是與傳統(tǒng)分集技術(shù)本質(zhì)上的區(qū)別。智能天線能識(shí)別信號(hào)的入射方向( DOA - Direction ofArrival),從而實(shí)現(xiàn)在相同頻率、時(shí)間和碼組上用戶量的擴(kuò)展。因此可以把智能天線看作SDMA(Spatial Division Multi-Access)。從技術(shù)發(fā)展的角度來看,智能天線系統(tǒng)還可以認(rèn)為是自適應(yīng)天線在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展。而早在60年代,自適應(yīng)天線就開始應(yīng)用于諸如目標(biāo)跟蹤、抗信號(hào)阻塞等軍事領(lǐng)域中。

　　智能天線系統(tǒng)致力于提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量,這在無線電頻譜資源日益擁擠的今天,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)智能天線系統(tǒng)還能提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量,是一種具有良好的應(yīng)用前景,但還沒有被人們充分開發(fā)的新的技術(shù)方案。相對(duì)其他技術(shù)方案而言,具有省、見效快等優(yōu)點(diǎn)。目前,世界上許多著名的大學(xué)與公司都競相致力于智能天線的開發(fā),例如:Stanford, Erics-son, Northern Telecom, BellSouth, BellAtlantic及ArrayComm。歐洲電信委員會(huì)( ETSI - European TelecommunicationsStandards Institute)在其第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中(UMTS - Universal MobileTelecommunication System),明確提出智能天線系統(tǒng)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。并制定相應(yīng)的開發(fā)計(jì)劃,即:TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastruc-ture)。

　　二、智能天線及其與傳統(tǒng)技術(shù)的比較

　　首先,我們給出智能天線的典型結(jié)構(gòu),如圖1所示。

　　智能天線由以下三部分構(gòu)成:天線陣列,信號(hào)合成通道和自適應(yīng)控制單元。其中,天線陣列是由按某種規(guī)律排列的單元天線構(gòu)成的。常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。信號(hào)合成通道則將來自每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號(hào)加權(quán)相加,其中的權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù)。也就是說,每路信號(hào)的幅度與相位均可改變。自適應(yīng)控制單元是智能天線的核心。該單元的功能是根據(jù)一定算法和優(yōu)化準(zhǔn)則主動(dòng)地去適應(yīng)周圍電磁環(huán)境的變化。

　　進(jìn)一步地,我們來推導(dǎo)窄帶假設(shè)條件下(信號(hào)帶寬的倒數(shù)遠(yuǎn)小于電磁波波前跨越天線陣列的時(shí)間)智能天線的矢量模型。對(duì)由m個(gè)陣元構(gòu)成的陣列天線,信號(hào)在第i個(gè)陣元的響應(yīng)可表示如下:

　　

　　其中,L為多徑信號(hào)的數(shù)目,gi(θl)為以θl角度入射到天線陣列的第l徑信號(hào)在第i個(gè)陣元上的響應(yīng)。αl(t),τl分別為第l徑信號(hào)的復(fù)包絡(luò)和時(shí)延。u(·)表示經(jīng)過調(diào)制后的信源。定義m維復(fù)矢量x(t)和a(θl):

　　

　　因此天線陣列的輸出響應(yīng)可以表示為：

　　

　　其中,αl(t)遵從Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定義為陣列綜合因子,該參數(shù)由陣列的幾何結(jié)構(gòu)、各單元的方向圖、單元之間的互耦、鄰近散射體對(duì)陣列天線的影響等諸多因素共同決定。u(t)代表發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu),在GMSK調(diào)制制式中,該函數(shù)有如下的表達(dá)式:

　　

　　式中,φ(t)為MSK信號(hào)通過Gaussian濾波器后的相位函數(shù)。當(dāng)考慮同波道干擾和熱噪聲時(shí),天線陣列接收到的信號(hào)表示如下:

　　

　　上式第二項(xiàng)為Q-1個(gè)干擾源產(chǎn)生的同波道干擾。第三項(xiàng)為零均值加性高斯白噪聲。智能天線的算法直接影響著智能天線的性能。一般地,智能天線的算法可分為單用戶算法和多用戶算法兩大類。在單用戶算法中,把其他用戶產(chǎn)生的干擾等效為加性高斯噪聲。而在多用戶算法中,則需要同時(shí)分辨出其他用戶產(chǎn)生的同波道信號(hào),因此多用戶算法是實(shí)現(xiàn)SDMA的基礎(chǔ)。智能天線的算法若按照其優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可分為基于最大似然序列估計(jì)準(zhǔn)則的MLSE(Maximum LikelihoodSequence Estimation)算法和基于最小均方誤差準(zhǔn)則的MMSE(Minimum Mean SquareError)算法兩類。對(duì)GSM或IS-54系統(tǒng),由于在突發(fā)的數(shù)據(jù)流中包含訓(xùn)練序列,宜采用有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法(Training Signal Method),該算法可以實(shí)時(shí)反映信道的變化,但卻是以降低頻譜利用率為代價(jià)的。而對(duì)于非Gaussian信號(hào)、恒包絡(luò)信號(hào)(ConstantModulus)可采用無導(dǎo)師的自學(xué)習(xí)算法(BlindMethod)。

　　智能天線 與自適應(yīng)天線并沒有本質(zhì)上的區(qū)別,但是由于其使用的場(chǎng)合不同而具有顯著的差異:自適應(yīng)天線主要應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消,一般地,雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的功率電平,并且干擾源數(shù)目與天線陣列單元數(shù)相當(dāng)。而在無線系統(tǒng)中,由于多徑,到達(dá)天線陣列的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣列單元數(shù),同時(shí)其功率電平一般都小于直射信號(hào)。圖2顯示了典型的十單元半波長均勻直線陣列,在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中方向圖的比較(圖中干擾源分別位于±75度和±35度)。

　　分集接收是無線通信系統(tǒng)常用的抗多徑衰落技術(shù)方案。事實(shí)上,分集技術(shù)利用了陣列天線中不同陣元耦合得到空間信號(hào)的弱相關(guān)性。常用的分集技術(shù)有:空間分集、極化分集、頻率分集和角度分集。N單元的智能天線實(shí)質(zhì)上也可等效為,由N個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并的準(zhǔn)則構(gòu)成的空間分集陣列。從這個(gè)意義上講,智能天線是傳統(tǒng)的分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。例如:小區(qū)的扇區(qū)化技術(shù)即可認(rèn)為是一種簡化的固定預(yù)分配的智能天線系統(tǒng)。表1對(duì)智能天線與分集技術(shù)的特點(diǎn)做了詳細(xì)比較。

　　無線通信系統(tǒng)常常要求天線具有窄的主瓣寬度、高增益和低的付瓣電平。但是對(duì)一定結(jié)構(gòu)的天線而言,上述兩個(gè)要求是矛盾的。事實(shí)上,天線陣列的方向圖等于單元方向圖和陣列因子的乘積。因此選取適合的陣列圖案和單元方向圖是智能天線的一個(gè)重要研究內(nèi)容。平面任布陣列是一種具有很強(qiáng)應(yīng)用背景的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于給定陣列單元數(shù)量的陣列分布,如果其占據(jù)的幾何空間越大,則形成尖銳主瓣波束的能力越強(qiáng)。例如,對(duì)一個(gè)10單元的直線陣列,當(dāng)主付瓣功率電平差為40dB時(shí),主瓣寬度為40°。

　　三、智能天線在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,由于無法確定移動(dòng)用戶的位置而不得不采用全向發(fā)射天線。實(shí)際上只有很小部分的信號(hào)被移動(dòng)用戶截獲,這不僅造成能量的損失,更為嚴(yán)重是構(gòu)成對(duì)其他用戶人為的干擾,從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量和信干噪比的下降。采用智能天線的目的,就是要在基臺(tái)與移動(dòng)用戶之間建立一條能量相對(duì)集中的無線鏈路。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),智能天線系統(tǒng)需完成以下兩大任務(wù):

　　1.能實(shí)時(shí)感知電磁,包括DOA測(cè)向、譜估計(jì)、從接收到的信號(hào)中分離出直射信號(hào)和多徑信號(hào);

　　2.后處理過程,包括信道分離、抗多徑干擾和衰落。該處理過程取決于算法的收斂速度和穩(wěn)定性,以及DSP的處理速度。在此,我們給出表征系統(tǒng)容量的單位:

　　bit/s/Hz/unit-area。該參數(shù)表示在給定發(fā)射功率、給定頻譜范圍內(nèi)信號(hào)的傳輸速率。系統(tǒng)容量的提高表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)對(duì)于用戶集中的都市區(qū),在給定小區(qū)范圍內(nèi)能容納更多的移動(dòng)用戶;(2)對(duì)于用戶稀疏的郊區(qū),在保證用戶通信質(zhì)量的前提下,擴(kuò)大小區(qū)的服務(wù)范圍。智能天線對(duì)系統(tǒng)容量的提高有以下兩條途徑:

　　1.利用智能天線的波束成形和自適應(yīng)測(cè)向跟蹤能力,實(shí)時(shí)地形成窄的主瓣波束對(duì)準(zhǔn)所需信號(hào),在其他方向盡量壓低付瓣增益。以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全向天線。智能天線提高了接收信號(hào)的信干噪比,從而提高了系統(tǒng)容量。此時(shí)對(duì)應(yīng)單用戶算法。

　　2.把智能天線等效為空域?yàn)V波器,實(shí)現(xiàn)空分多址傳輸,即所謂的SDMA。此時(shí)要采用多用戶檢測(cè)算法。需要說明的是,SDMA并不是與FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式,而是附加在上述多址方式上的優(yōu)化方案。

　　要精確地計(jì)算智能天線對(duì)系統(tǒng)容量的提高是十分困難的。首先,必須確定小區(qū)用戶的分布情況、小區(qū)的無線傳播模型、智能天線的方案與算法,并結(jié)合具體的通信體制加以討論。目前已有許多文獻(xiàn)進(jìn)行有益的探索。這是智能天線研究的最重要的課題之一。

　　下面我們來定性地分析SDMA系統(tǒng)的性能。事實(shí)上,目前的移動(dòng)通信體制基本上都是上行受限的系統(tǒng)。也就是說,上行鏈路與下行鏈路是不平衡的。這是由于基臺(tái)和移動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)造成的。例如,假設(shè)基臺(tái)發(fā)射功率為20W,天線增益17dBi,此時(shí)基臺(tái)為1kWEIRP。而移動(dòng)臺(tái)為1W EIRP,天線增益為0dBi,在此假設(shè)條件下,上行鏈路與下行鏈路的不平衡度為13dB。在900MHz或1800MHz頻段,17dBi增益的天線已接近工程應(yīng)用的上限。因此要縮小上下行鏈路的不平衡度,唯一的方法是減小基臺(tái)發(fā)射功率。采用智能天線后,能很大程度上緩解上下行鏈路的不平衡度。對(duì)于沒有多徑傳播的理想情況下,采用十單元的陣列天線將使上下行鏈路的不平衡度減少至3dB。

　　另一方面,由陣列天線獲得的SNR的提高可以等效為基臺(tái)服務(wù)范圍的增加。對(duì)于m單元的陣列天線與單天線相比,其基臺(tái)服務(wù)范圍增加m1/α倍。

　　當(dāng)然,上述分析是理想情況下的。但在實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中,同波道干擾和多徑傳播與噪聲相比,是影響系統(tǒng)性能的更為重要的因素。同時(shí)智能天線也能改善系統(tǒng)的SINR。當(dāng)-90dBm的直射信號(hào)與-95dBm的干擾分別以不同角度入射到天線陣列時(shí),假設(shè)系統(tǒng)噪聲為-120dBm,此時(shí)系統(tǒng)SINR大約為5dB。采用十單元的直線陣列天線后,干擾信號(hào)將受到抑制,系統(tǒng)的SINR可以提高到40dB。如圖3所示。

　　對(duì)于由移動(dòng)用戶附近形成的時(shí)間選擇性衰落信號(hào),其到達(dá)天線陣列的入射角分布較集中。智能天線則很難處理,此時(shí)宜采用時(shí)域的處理方法,例如RAKE接收機(jī)。

　　對(duì)于空間選擇性衰 落信號(hào),用智能天線來處理則具有很大的優(yōu)勢(shì)。一種簡單的算法是將除直射信號(hào)以外的多徑信號(hào)視為干擾加以抑制。另一種更為有效的方法,是分離出各

　　徑信號(hào)并按照一定的準(zhǔn)則優(yōu)化合并。當(dāng)然這是以設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的。

　　因此,在上行鏈路中應(yīng)用智能天線可以提高系統(tǒng)的SINR,增加小區(qū)服務(wù)范圍,減小移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。

　　智能天線既可在上行鏈路中單獨(dú)使用,也可在上下行鏈路中同時(shí)使用。在下行鏈路中采用智能天線的最大優(yōu)點(diǎn)在于,把基臺(tái)盲目的、廣播式的變?yōu)槎ㄏ虻男盘?hào)傳遞。采用智能天線以后,一方面可以簡化基臺(tái)的設(shè)備,例如:過去基臺(tái)要發(fā)射100W的功率則需要100W的功放,當(dāng)采用十單元的天線陣列后,每單元只需1W的功放來激勵(lì)。要知道100W的功放與1W的功放,無論是在價(jià)格還是性能上都有很大的區(qū)別。另一方面更為重要的是,定向傳播將極大地減小基臺(tái)對(duì)其他用戶的人為的干擾,凈化電磁,從而提高了系統(tǒng)容量。這一點(diǎn)具有十分重要的意義。需要指出的是,由于在FDMA系統(tǒng)中,上下行鏈路采用不同的頻率。因此由上行鏈路得到的用戶空間信息不能簡單拷貝到下行鏈路。這時(shí)需要復(fù)雜的上下行鏈路分配方案。因此在下行鏈路中應(yīng)用智能天線可以提高系統(tǒng)容量,簡化基臺(tái)設(shè)備。

　　多徑衰落是影響無線系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。對(duì)此,人們做了大量的嘗試并提出許多有效的方案。例如:分集技術(shù)、RAKE接收機(jī)、自適應(yīng)濾波等等。而智能天線則從空間域的角度提供了一條新途徑。智能天線能分辨出直射信號(hào)與各徑多徑信號(hào),這是傳統(tǒng)的抗多徑技術(shù)無法得到的。如何與現(xiàn)有的抗多徑技術(shù)相結(jié)合,較好地解決多徑傳播是智能天線研究的另一個(gè)重要的研究課題。

　　同時(shí)智能天線在網(wǎng)絡(luò)上也有十分突出的特點(diǎn)。由于智能天線具有測(cè)向功能,因此利用相鄰小區(qū)基臺(tái)得到的方向信息,可以確定用戶在小區(qū)的位置,為實(shí)現(xiàn)正確切換提供更可靠的依據(jù)。小區(qū)采用智能天線后,可以根據(jù)移動(dòng)用戶與基臺(tái)的距離,自適應(yīng)調(diào)整基臺(tái)的功率增益來簡化移動(dòng)用戶的功率控制和克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。

　　四、小 結(jié)

　　智能天線是第三代移動(dòng)通信(3G)不可缺少的空域信號(hào)處理技術(shù)。歸納起來,智能天線具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):

　　1.具有測(cè)向和自適應(yīng)調(diào)零功能,能把主波束對(duì)準(zhǔn)入射信號(hào)并自適應(yīng)實(shí)時(shí)地跟蹤信號(hào)。同時(shí)還能把零響應(yīng)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。

　　2.提高輸入信號(hào)的信噪比。顯然,采用多天線陣列將截獲更多的空間信號(hào),也就是獲得陣列增益。

　　3.能識(shí)別不同入射方向的直射波和反射波,具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同波道干擾的能力。能減小普通均衡技術(shù)很難處理的快衰落對(duì)系統(tǒng)性能的影響。提高了接收機(jī)的載干比。

　　4.增強(qiáng)系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落的能力。因?yàn)樘炀�陣列本質(zhì)上具有空間分集的能力。

　　5.可以利用智能天線,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境和用戶情況來提高網(wǎng)絡(luò)的管理能力。

　　6.智能天線能自適應(yīng)調(diào)節(jié)天線增益,較好地解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題,為移動(dòng)臺(tái)的進(jìn)一步簡化提供了條件。越區(qū)切換是根據(jù)基臺(tái)接收的移動(dòng)臺(tái)功率電平來判斷的,而陰影效應(yīng)和多徑衰落常導(dǎo)致錯(cuò)誤的跨區(qū)轉(zhuǎn)接,增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶的呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用智能天線技術(shù),可以實(shí)時(shí)地測(cè)量和記錄移動(dòng)臺(tái)的位置和速度,為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。

　　智能天線的誘人的應(yīng)用前景在于,以較低的設(shè)備復(fù)雜性來獲取系統(tǒng)容量和抗多徑衰落能力的提高。同時(shí),尋找實(shí)時(shí)高效的快速算法并用DSP或ASIC加以固化是智能天線技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的前提條件。

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