智能天线,智能天线工作原理是什么?

智能天线,智能天线工作原理是什么?

背景：随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已经成为制约继续发展的瓶颈，而随着用户数量的不断增加，这个问题会演变得愈来愈严重。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量。这种方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出；二是扩大频谱带宽，这种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不可能无限扩展。基于这样的现实，智能无线技术也就应运而生了。智能无线技术最大的好处就是可以大大增加现有无线网络的容量，且所需的经济成本比较合理。

基本原理：智能天线采用空分多址技术(SCDMA ) , 利用信号在传输方向上的差别, 将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来, 最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。

下图描述了一个具有智能天线、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框图。和传统的没有智能天线的基站比较, 他在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分, 而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。必须说明的是, 这一组收发信机将使用同一个本振源, 以保证此组收发信机是相干工作的。

每个射频收发信机都有ADC 和DAC, 将收到的基带模拟信号转换为数字信号; 将待发射的数字信号转换为模拟基带信号。而所有收发数字信号都通过一组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器来连接。

来自多个用户终端的信号是多址干扰、衰落、多经传播和多谱勒频移等效应, 并存在其他干扰和白噪声。将图中第i 个接收机在第n 时刻的输出用S i (n) 表示。通过解扩和相应的数字信号处理, 可以获得对每个码道的接收数据。如果以X j i (∫) 表示第j 码道的第∫个符号的数据, 则在基带进行上行波束赋形(合成) 后, 将获得智能天线的总接收数据为:

其中: W 为上行波束赋形矩阵, 其矩阵元素为W ij (∫)。

智能天线的下一步是实现其下行波束赋形, 此用户在第j 码道的第∫个符号可以表示为Y j (∫) 。而通过智能天线的下行波束赋形(调整基站中各个发射机所发射信号的幅度和相位) , 在第i 个天线阵元所发射的信号可表示为:

其中: U 为元素的U j i (∫) 下行波束赋形矩阵。显然, 为了获得最佳接收效果, 就必须找到一种好的上行波束形成算法, 即求得W 矩阵的方法; 而为了让此用户获得最好的信号, 就必须找到一种好的下行波束形成算法, 即求得U 矩阵的方法。必须说明的是,在求此波束形成矩阵时, 已知的仅仅是天线阵列的几何结构和各种接收机所收到的信号。对此, 学术界作了大量工作, 有多种算法可以采用, 其主要限制是在基带信号处理能力和对系统实时性的要求。

作为一个简化的特例, 可以用最大功率合成算法,即令W = X, 以获得成形, 在TDD 方式的系统中, 若组成智能天线系统的各射频收发信机是全向的, 由于其上下行电波传播条件相同, 则可以直接将此上行波束赋形矩阵使用于下行, 即令U = W。

TD-SCDMA 天线使用一个环形天线阵, 8 个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为r 的圆上。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在360°范围内任意赋形, 为了消除干扰, 波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点, 该零点处的天线辐射电平比最大辐射方向约低40 dB。

现状及其发展方向：在日本，可以看到很多智能天线的实例，有的运营公司采用了这项技术，网络容量甚至提高了六倍；这一技术同样也适用于3G网络，在某些国家的WCDMA 网络中，利用智能无线技术将城区的无线网络容量提高了3倍，在郊区甚至提高了6倍。提高无线网络容量对运营公司重要，对我国尤其重要，因为我国大城市的人口密度一般都很高。在提高无线网络容量的同时，覆盖范围也有相应的改善。由于使用了智能无线技术，提高了小区的信号质量，减少了邻近小区的干扰，因此也扩大了覆盖范围。根据试验数据，如果在WCDMA系统中使用智能无线技术，城区覆盖范围可以扩大1倍，郊区扩大了3倍。智能无线技术的干扰缓解机制还有好处：由于整体噪声水平的降低，信号功率能够集中于特定的用户终端，基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能无线技术要求配置多个天线，因此增加了功率放大器的数量，但更重要的是，功率放大器的发射功率有较大的减少，功放器的单价大大下降；由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高昂，所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资，同时还提高了整个功放子系统的可靠性。

智能天线

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。

智能天线系统(smart antenna system)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。

智能天线是应用先进的技术,把无线电的信号导向某个特定的方向,使无线电频谱的利用率更高,信号的传输更为效。所谓的先进的技术主要是指波束转换技术和自适应空间数字处理技术。智能天线有波束转换智能天线和自适应智能天线两类。智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束*时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。下面对两种智能天线简单介绍一下:

1.波束转换智能天线 智能天线是在分区传输途径的概念上发展起来的。这种天线把现用的全向性天线或1200方向性的天线改变成为多个分区的窄波束(通常是15°～30°)天线。因为现在移动通信系统基站天线系统的覆盖面积较大,天线的功率大部分损耗在电波的无效传播中。窄波束天线缩小了覆盖的面积,因而相对地提高了信号的强度。例如,30°窄波束的覆盖面积只有1200天线覆盖面积的四分之一(如图1所示),因此它接收同频道区内干扰的窗口也缩小到四分之一。从原理上来说,窄波束天线接收到的干扰也减少到四分之-,相当于把载波干扰比提高了6分贝。

窄波束天线系统需要用数字信号处理(DSP)技术持续不断地对本区内每一个移动手机进行最佳波束的选择,保证能在任一个时隙(按全球通移动通信系统的标准,“时隙”的长度为0.57毫秒)内实现波束转换。这种技术叫做“波束转换技术(swithched beam technology)”,而这种智能天线也叫做“波束转换智能天线”。

2.自适应智能天线 自适应智能天线系统实现话务负荷平衡的原理如图2-52所示。它应用了自适应空间数字处理技术测量不同波束的信号强度,能动态地改变每个扇区的波束宽度和方向角,以适应话务负荷分布状况的改变。图2左图表示3个扇区的负荷很不平衡,b区的负荷最轻,因而自适应地放宽了波束宽度,并承担了原c区的负荷;而c区则自适应地改变了方向角,转向原a区,分担了a区中部分的负荷,使a区过于大的负荷得到支援,从而实现了话务负荷的平衡。自适应智能天线系统具有比波束转换智能天线更为先进的系统性能,但由于存在技术复杂、成本费用高等方面问题,目前实际应用尚少。

图1用4个半功率角为30度的窄波束天线来覆盖传统的定向小区120度的区域

图2通过每个扇区眼的波束宽度和方向角的改变来实现话务负荷平衡

近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用（SDMA）功能，来提高系统的容量和频谱利用率。这样，TD－SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。

智能天线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用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

TD－SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。TD－SCDMA使用的智能天线当N＝8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。

智能天线

智能天线(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA无线接入系统的核心技术之一。它利用时分双工(TDD)使上下射频信道完全对称,以便于在基站使用智能天线技术。通过对相干接收到的、来自终端的信号在每个天线元及其相连接的接收机的反应,再进行相应的空间谱处理,获得此信号的空间特征矢量及矩阵,并得到信号的功率估值和到达方向(DOA)估值,在此基础上就可以计算下行信号在各个天线阵元的权重,并同时解决诸如天线上下行波束赋形、多址干扰消除、抗多径干扰、均衡等问题。本系统为每一条码道产生一个天线波束,实现了空分多址(SDMA)。其结果不仅增加了通信距离、也简化了信号处理的复杂性、大大降低了干扰、增加了系统容量。

智能天线最初只是应用于雷达、声纳及军用通信领域等。近几年来,随着微电子技术的高速发展,智能天线技术已经成功应用于移动通信系统,并通过对无线数字信号的高速时空处理,极大地改善了频谱的使用效率。

智能天线的基本思想是:天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制,发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA),智能天线引入第4种多址方式:空分多址(SDMA)。即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。

智能天线分为两大类:多波束天线与自适应天线阵列。

多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。

自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列一般采用4-16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。使用自适应阵列天线技术能扩大系统覆盖区域,提高系统容量,提高数据传输速率,提高频谱利用效率,降低基站发射功率,节省系统成本,减少信号间干扰与电磁环境污染。