當(dāng)下通信中智能天線的研究論文

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論文關(guān)鍵詞：智能天線碼分多址自適應(yīng)陣列移動(dòng)通信系統(tǒng)容量

論文摘要：近年發(fā)展起來(lái)的CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)于FDMA、TDMA系統(tǒng)具有較大的容量,但由于多徑干擾、多址干擾的存在,其容量?jī)?yōu)勢(shì)并沒(méi)有得到充分的發(fā)揮,如果在基站上采用智能天線可以降低這些干擾的影響,提高系統(tǒng)的性能。本文通過(guò)對(duì)智能天線的認(rèn)識(shí)、優(yōu)勢(shì)的闡述,從而引發(fā)智能天線在現(xiàn)代移動(dòng)通信中的重要性。

1引言

我們知道,天線有很多種,但大體上可分為三大類:“線天線”、“面天線”及“陣列天線”。陣列天線最初用于雷達(dá)、聲納以及軍事通信中,完成空間濾波和參數(shù)估計(jì)兩大任務(wù)。當(dāng)陣列天線應(yīng)用到移動(dòng)通信領(lǐng)域時(shí),通信工程師喜歡用“智能天線”來(lái)稱謂之。智能天線根據(jù)方向圖形成(或稱為波束形成)的方式又可分為兩類:第一類,采用固定形狀方向圖的智能天線,且不需要參考信號(hào);第二類,采用自適應(yīng)算法形成方向圖的智能天線,需要參考信號(hào)。

本文在以下提到的智能天線都是指第二類,即(自適應(yīng))智能天線,這也是目前智能天線研究的主流。

2智能天線的技術(shù)現(xiàn)狀

在分析研究智能天線技術(shù)理論的同時(shí),國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)、公司和研究所分別建立了試驗(yàn)平臺(tái),用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證理論研究的成果,得出相應(yīng)的結(jié)論。

(1)在美國(guó)

在智能天線技術(shù)方面,美國(guó)較其它國(guó)家要成熟的多,并已開(kāi)始投入實(shí)用。美國(guó)ArrayComm公司將智能天線技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線本地環(huán)路(WLL)系統(tǒng)。ArrayComm方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高4倍。

(2)在歐洲

歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究,稱為TSUNAMI(TheTechnologyinSmartAntennasforUniver-salAdvancedMobileInfrastructure),由德國(guó)、英國(guó)、丹麥和西班牙合作完成。該項(xiàng)目是在DECT基站上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?于1995年初開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),天線陣列由8個(gè)陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調(diào),陣元分布有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀脭?shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線,采用ERA技術(shù)有限公司的專用ASIC芯片BDF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作為中央控制。

(3)在日本

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(zhǎng)的16陣元平面方陣,射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號(hào)在模數(shù)變換后,進(jìn)行快速付氏變換(FFT)處理,形成正交波束后,分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法,數(shù)字信號(hào)處理部分由10片F(xiàn)PGA完成,整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線的概念。

我國(guó)目前有部分單位也正進(jìn)行相關(guān)的研究。信威公司將智能天線應(yīng)用于TDD(時(shí)分雙工)方式的WLL系統(tǒng)中,信威公司智能天線采用8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列,射頻工作于1785~1805MHz,采用TDD雙工方式,收發(fā)間隔10ms,接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。

3智能天線的優(yōu)勢(shì)

智能天線是第三代移動(dòng)通信不可缺少的空域信號(hào)處理技術(shù),歸納起來(lái),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)并適應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào),同時(shí)還能把零響點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。

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

(3)能識(shí)別不同入射方向的直射波和反射波,具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同信道干擾的能力。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。

(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(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的管理能力。

(6)智能天線自適應(yīng)調(diào)節(jié)天線增益,從而較好地解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。為移動(dòng)臺(tái)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了條件。越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動(dòng)臺(tái)功率的電平來(lái)判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑衰落的影響常常導(dǎo)致錯(cuò)誤的越區(qū)轉(zhuǎn)接,從而增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶的呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線技術(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)。

4智能天線與若干空域處理技術(shù)的比較

為了進(jìn)一步理解智能天線的概念,我們把智能天線和相關(guān)的傳統(tǒng)空域處理技術(shù)加以比較。

(1)智能天線與自適應(yīng)天線的比較

智能天線與自適應(yīng)天線并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別,只是由于應(yīng)用場(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)目比天線陣列單元數(shù)少或相當(dāng)。而在無(wú)線通信系統(tǒng)中,由于多徑傳播效應(yīng)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),入射角呈現(xiàn)隨機(jī)分布,功率電平也有很大的動(dòng)態(tài)變化范圍,此時(shí)的天線叫智能天線。

對(duì)自適應(yīng)天線而言,只需對(duì)入射干擾信號(hào)進(jìn)行抵消以獲得信干噪比(SINR,SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。對(duì)智能天線而言,由于到達(dá)陣列的多徑信號(hào)的入射角和功率電平均數(shù)是隨機(jī)變化的,所以獲得的是統(tǒng)計(jì)意義上的信干噪比(SINR)的最大化。

(2)智能天線與空間分集技術(shù)的比較

空間分集是無(wú)線通信系統(tǒng)中常用的抗多徑衰落方案。M單元智能天線也可等效為由M個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并準(zhǔn)則構(gòu)成的空間分集陣列。因此可以認(rèn)為智能天線是傳統(tǒng)分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。

但是智能天線與空間分集技術(shù)卻是有顯著的差別的。首先空間分集利用了陣列天線中不同陣元耦合得到的空間信號(hào)的弱相關(guān)性,也即是不同路徑的多徑信號(hào)的弱相關(guān)性。而智能天線則是對(duì)所有陣元接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并來(lái)形成空間濾波。一個(gè)根本性的區(qū)別:智能天線陣列結(jié)構(gòu)的間距小于一個(gè)波長(zhǎng)(一般取λ/2),而空間分集陣列的間距可以為數(shù)個(gè)波長(zhǎng)。

(3)智能天線與小區(qū)扇區(qū)化的比較

小區(qū)的扇區(qū)化可以認(rèn)為是一種簡(jiǎn)化的、固定的預(yù)分配智能天線系統(tǒng)。智能天線則是動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)優(yōu)化的扇區(qū)化技術(shù)?，F(xiàn)在,我們來(lái)討論一個(gè)頗有爭(zhēng)議的問(wèn)題。根據(jù)IS-95建議,當(dāng)采用120°扇區(qū)時(shí)系統(tǒng)容量將增加3倍。由此是否可以得到結(jié)論,扇區(qū)化波束越窄系統(tǒng)容量提高越大?考慮到實(shí)際的電磁環(huán)境,我們認(rèn)為對(duì)這一問(wèn)題的回答是否定的。這是因?yàn)檎ㄊ邮盏降男盘?hào)往往是由許多相關(guān)性較強(qiáng)的多徑信號(hào)構(gòu)成的。一般情況下,各徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展小于一個(gè)chip周期。這時(shí)信號(hào)波形易于產(chǎn)生畸變從而降低信號(hào)的質(zhì)量達(dá)不到增加系統(tǒng)容量的目的。同時(shí)如果采用過(guò)窄的波束接收信號(hào),一旦該徑信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落,則將直接導(dǎo)致通信的中斷。另外,過(guò)窄的接收波束在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的,并將成倍地增加設(shè)備的復(fù)雜度。

5智能天線的未來(lái)展望

(1)目前還沒(méi)有一個(gè)完整的通信理論能夠較全面地將智能天線的所有課題有機(jī)地聯(lián)系起來(lái),故需要建立一套較完整的智能天線理論;另一方面,高效、快速的智能算法也將是智能天線走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。超級(jí)秘書網(wǎng)

(2)采用高速DSP技術(shù),將原先的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到基帶進(jìn)行處理?；鶐幚磉^(guò)程是數(shù)字算法的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(3)由于圓形布陣和二維任意布陣比等間隔線陣優(yōu)越,同時(shí)陣列天線的數(shù)字合成算法能夠用于任意形式陣列天線而形成任意圖案的方向圖,因而可考慮在CDMA基站中采用二維任意布陣的智能天線。

(4)在移動(dòng)臺(tái)中(如手機(jī))采用智能天線技術(shù)。

(5)采用智能天線技術(shù)來(lái)改善移動(dòng)通信信道中上下鏈路不能使用同一套權(quán)值的問(wèn)題,以改善上下鏈路的性能。

(6)目前,智能天線技術(shù)的研究已不是單一地研究智能天線本身,應(yīng)與CDMA的一些關(guān)鍵技術(shù)(如多用戶檢測(cè)技術(shù)、多用戶接收技術(shù)、功率控制等)結(jié)合在一起研究。

6結(jié)束語(yǔ)

智能天線是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。它涉及到天線技術(shù)、無(wú)線電傳播技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理等多學(xué)科。智能天線已從單一的軍事應(yīng)用步入民用通信領(lǐng)域。由于CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)于FDMA、TDMA系統(tǒng)具有較大的容量,且由于智能天線可以降低多徑干擾、多址干擾等因素,這使得智能天線技術(shù)成為當(dāng)前移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)。