1、智能天線8/19/20221第1頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線技術(shù)引言智能天線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)智能天線的工作原理 自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理智能天線和自適應(yīng)天線的不同智能算法智能天線對(duì)移動(dòng)通信的作用智能天線在3G中的應(yīng)用智能天線的現(xiàn)狀及展望8/19/20222第2頁(yè)，共22頁(yè)。引言由于無(wú)線電頻率資源的日益緊張，導(dǎo)致蜂窩系統(tǒng)的容量受到限制，因此把空域處理看作無(wú)線容量戰(zhàn)中最后的陣地，從而引起對(duì)智能天線技術(shù)的重視。智能天線在蜂窩系統(tǒng)中的應(yīng)用研究于20世紀(jì)90年代初，人們希望通過(guò)引入智能天線來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)容量，同時(shí)克服共信道、多徑衰落等無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)中急需解決的問(wèn)題。 8/19/20223第3頁(yè)，共22頁(yè)。使用智能天線技

2、術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：具有較高的接收靈敏度。使空分多址系統(tǒng)（SDMA）成為可能。消除在上下鏈路中的干擾。抑制多徑衰落效應(yīng)。8/19/20224第4頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線的工作原理 智能天線是由天線陣和智能算法構(gòu)成，是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與天線有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。由天線陣的理論可知，陣列天線的方向圖取決于各天線單元上的電流幅度和相位，也就是說(shuō)，如果天線單元上的電流幅度或相位發(fā)生變化，則方向圖也發(fā)生相應(yīng)的變化。 8/19/20225第5頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng) 8/19/20226第6頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理 融入自適應(yīng)數(shù)字處理技術(shù)的智能天線是利用數(shù)字信號(hào)處理的算法去測(cè)量不同波束的信號(hào)強(qiáng)度，因而能動(dòng)

3、態(tài)地改變波束使天線的傳輸功率集中。應(yīng)用空間處理技術(shù)可以增強(qiáng)信號(hào)能力，使多個(gè)用戶共同使用一個(gè)信道。 8/19/20227第7頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理是相鄰的抽頭之間的延遲，是天線第個(gè)抽頭因子。每個(gè)天線后接一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)，可自適應(yīng)的調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這樣一來(lái)同時(shí)具有時(shí)域和空域處理能力。 自適應(yīng)天線陣是一個(gè)由天線陣和實(shí)時(shí)自適應(yīng)信號(hào)接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)天線陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號(hào)抵消，而且可以使有用信號(hào)得到加強(qiáng)，從而達(dá)到抗干擾的目的。 8/19/20228第8頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理由自適應(yīng)天線陣接收到的信號(hào)被加權(quán)和合并

4、，取得最佳的信噪比系數(shù)。采用個(gè)陣元自適應(yīng)天線，理論上，自適應(yīng)天線陣的價(jià)值是能產(chǎn)生（ ）倍天線放大，可帶來(lái)的改善，消除扇形失真的影響，并且它的（）倍分集增益相關(guān)性是足夠低的。對(duì)相同的通信質(zhì)量要求，移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率可減小。這不但表明可以延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池壽命或可采用體積更小的電池，也意味著基站可以和信號(hào)微弱的用戶建立正常的通信鏈路。8/19/20229第9頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理對(duì)基站發(fā)射而言，總功率被分配到個(gè)陣元，又由于采用可以使所需總功率下降，因此，每個(gè)陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進(jìn)而可使用低功率器件。采用自適應(yīng)抽頭時(shí)延線天線陣對(duì)信號(hào)接收、均衡和測(cè)試很有幫助。對(duì)每一接收天線加上若干抽頭延時(shí)

5、線，然后送入智能處理器，則可以對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行最佳接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站的接收信號(hào)的信噪比得到很大程度的提高，降低了系統(tǒng)的誤碼率。 8/19/202210第10頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理通常采用 天線陣元結(jié)構(gòu)，相鄰陣元間距一般取為接收信號(hào)中心頻率波長(zhǎng)的 。陣元間距過(guò)大，降低接收信號(hào)相關(guān)度；陣元間距過(guò)小，將在方向圖引起不必要的波瓣，因此陣元半波長(zhǎng)間距通常是優(yōu)選的。天線陣元配置方式包含直線的型，環(huán)型和平面的型，自適應(yīng)天線是智能天線的主要的型式 。 8/19/202211第11頁(yè)，共22頁(yè)。自適應(yīng)陣列系統(tǒng)原理自適應(yīng)天線完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送可認(rèn)為是全向天線。它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)

6、別用戶信號(hào)的 ，或者是主波束方向。根據(jù)不同空間用戶信號(hào)傳播方向，提供不同空間通道，有效克服對(duì)系統(tǒng)干擾。自適應(yīng)天線主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)。8/19/202212第12頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線和自適應(yīng)天線的不同智能天線以自適應(yīng)天線為基礎(chǔ)的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過(guò)抑制干擾和對(duì)抗衰落來(lái)增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而提高頻譜利用率，不僅涉及智能接收，還包括智能發(fā)射；智能天線與自適應(yīng)天線有著本質(zhì)的區(qū)別，后者只能對(duì)功率方向圖進(jìn)行調(diào)整，而前者還可以獨(dú)立的對(duì)信道方向圖進(jìn)行調(diào)整。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號(hào)方向的不同，將不同信號(hào)分開(kāi)，從而對(duì)傳統(tǒng)信道空分復(fù)用，增加系統(tǒng)容量。8/19/202213第13頁(yè)，共22頁(yè)。智

7、能算法智能天線系統(tǒng)的核心部分 實(shí)際上，智能天線包含來(lái)波到達(dá)角檢測(cè)、數(shù)字波束形成和零點(diǎn)相消三種技術(shù)，它們是由智能算法控制天線陣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此智能算法是智能天線系統(tǒng)的核心部分。 8/19/202214第14頁(yè)，共22頁(yè)。智能算法當(dāng)天線陣接收到來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的多徑電波時(shí)，一是利用數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行來(lái)波到達(dá)角估計(jì)（D0A），并通過(guò)高效、快速的算法來(lái)自動(dòng)調(diào)整權(quán)值以便實(shí)現(xiàn)所需的空間和頻率濾波；二是對(duì)天線陣采用數(shù)字方法進(jìn)行波束形成，即數(shù)字波束形成（DBF），使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而節(jié)省了發(fā)射機(jī)的功率，減少了信號(hào)干擾與電磁環(huán)境污染。 8/19/202215第15頁(yè)

8、，共22頁(yè)。智能算法分類 智能算法分為兩大類：一類是時(shí)域中進(jìn)行處理來(lái)獲得天線最優(yōu)加權(quán)，這些算法起源于自適應(yīng)數(shù)字濾波器，像最小均方算法、遞歸最小均方誤差算法等；另一類是在空間域?qū)︻l譜進(jìn)行分析來(lái)獲得DOA的估計(jì)，它是通過(guò)使用空間取樣，空間譜估計(jì)算法來(lái)得到天線的最優(yōu)加權(quán)值，如果處理速度足夠快，可以跟蹤信道的時(shí)變，所以空間譜估計(jì)算法在快衰落信道上優(yōu)于時(shí)域算法。8/19/202216第16頁(yè)，共22頁(yè)。智能算法進(jìn)來(lái)，人們又提出了時(shí)空聯(lián)合算法以提高分辨率。當(dāng)然，智能算法還在不斷的研究探索中，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)有更好的算法來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求。 8/19/202217第17頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線對(duì)移

9、動(dòng)通信的作用智能天線將在以下幾個(gè)方面提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能：提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用效率。增大基站的覆蓋面積。提高數(shù)據(jù)傳輸速率。降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號(hào)干擾與電磁環(huán)境污染?？梢?jiàn)，智能天線技術(shù)對(duì)提高未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能起著在舉足輕重的作用，它已成為實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。8/19/202218第18頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線在3G中的應(yīng)用歐洲歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，2019年初開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由八個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1

10、.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。 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。 中國(guó)ArrayComm公司和中國(guó)郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無(wú)線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。中國(guó)的TD-SCDMA是3G中比較明確使用智能天線的方案 8/19/202219第19頁(yè)，共22頁(yè)。智能天線的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)已將智能天線技術(shù)列入國(guó)家863-317通信技術(shù)主課題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)；我國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)作為系統(tǒng)根基的SCDMA-WLL的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，足以證明基于TD-SCDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是可行和成熟