智能天線,智能天線工作原理是什么?

　　背景：隨著移動用戶數量的快速增加，尤其在我國人口密度較大的城市地區，移動業務運營公司和頻率資源管理部門將面臨頻率資源短缺的巨大挑戰，頻率資源已經成為制約繼續發展的瓶頸，而隨著用戶數量的不斷增加，這個問題會演變得愈來愈嚴重。面對挑戰，人們提出了不同的解決方案，得到比較廣泛認可的有兩種方法：一是移動運營公司調整基礎網絡的構成，增加基站數量和小區數量。這種方法需要相對巨大的基建投資，同時帶來的干擾問題也比較突出;二是擴大頻譜帶寬，這種方法需要較高的頻率資源成本，況且頻率資源是有限的，頻譜帶寬不可能無限擴展。基于這樣的現實，智能無線技術也就應運而生了。智能無線技術最大的好處就是可以大大增加現有無線網絡的容量，且所需的經濟成本比較合理。

　　基本原理：智能天線采用空分多址技術(SCDMA ) , 利用信號在傳輸方向上的差別, 將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來, 最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數字信號處理技術組成。

　　下圖描述了一個具有智能天線、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框圖。和傳統的沒有智能天線的基站比較, 他在硬件上由一個天線陣和一組收發信機組成了其射頻部分, 而在基帶信號處理部分的硬件則基本相同。必須說明的是, 這一組收發信機將使用同一個本振源, 以保證此組收發信機是相干工作的。

　　每個射頻收發信機都有ADC 和DAC, 將收到的基帶模擬信號轉換為數字信號; 將待發射的數字信號轉換為模擬基帶信號。而所有收發數字信號都通過一組高速數字濾波器總線和基帶數字信號處理器來連接。

　　來自多個用戶終端的信號是多址干擾、衰落、多經傳播和多譜勒頻移等效應, 并存在其他干擾和白噪聲。將圖中第i 個接收機在第n 時刻的輸出用S i (n) 表示。通過解擴和相應的數字信號處理, 可以獲得對每個碼道的接收數據。如果以X j i (∫) 表示第j 碼道的第∫個符號的數據, 則在基帶進行上行波束賦形(合成) 后, 將獲得智能天線的總接收數據為:

　　其中: W 為上行波束賦形矩陣, 其矩陣元素為W ij (∫)。

　　智能天線的下一步是實現其下行波束賦形, 此用戶在第j 碼道的第∫個符號可以表示為Y j (∫) 。而通過智能天線的下行波束賦形(調整基站中各個發射機所發射信號的幅度和相位) , 在第i 個天線陣元所發射的信號可表示為:

　　其中: U 為元素的U j i (∫) 下行波束賦形矩陣。顯然, 為了獲得最佳接收效果, 就必須找到一種好的上行波束形成算法, 即求得W 矩陣的方法; 而為了讓此用戶獲得最好的信號, 就必須找到一種好的下行波束形成算法, 即求得U 矩陣的方法。必須說明的是,在求此波束形成矩陣時, 已知的僅僅是天線陣列的幾何結構和各種接收機所收到的信號。對此, 學術界作了大量工作, 有多種算法可以采用, 其主要限制是在基帶信號處理能力和對系統實時性的要求。

　　作為一個簡化的特例, 可以用最大功率合成算法,即令W = X, 以獲得成形, 在TDD 方式的系統中, 若組成智能天線系統的各射頻收發信機是全向的, 由于其上下行電波傳播條件相同, 則可以直接將此上行波束賦形矩陣使用于下行, 即令U = W。

　　TD-SCDMA 天線使用一個環形天線陣, 8 個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為r 的圓上。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數字信號處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在360°范圍內任意賦形, 為了消除干擾, 波束賦形時還可以在有干擾的地方設置零點, 該零點處的天線輻射電平比最大輻射方向約低40 dB。

　　現狀及其發展方向：在日本，可以看到很多智能天線的實例，有的運營公司采用了這項技術，網絡容量甚至提高了六倍;這一技術同樣也適用于3G網絡，在某些國家的WCDMA 網絡中，利用智能無線技術將城區的無線網絡容量提高了3倍，在郊區甚至提高了6倍。提高無線網絡容量對運營公司重要，對我國尤其重要，因為我國大城市的人口密度一般都很高。在提高無線網絡容量的同時，覆蓋范圍也有相應的改善。由于使用了智能無線技術，提高了小區的信號質量，減少了鄰近小區的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。根據試驗數據，如果在WCDMA系統中使用智能無線技術，城區覆蓋范圍可以擴大1倍，郊區擴大了3倍。智能無線技術的干擾緩解機制還有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶終端，基站和用戶終端僅僅需要較小的發射功率就能夠達到同樣的信號質量水平。盡管智能無線技術要求配置多個天線，因此增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發射功率有較大的減少，功放器的單價大大下降;由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高昂，所以使用多個低功率放大器反而大大節約了投資，同時還提高了整個功放子系統的可靠性。

　　智能天線

　　智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初應用于雷達、聲納及軍用通信領域。近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，使得利用數字技術在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術開始在無線通信中廣泛應用。由于智能天線能顯著提高系統的性能和容量，并增加了天線系統的靈活性，未來幾乎所有先進的移動通信系統都將采用該技術。

　　在移動通信系統中,天線擔負著發射和接收空間電磁坡的重要作用。天線性能的好壞直接影響著移動通信系統的性能。

　　智能天線系統(smart antenna system)具有提高移動通信系統容量、質量和減少干擾的功能。現在移動通信系統正處于大力開展移動數據通信業務,逐步向第三代移動通信過渡的階段,更需要解決提高載波與干擾之比(稱載干比,C/1)的問題,達到能提供更高數據傳送速率和增大系統容量兩大目標。應用智能天線系統將對上述兩大目標的實現起重要的作用。

　　智能天線是應用先進的技術,把無線電的信號導向某個特定的方向,使無線電頻譜的利用率更高,信號的傳輸更為效。所謂的先進的技術主要是指波束轉換技術和自適應空間數字處理技術。智能天線有波束轉換智能天線和自適應智能天線兩類。智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數目而確定。當用戶在小區中移動時，基站在不同的相應波束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結構簡單、無須判定用戶信號到達方向的優點。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結構，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發送。自適應天線陣列系統采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。下面對兩種智能天線簡單介紹一下:

　　1.波束轉換智能天線 智能天線是在分區傳輸途徑的概念上發展起來的。這種天線把現用的全向性天線或1200方向性的天線改變成為多個分區的窄波束(通常是15°～30°)天線。因為現在移動通信系統基站天線系統的覆蓋面積較大,天線的功率大部分損耗在電波的無效傳播中。窄波束天線縮小了覆蓋的面積,因而相對地提高了信號的強度。例如,30°窄波束的覆蓋面積只有1200天線覆蓋面積的四分之一(如圖1所示),因此它接收同頻道區內干擾的窗口也縮小到四分之一。從原理上來說,窄波束天線接收到的干擾也減少到四分之-,相當于把載波干擾比提高了6分貝。

　　窄波束天線系統需要用數字信號處理(DSP)技術持續不斷地對本區內每一個移動手機進行最佳波束的選擇,保證能在任一個時隙(按全球通移動通信系統的標準,“時隙”的長度為0.57毫秒)內實現波束轉換。這種技術叫做“波束轉換技術(swithched beam technology)”,而這種智能天線也叫做“波束轉換智能天線”。

　　2.自適應智能天線 自適應智能天線系統實現話務負荷平衡的原理如圖2-52所示。它應用了自適應空間數字處理技術測量不同波束的信號強度,能動態地改變每個扇區的波束寬度和方向角,以適應話務負荷分布狀況的改變。圖2左圖表示3個扇區的負荷很不平衡,b區的負荷最輕,因而自適應地放寬了波束寬度,并承擔了原c區的負荷;而c區則自適應地改變了方向角,轉向原a區,分擔了a區中部分的負荷,使a區過于大的負荷得到支援,從而實現了話務負荷的平衡。自適應智能天線系統具有比波束轉換智能天線更為先進的系統性能,但由于存在技術復雜、成本費用高等方面問題,目前實際應用尚少。

　　圖1用4個半功率角為30度的窄波束天線來覆蓋傳統的定向小區120度的區域

　　圖2通過每個扇區眼的波束寬度和方向角的改變來實現話務負荷平衡

　　近年來，智能天線技術已經成為移動通信中最具有吸引力的技術之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區內其它用戶之間，以及與相鄰小區用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑效應。CDMA系統是個功率受限系統，智能天線的應用達到了提高天線增益和減少系統干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統容量，提高了頻譜利用率。

　　智能天線在本質上是利用多個天線單元空間的正交性，即空分多址復用(SDMA)功能，來提高系統的容量和頻譜利用率。這樣，TD-SCDMA系統充分利用了CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA這四種多址方式的技術優勢，使系統性能最佳化。

　　智能天線的核心在于數字信號處理部分，它根據一定的準則，使天線陣產生定向波束指向用戶，并自動地調整系數以實現所需的空間濾波。智能天線須要解決的兩個關鍵問題是辨識信號的方向和數字賦形的實現。

　　TD-SCDMA的智能天線使用一個環形天線陣，由8個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為R的圓上所組成。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數字信號處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時產生多個波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設置零點，該零點處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。TD-SCDMA使用的智能天線當N=8時，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB(對接收)和18dB(對發射)。每個振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發射增益為26dB。由于基站智能天線的發射增益要比接收增益大得多，對于傳輸非對稱的IP等數據、下載較大業務信息是非常適合的。

　　智能天線

　　智能天線(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無線接入系統的核心技術之一。它利用時分雙工(TDD)使上下射頻信道完全對稱,以便于在基站使用智能天線技術。通過對相干接收到的、來自終端的信號在每個天線元及其相連接的接收機的反應,再進行相應的空間譜處理,獲得此信號的空間特征矢量及矩陣,并得到信號的功率估值和到達方向(DOA)估值,在此基礎上就可以計算下行信號在各個天線陣元的權重,并同時解決諸如天線上下行波束賦形、多址干擾消除、抗多徑干擾、均衡等問題。本系統為每一條碼道產生一個天線波束,實現了空分多址(SDMA)。其結果不僅增加了通信距離、也簡化了信號處理的復雜性、大大降低了干擾、增加了系統容量。

　　智能天線最初只是應用于雷達、聲納及軍用通信領域等。近幾年來,隨著微電子技術的高速發展,智能天線技術已經成功應用于移動通信系統,并通過對無線數字信號的高速時空處理,極大地改善了頻譜的使用效率。

　　智能天線的基本思想是:天線以多個高增益窄波束動態地跟蹤多個期望用戶,接收模式下,來自窄波束之外的信號被抑制,發射模式下,能使期望用戶接收的信號功率最大,同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區分不同用戶。不同于傳統的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA),智能天線引入第4種多址方式:空分多址(SDMA)。即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,仍然可以根據信號不同的中間傳播路徑而區分。

　　智能天線分為兩大類:多波束天線與自適應天線陣列。

　　多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區,每個波束的指向是固定的,波束寬度也隨天線元數目而確定。當用戶在小區中移動時,基站在不同的相應波束中進行選擇,使接收信號最強。多波束天線不能實現信號最佳接收,一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比,多波束天線具有結構簡單、無須判定用戶信號到達方向的優點。

　　自適應天線陣列是智能天線的主要類型,可以完成用戶信號接收和發送。自適應天線陣列一般采用4-16天線陣元結構,陣元間距為半個波長。使用自適應陣列天線技術能擴大系統覆蓋區域,提高系統容量,提高數據傳輸速率,提高頻譜利用效率,降低基站發射功率,節省系統成本,減少信號間干擾與電磁環境污染。

總結

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