3G之智能天線
智能天線
劉林南 博士
智能天線技術
引言
智能天線的形式
智能天線的結構
智能天線的信號模型
智能天線的賦形
智能天線在3G中的應用
智能天線的現狀及展望
引言
智能天線的基本思想；
空分多址的概念；
智能天線和自適應天線的區(qū)別。
智能天線的基本思想
天線以多個高增益窄帶波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶；
接收模式下，來自窄帶波束以外地信號被抑制；
發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄帶波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最??；


空分多址的概念
與傳統的頻分多址（FDMA）、十分多址（TDMA）和碼分多址不同，智能天線引入空分多址（SDMA），利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶；
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傳播路徑來區(qū)分；
空分多址的概念
SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現組合的多址方式，例如空時－碼分多址（SD-CDMA）；
智能天線與傳統天線在概念上的區(qū)別，智能天線理論支撐是信號統計檢測與估計理論，信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術基礎是自適應天線和高分辨陣列信號處理。
智能天線和自適應天線的不同
智能天線以自適應天線為基礎的新一代天線系統，其目標是通過抑制干擾和對抗衰落來增加系統容量，進而提高頻譜利用率，不僅涉及智能接收，還包括智能發(fā)射；
智能天線與自適應天線有著本質的區(qū)別，后者只能對功率方向圖進行調整，而前者還可以獨立的對信道方向圖進行調整。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號方向的不同，將不同信號分開，從而對傳統信道空分復用，增加系統容量。
智能天線的形式
根據工作方式的不同：
欲多波束或切換波束系統；
自適應陣列系統；
根據波束形成的不同：
陣元空間處理方式；
波束空間處理方式；
切換波束系統

自適應陣列系統

陣元空間處理方式
陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣進行加權求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向。由于各種陣元均參與自適應加權調整，這種方式屬于全自適應陣列處理。
波束空間處理方式
包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定加權求和，形成多個指向不同方向的波束；
第二級對第一級的波束輸出進行自適應加權調整后合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元是從整天計算最優(yōu)的加權系數作自適應處理，而是僅對其中的部分陣元作自適應處理，因此，屬于部分自適應陣列處理；
計算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，是當前自適應陣列處理技術的發(fā)展方向。
智能天線的結構
典型陣列；
結構原理；
系統組成。
典型陣列
均勻線陣；
隨機分步線陣；
十字陣；
圓陣；
面陣，等。
結構原理圖

智能天線的系統組成
天線陣列：
天線陣元數量與天線陣元的配置方式，對智能天線的性能有著重要的影響；
模數轉換：
接收鏈路：模擬信號 → 數字信號
發(fā)射鏈路：數字信號 → 模擬信號
智能處理：
天線波束在一定范圍內能根據用戶的需要和天線傳播環(huán)境的變化而自適應地進行調整，包括：
以數字信號處理器和自適應算法為核心的自適應數字信號處理器，用來產生自適應的最優(yōu)權值系數：
以動態(tài)自適應加權網絡構成自適應波束形成網絡
智能天線的信號模型

智能天線的信號模型

智能天線的賦形
波束形成技術：
使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高陣列輸出所需信號的強度；
零點技術：
使陣列天線方向圖的零點對準干擾方向，減少干擾信號的強度；
空間譜估計技術：
處理帶寬內信號的到達方向DOA（Direction of Arrival）的問題；


智能天線的常用準則
最大信干噪比準則：
最佳加權使得陣列輸出信號的信號干擾噪聲比最大；
最小均方誤差準則：
最佳加權使得陣列輸出和有用信號的均方誤差最?。?
最小方差準則：
最佳加權使得陣列輸出噪聲的方差最??；
最大似然準則：
經過空時加權后的估計信號與期望信號有最大可能的相似；
智能天線在3G中的應用
歐洲
歐洲通信委員會(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術研究，1995年初開始現場試驗。天線由八個陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調，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的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。
中國
ArrayComm公司和中國郵電電信科學研究院信威公司研制出應用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統。
中國的TD-SCDMA是3G中比較明確使用智能天線的方案
智能天線的發(fā)展狀況
我國已將智能天線技術列入國家863-317通信技術主課題研究中的個人通信技術分項；
我國的第三代移動通信系統基于同步碼分多址技術，廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術作為系統根基的SCDMA-WLL的現場運行結果，足以證明基于TD-SCDMA技術的第三代移動通信系統是可行和成熟的
美國Metawave公司，ArrayComm公司對智能天線進行了大量研究；
智能天線的研究方向
論證智能天線對通信系統的功效：
對通信系統容量的提高；
抗多徑干擾的性能；
提出優(yōu)化方案和快速算法；



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