智能天線的技術(shù)特征論文

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關(guān)鍵詞：智能天線空分多址自適應(yīng)天線陣列

摘要：主要介紹了智能天線的提出背景、基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)點(diǎn)以及國外的研究進(jìn)展情況，最后指出了智能天線的發(fā)展方向。

一、前言

隨著蜂窩移動(dòng)用戶的不斷增長，如何解決頻譜資源緊張、抑制各種干擾、提高通信服務(wù)質(zhì)量成為一個(gè)亟待解決的問題。為此，人們提出了一系列的解決方案，例如，在通信密集的地方引入微蜂窩技術(shù)、頻率跳變技術(shù)、高效的編碼技術(shù)以及進(jìn)行功率控制等。而智能天線為這一切問題的解決提供了一條新思路。智能天線能夠成倍地提高通信系統(tǒng)的容量，有效地抑制復(fù)雜電磁環(huán)境下的各種干擾，并且還能與各種通信系統(tǒng)和其他多址方式兼容，從而以較小的代價(jià)獲取較大的性能提高。目前，國內(nèi)外有許多大學(xué)和公司致力于智能天線的研究。歐洲電信委員會(huì)(ETSI)明確提出智能天線是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一，并制定了相應(yīng)的開發(fā)計(jì)劃。

二、智能天線的基本概念

智能天線綜合了自適應(yīng)天線和陣列天線的優(yōu)點(diǎn)，以自適應(yīng)信號(hào)處理算法為基礎(chǔ)，并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的單元，它已成為一個(gè)具有智能的系統(tǒng)。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎(chǔ)，在取得電磁信息之后，使用人工智能的方法進(jìn)行處理，對(duì)電磁環(huán)境做出分析、判斷，并自動(dòng)調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達(dá)到最佳。依據(jù)天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動(dòng)態(tài)相控陣列和自適應(yīng)陣列3類。可變波束天線依據(jù)接收功率最大原則，在幾個(gè)預(yù)設(shè)陣列波束中進(jìn)行切換；動(dòng)態(tài)相控陣列使用測(cè)向算法，能夠連續(xù)追蹤用戶的方向而改變天線的波束，使接收功率達(dá)到最大；自適應(yīng)陣列既對(duì)用戶進(jìn)行測(cè)向，又對(duì)各種干擾源進(jìn)行測(cè)向，在形成波束時(shí)，不僅使接收功率最大，而且使噪聲降到最低，從而使接收信噪比最高。

智能天線的發(fā)展可分成3個(gè)階段:第1階段是應(yīng)用于上行鏈路，通過使用智能天線增加基站的接收增益，從而使接收機(jī)的靈敏度和接收距離大大增加；第2階段是將智能天線技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于下行鏈路，在智能天線應(yīng)用于下行鏈路后，能夠控制波束的發(fā)射方向，從而有助于頻率的復(fù)用，提高系統(tǒng)的容量；最后一個(gè)階段是完全的空分多址，此時(shí)在一個(gè)蜂窩系統(tǒng)中，可以將同一個(gè)物理信道分配給不同的用戶，例如，在TDMA中，可以將同一小區(qū)內(nèi)同一時(shí)隙同一載波同時(shí)分配給兩個(gè)用戶。

三、智能天線的組成和關(guān)鍵技術(shù)

智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數(shù)據(jù)采集、信息處理3部分。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后，天線單元的選擇就十分關(guān)鍵。天線單元不僅要達(dá)到本身的性能指標(biāo)，還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點(diǎn)。目前微帶天線使用較多。

接收通道及數(shù)據(jù)采集部分主要完成信號(hào)的高頻放大、變頻和A/D轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)字信號(hào)。目前，受A/D器件抽樣速率的限制，不能直接對(duì)高射頻信號(hào)和微波信號(hào)進(jìn)行采樣，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，降低采樣速率。

信息處理部分是智能天線的核心部分，主要完成超分辨率陣列處理和數(shù)字波束形成兩方面的功能。進(jìn)行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號(hào)的參數(shù)，這些參數(shù)主要包括信號(hào)的數(shù)目、信號(hào)的來向、信號(hào)的調(diào)制方式及射頻頻率等，其中信號(hào)的來向?qū)τ趯?shí)現(xiàn)空分多址和自適應(yīng)抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率測(cè)向算法中，MUSIC算法及其改進(jìn)算法一直占據(jù)主導(dǎo)地位，它不受天線陣排陣方式的影響，只需經(jīng)過一維搜索就能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)來向的無偏估計(jì)，并且估計(jì)的方差接近CRLB。此外，使用ESPRIT算法來解決移動(dòng)通信中的測(cè)向問題也得到了廣泛的研究。數(shù)字波束形成主要通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來達(dá)到增強(qiáng)有用信號(hào)和抑制干擾的作用，它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據(jù)所需先驗(yàn)知識(shí)的不同，目前的波束形成算法主要有3類:以信號(hào)來向?yàn)橄闰?yàn)知識(shí)，如LCMV算法；以參考信號(hào)為先驗(yàn)知識(shí)，包括LMS算法及其改進(jìn)算法NLMS、RLS等；不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，如CMA算法。由于移動(dòng)通信環(huán)境復(fù)雜，各種算法也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此系統(tǒng)中必須對(duì)多種算法取長補(bǔ)短，才能達(dá)到最佳效果。

四、智能天線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

(1)提高系統(tǒng)容量

在蜂窩系統(tǒng)中，用戶的干擾主要來自其他用戶，而智能天線將波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)其他用戶，從而減少了干擾的影響。由于系統(tǒng)提高了接收信噪比，因此減少了頻譜資源的復(fù)用距離，從而獲得了更大的系統(tǒng)容量。

(2)擴(kuò)大小區(qū)覆蓋距離和范圍

使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率，進(jìn)一步擴(kuò)大基站的通信距離，減少功率損失，從而延長電池的壽命，減小用戶的終端。

(3)減少多徑干擾影響

智能天線使用陣列天線，通過利用多個(gè)天線單元的接收信息和分集技術(shù)，可以將多徑衰落和其他多徑效應(yīng)最小化。

(4)降低蜂窩系統(tǒng)的成本

智能天線利用多種技術(shù)優(yōu)化了信號(hào)的接收，從而能夠顯著降低放大器成本和功率損耗，提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本。

(5)提供新服務(wù)

智能天線在使用過程中必須對(duì)用戶進(jìn)行測(cè)向，以確定用戶的位置，從而為用戶提供基于位置信息的服務(wù)，如緊急呼叫等。目前，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)已準(zhǔn)備實(shí)施用戶定位服務(wù)。

(6)更好的安全性

使用智能天線后，竊聽用戶的通話將會(huì)更加困難，因?yàn)榇藭r(shí)盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。

(7)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力

利用智能天線可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁環(huán)境和用戶情況，從而為實(shí)施更有效的網(wǎng)絡(luò)管理提供條件。

(8)解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題和越區(qū)切換問題

智能天線可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線增益，較好地解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，為移動(dòng)臺(tái)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了條件。在蜂窩系統(tǒng)中，越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動(dòng)臺(tái)的功率電平來判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑衰落的影響常常導(dǎo)致越區(qū)轉(zhuǎn)接，增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶呼損率。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)。

五、智能天線的技術(shù)現(xiàn)狀

在分析智能天線理論的同時(shí)，國內(nèi)外一些大學(xué)、公司和研究所分別建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將智能天線應(yīng)用于實(shí)踐中，并取得了一些成果。

(1)美國

在智能天線技術(shù)方面，美國較其他國家更加成熟，已開始投入實(shí)際應(yīng)用中。美國的ArrayComm公司發(fā)展了針對(duì)GSM標(biāo)準(zhǔn)和日本PHS標(biāo)準(zhǔn)的智能天線系統(tǒng)。該公司已將智能天線應(yīng)用于基于PHS標(biāo)準(zhǔn)的無線本地環(huán)路中，并投入了商業(yè)運(yùn)行。該方案采用可變陣元配置，有12陣元、8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同的環(huán)境選用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在PHS基站采用智能天線技術(shù)可使系統(tǒng)容量增加4倍。

(2)歐洲

歐洲通信委員會(huì)在RACE計(jì)劃中實(shí)施了第一階段的智能天線技術(shù)研究，稱為TSUNAMI，由德國、英國、丹麥和西班牙共同合作完成。它采用DECT標(biāo)準(zhǔn)，射頻頻率為1.89GHz，天線由8個(gè)微帶貼片組成。陣元距離可調(diào)、組陣方式可變，有直線型、圓環(huán)型和平面型3種形式。數(shù)字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片，它在軟件上分別由MUSIC算法、NLMS、RLS完成測(cè)向和求得最佳的加權(quán)系數(shù)。在典型的市區(qū)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，該智能天線能有效跟蹤的方向分辨率大約為15°，BER優(yōu)于10-3。

(3)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，射頻工作頻率為1.545GHz。陣元組件接收信號(hào)在A/D變換后，進(jìn)行快速傅氏變換，形成正交波束后分別采用恒模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。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線概念。

(4)其他國家

我國的信威公司也將智能天線應(yīng)用于TDD方式的WLL系統(tǒng)中。該智能天線采用8陣元的環(huán)形自適應(yīng)陣列，射頻工作于1785~1805MHz，采用TDD工作方式，收發(fā)間隔為10ms，接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。此外，愛立信公司與德國運(yùn)營商也將智能天線應(yīng)用于GSM基站上，但該天線的智能化程度不高。韓國、加拿大等國也開展了智能天線方面的研究。

(5)用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的智能天線

上文主要介紹了基于蜂窩系統(tǒng)的智能天線，另外還有一種用于L衛(wèi)星移動(dòng)通信的智能天線。該天線采用了由16個(gè)環(huán)形微帶貼片天線組成的一個(gè)4×4的方形平面陣，它的射頻頻率為1.542GHz，左旋圓極化，中頻頻率為32kHz，A/D變換器的采樣速率和分辨率分別為128kHz和8位。在數(shù)字信號(hào)處理部分，選用了10個(gè)FPGA芯片，其中8個(gè)用于16個(gè)天線支路的準(zhǔn)相干檢測(cè)和快速傅里葉變換，另外2片則起到波束選擇、控制和接口的作用；自適應(yīng)算法則選擇了CMA。系統(tǒng)的外場(chǎng)測(cè)試表明，它能產(chǎn)生16個(gè)波束來覆蓋整個(gè)上半空間，并且不需要借助于任何傳感器，就能用最高增益的波束來自動(dòng)捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，從而在各種復(fù)雜的環(huán)境下均能提供比采用其他天線要高得多的通信質(zhì)量。

六、智能天線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

智能天線系統(tǒng)在改善性能的同時(shí)，也增加了收發(fā)機(jī)的復(fù)雜度。因?yàn)橐獙?duì)每個(gè)用戶進(jìn)行定位，并且波束形成的計(jì)算量很大，所以智能天線系統(tǒng)中有多個(gè)計(jì)算單元和控制單元。在實(shí)施SMDA時(shí)，資源管理也成為一個(gè)必須關(guān)注的問題。作為一種新的多址方式，在頻譜分配和移動(dòng)性管理上也提出了新的問題，將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理提出更多的需求。此外，目前智能天線的物理尺寸較大，不利于構(gòu)建更小的基站。

智能天線形成下行波束較為困難，因?yàn)閷?duì)下行鏈路的信道響應(yīng)缺少短時(shí)先驗(yàn)知識(shí)，而無線信道的信道狀況變化極快，使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號(hào)的變化。接收和發(fā)送鏈路中器件的線性特性對(duì)系統(tǒng)的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運(yùn)算量很大，對(duì)器件、時(shí)間和功率的要求比較高，因此研究高效的優(yōu)化算法對(duì)提高系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。公務(wù)員之家

到目前為止，還沒有一個(gè)完整的智能天線系統(tǒng)理論，而智能天線今后的研究必須同一些相關(guān)技術(shù)聯(lián)系，如與多用戶檢測(cè)、多用戶接收和功率控制等結(jié)合在一起。目前的智能天線多用于基站系統(tǒng)，今后還可以研究基于移動(dòng)臺(tái)的智能天線。在信號(hào)處理部分，目前多采用自適應(yīng)信號(hào)處理算法，尚未將人工智能方法應(yīng)用于其中，同時(shí)還可嘗試將智能計(jì)算的一些方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和進(jìn)化計(jì)算等用于智能天線系統(tǒng)中。