通信论文智能天线及其在移动通信中的应用

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　　摘要：智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。文章对天线的基本概念、关键技术、系统性能的改善及国外研究状况等进行了阐述,指出了研究过程中存在的问题及发展方向。

　　关键词：智能天线,移动通信,空分多址

　　1智能天线的基本概念及组成

　　1.1基本概念及工作原理

　　在移动通信中,智能天线是天线阵在感知和判断自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天线吸取了自适应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。由于天线有发射和接收两种状态,所以智能天线包含智能化发射和智能化接收两个部分,它们的工作原理基本相同。图1所示的是处于接收状态的智能天线结构图。现以发射状态的智能天线为例,说明波束的形成。将M维信号矢量S(t)=(s1(t),s2(t),...sM(t))T与一个N×M阶加权矩阵W相乘,得到一个N维的阵信号矢量X(t)=W×S(t)。其中,X(t)=(x1(t),x2(t),x3(t),…xN(t))T,在远区产生的场强为:

远区产生的场强公式

图1 智能天线结构框图

　　显然,Σnwnmfn(θ)表示单路信号sm(t)的辐射方向图。一旦天线阵确定下来后,它的方向性函数fn(θ)也随之确定,于是只要通过改变wnm就可形成所需要的辐射方向图。

　　1.2组成及关键技术

　　(1)射频部分

　　射频部分包括阵列天线和高频处理。在移动通信系统中,天线阵通常采用直线阵和平面阵两种方式。阵的形式确定下来后,天线单元的选择非常关键,除了必须满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标外,在实际中还要做到单元间的互耦小、一致性好和加工方便等,微带天线凭借自身特有的优势,已经在这方面得到广泛的应用。高频处理主要是指对接收或发射信号进行放大,以满足A/D变换或发射功率的要求。考虑到智能天线对误差非常敏感,还要保证射频部分各个支路幅度和相位的一致性。

　　(2)中频部分

　　目前受数字器件水平的限制,还不能直接对来自天线单元的微波信号进行采样。较为常用的办法是:先利用下变频器将微波高频信号变到中频,然后使该支路的模拟信号经过滤波和放大等中频处理,最后对它进行采样,典型的实现方法有两种,分别如图2(a)、(b)所示。

　　图2(a)所示的是双下变频接收机,通过两级混频器,完成高频信号到中频的变换。这种接收机的优点是降低了对A/D变换器采样速率的要求,而且整个接收机的增益分配也有一定的灵活性。图2(b)为直接采样接收机,它借助于更快速度的A/D变换器和其他一些辅助的数字器件,在中频直接对信号进行采样,避免了信道中I和Q两路信号的匹配问题。图中均衡器的作用是补偿各支路间幅度和相位的不一致。

　　(3)数字波束形成部分

　　数字波束形成(DBF)是智能天线的核心部分,在硬件上需要有高速率的数字信号处理芯片支持。目前能用于该领域的数字器件主要有两种:一种是通用的DSP芯片,如TMS320系列;另一种是专用集成电路(ASIU),其中最为典型的是能进行大规模并行处理的FPGA。数字波束形成在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法,以调整加权系数。目前在通信领域研究得较多的算法主要有:LMS及其改进算法RLS、SMI和CMA等。值得注意的是基于特征值分解的自适应数字波束形成算法越来越受到重视,它不仅能很好地与超分辨测向算法统一起来,而且能自动校正通道不匹配、阵元位置偏差等许多因素所产生的误差,具有很强的鲁棒性(Robust),缺点是计算量大。由于移动通信环境非常复杂,各种算法都有其优缺点,需要相互并用才能取长补短,使系统的性能最佳。

图2 a双下变频单路接收机 b直接采样单路接收机

　　2移动通信系统采用智能天线的好处

　　2.1提高系统容量和频谱效率

　　智能天线通过以下途径来提高系统容量和频谱利用率:(1)产生多个窄波束来对准移动用户,以致处于发射状态时能减少对附近小区移动用户的共信道干扰,处于接收状态时各种干扰信号因落入方向图零点而被抑制;(2)具有空分多址性能。假设智能天线形成N个波束来跟踪移动用户,那么在理论上,该小区内相同的频率就可重复利用N次,系统的容量增加N倍,或者在容量不变的情况下,服务的小区面积可增加N1r倍(r是电波传播损耗因子,通常为4);(3)智能天线还能明显提高接收信号的信噪比,改善系统的服务质量,意味着在不提高服务质量的条件下可增加用户数量。研究表明,现有蜂窝移动通信系统的每个基站都使用四单元的智能天线后,系统的容量可提高7倍,而在同样条件下,采用四个固定波束的天线只能增加1倍的容量。以上结果都是与全向天线相比而言。

　　2.2智能化的信道分配和越区切换

　　智能天线采用数字信号方式将各支路的有用信号保留到A/D变换之后,借助于阵列信号处理,可对各种信号(包括通信信号和干扰信号)的参数(如信号个数、频率、到达角等)进行估计,对移动用户进行定位和跟踪。有了这些重要信息,智能天线就能打破传统按固定边界小区分配信道数的思路,将其波束覆盖的区域定义为一个智能小区,根据该小区内用户群业务量的大小,实时分配信道,大大提高了信道利用率。

　　由于智能天线能够随时提供移动用户的位置信息,控制中心就可利用它们计算出用户的移动速度和方向,非常容易实现越区切换。这种所谓的“智能切换”,既不同于“硬切换”,也不同于“软切换”。

　　2.3提高通信质量和传输效率

　　智能天线用于移动通信系统后,能明显改善BER性能。对于一个CDMA移动通信系统,当小区内有K个用户同时工作时,在采用RLS算法的智能天线和全向天线两种情况下,BER的表达式分别如下:

BER的表达式

　　其中,Q(X)是标准Q函数,G是CDMA系统处理增益,β值为0.05513,D是智能天线增益。此外,智能天线还能有效地提高接收信号的信噪比、降低码间串扰和通信过程中的掉话率,提高通信质量。

　　与固定波束的天线相比,智能天线窄波束产生的增益一方面可降低发射台的功率,另一方面可减小移动终端的体积和重量、延长终端电池的使用寿命,或可以采用更小的电池,降低整个系统的成本。

　　3国外智能天线的研究

　　3.1用于卫星移动通信的智能天线

　　L波段卫星移动通信系统的智能天线阵采用由16个环形微带贴片天线组成的4×4方形平面阵,射频频率为1.542GHz,左旋圆极化,中频频率为32kHz,A/D变换器的采样速率为128kHz,分辨率为8位。在数字信号处理部分,选用10个FPGA芯片,其中8片用于16个天线支路的准相干检测和快速傅立叶变换,另外2片起到波束选择、控制和接口的作用;自适应算法选用CMA。对该系统进行外场测试发现,能产生16个波束来覆盖整个上半空间,并且不需要借助任何传感器,就能用最高增益波束自动捕获和跟踪卫星信号,在各种复杂环境下都能提供比其他天线高得多的通信质量。

　　3.2用于蜂窝移动通信系统的智能天线

　　用于蜂窝移动通信基站的智能天线基本设计思想是当天线工作在接收状态时,利用高分辨测向算法(如ESPRIT)获得通信信号的引导矢量,求得上行链路加权系数。当智能天线处于发射状态时,对于时分复用系统,由于上下行链路使用相同频率,上行链路的加权系数可直接用于下行链路;对于频分复用系统,上下行链路之间一般有四十几MHz的频率间隔,因此上行链路的加权系数必须经过适当处理后,才能用于下行链路。该智能天线工作在900MHz,天线阵选用间距为λ/2的8个微带天线所排成的直线阵,中频频率为144MHz。对于(1)视线内无阻挡、无多径信号,(2)视线内无阻挡、有一路多径信号,(3)视线内有阻挡,天线只能接收到反射信号,在这三种不同的环境下,对该天线的性能指标进行多次测试发现:与单个天线的情况相比,智能天线能明显地减少上下行链路的衰落,提高信噪比。

　　3.3其它智能天线

　　欧洲RACETSUNAMI计划中的智能天线采用DECT标准,射频频率为1.89GHz,天线阵由8个微带贴片组成,组阵方式可变。数字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,在软件上分别由MUSIC算法和NLMS、RLS完成测向和求得最佳加权系数。在典型的市区环境下进行测试表明,该智能天线有效跟踪的方向分辨率大约为15°,BER优于10-3。