智能天线的原理学习与理解

智能天线原理

    智能天线是一种多天线技术,根据外界用户信号波达方向的变化,通过信号处理技术和自适应滤波算法对这些波束加权因子的幅度和相位自适应调整,使发射和接收方向图动态的跟踪用户，使波束准确的指向用户。智能天线具有增加通信容量和速率减少电磁干扰、减少手机和基站发射功率，并具有定位功能的优点      智能天线由天线阵列模数转换器波束成形网络和自适应处理器等4部分构成(见图1)。其中天线阵列是由按某种规律排列的天线阵元构成的。波束成形网络则将来自每个天线阵元的信号加权相加,其中的加权系数为复数。自适应处理器是智能天线的核心,其功能是根据一定的算法和优化准则主动地适应周围电磁环境的变化。

智能天线的信号模型

    天线阵元的排列方式可以是任意的,目前，智能天线的阵元排列分为四种情况:线状排列、圆周排列、面状排列和立体结构排列。这4种情况又可分为均匀排列和非均匀排列。直线形天线阵可以用在水平方向平面波在0 -π扇区的方位;角φ估计和波束形成;由于均匀直线排列天线的结构和信号处理量相对简单, 且能普遍满足移动通信系统的应用要求。图2为均匀直线阵列的平面模型。

用途

     智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位。(1)抗衰落    采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减少信号衰落的影响。智能天线还可以用于分集，减少衰落。(2)抗干扰    高增益、窄波束智能天线阵用于WCDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。(3)增加系统容量    为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之-是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。(4)实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号， 即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。

技术应用在3G中的应用

在WCDMA和CDMA2000中的应用。第3代系统被设计为一一个可以提供相当高速的数据业务的系统。但是，它们还会像第2代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用，并且在3G标准中制订了相关的条款。如WCDMA和CDMA2000都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道，但是将要求使用智能天线系统。  对于WCDMA和CDMA2000系统而言，智能天线虽然是推荐配置，但是当今的一些WCDMA和CDMA2000的基站产品已经开始支持智能天线了。  在TD- SCDMA系统中的应用。TDSCDMA (时分同步的码分多址)智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性(无线环境和传输条件相同)而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰，也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。TD- SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一-组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP(数字信号处理器)使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载F比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。存在问题智能天线技术对无线通信，特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是，在将智能天线用于CDMA系统时，必须考虑所带来的问题，并在标准和产品设计上解决这些问题。

全向波束和赋形波束

上述智能 天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的，而且接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能是非常直接的;但在用户没有发射、仅处于接收状态下，又是在基站的覆盖区域内移动时(空闲状态)， 基站不可能知道该用户所处的方位，只能使用全向波束进行发射(如系统中的pilot、同步、广^播、寻呼等物理信道)。一个全向覆盖的基站，其不同码道的发射波束是不同的，即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来，对全向信道来说，将要求高得多的发射功率，这是系统设计时所必须考虑的。

智能天线的校准

  在使用智能天线时，必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理，直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形。但对实际无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的，而且,其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准，则下行波束赋形将受严重影响。这样，不仅得不到智能天线的优势，甚至完全不能通信。

智能天线和其他抗干扰技术的结合

   目前，在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样，实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰，也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，必须将智能天线和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测( joint detection)、干扰抵消及Rake接收等。目前，智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法，而和Rake接收机的结合算法还在研究中。

设备复杂性的考虑

  显然，智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量，又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在，CDMA系统在向宽带方向发展，码片速率已经很高，基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求，这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平，天线元的数量在6~16之间。

全向天线和阵列天线全向天线：

即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一一定 宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中-般应用于郊县大区制的站型，覆盖范围大。阵列天线：由许多相同的单个天线(如对称天线)按一-定 规律排列组成的天线系统，也称天线阵。俗称天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。如果阵元排列在一直线或一平面上，则成为直线阵列或平面阵

天线方向图的种类

 1.在地面架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示方向图。即:水平面方向图和铅垂面方向图。2.超高频天线通常采用与场矢量相平行的两个平面来示，即平面方向图，H平面方向图。3.按照坐标的选择可分为:直角坐标方向图,极坐标方向图，立体方向图等。

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