浅析智能天线

浅析智能天线
论文摘要：主要介绍了智能天线的提出背景、基本概念、关键技术、优点以及国外
的研究进展情况,最后指出了智能天线的发展方向。

1前言
随着蜂窝移动用户的不断增长,如何解决频谱资源紧张、抑制各种干扰、提高通信
服务质量成为一个亟待解决的问题。

为此,人们提出了一系列的解决方案,例如,在通信密集的地方引入微蜂窝技术、频率跳变技术、高效的编码技术以及进行功率控制等。

而智能天线为这一切问题的解决提供了一
条新思路。

智能天线能够成倍地提高通信系统的容量,有效地抑制复杂电磁环境下的各
种干扰,并且还能与各种通信系统和其他多
址方式兼容,从而以较小的代价获取较大的性能提高。

目前,国内外有许多大学和公司致力于智能天线的研究。

欧洲电信委员会(ETSI)明确提出智能天线是第三代移动通
信系统必不可少的关键技术之一,并制定了相应的开发计划。

2智能天线的基本概念
智能天线综合了自适应天线和阵列天
线的优点,以自适应信号处理算法为基础,并引入了人工智能的处理方法。

智能天线不再是一个简单的单元,它已成为一个具有智能的系统。

其具体定义为:智能天线以天线阵列为基础,在取得电磁信息之后,使用人工智能的方法进行处理,对电磁环境做出分析、判断,并自动调整本身的工作状态使之
达到最佳。

依据天线的智能化程度可将天线分成可变波束天线、动态相控阵列和自适应阵列3类。

可变波束天线依据接收功率最大原则,在几个预设阵列波束中进行切换;动态相控阵列使用测向算法,能够连续追踪用户的方向而改变天线的波束,使接收功率达到最大;自适应阵列既对用户进行测向,又对各种干扰源进行测向,在形成波束时,不仅使接收功率最大,而且使噪声降到最低,从而使接收信噪比最高。

智能天线的发展可分成3个阶段:第1
阶段是应用于上行链路,通过使用智能天线增加基站的接收增益,从而使接收机的灵敏度和接收距离大大增加;第2阶段是将智能天线技术同时应用于下行链路,在智能天线应用于下行链路后,能够控制波束的发射方向,从而有助于频率的复用,提高系统的容量;最后一个阶段是完全的空分多址,此时在一个蜂窝系统中,可以将同一个物理信道分配给不同的用户,例如,在TDMA中,可以将同一小区内同一时隙同一载波同时分配给
两个用户。

3智能天线的组成和关键技术
智能天线主要分为天线阵列、接收通道及数据采集、信息处理3部分。

在移动通信系统中,天线阵列通常采用直线阵列和平面
阵列两种方式。

在确定天线阵列的形式后,天线单元的选择就十分关键。

天线单元不仅要达到本身的性能指标,还必须具有单元之间的互耦小、一致性好以及加工方便的特点。

目前微带天线使用较多。

接收通道及数据采集部分主要完成信
号的高频放大、变频和A/D转换,以形成数
字信号。

目前,受A/D器件抽样速率的限制,不能直接对高射频信号和微波信号进行采
样,必须对信号进行下变频处理,降低采样
速率。

信息处理部分是智能天线的核心部分,主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形
成两方面的功能。

进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数,这些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制
方式及射频频率等,其中信号的来向对于实
现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作
用。

在众多的超分辨率测向算法中,MUSIC算法及其改进算法一直占据主导地位,它不受天线阵排阵方式的影响,只需经过一维搜索就能实现对信号来向的无偏估计,并且估计的方差接近CRLB。

此外,使用ESPRIT算法来解决移动通信中的测向问题也得到了广泛
的研究。

数字波束形成主要通过调整加权系
数来达到增强有用信号和抑制干扰的作用,它需要收敛速度快、精度高的算法支持。

根
据所需先验知识的不同,目前的波束形成算法主要有3类:以信号来向为先验知识,如
LCMV算法;以参考信号为先验知识,包括LMS 算法及其改进算法NLMS、RLS等;不需要任何先验知识,如CMA算法。

由于移动通信环
境复杂,各种算法也有各自的优缺点,因此
系统中必须对多种算法取长补短,才能达到最佳效果。

4智能天线的特点和优势
(1)提高系统容量
在蜂窝系统中,用户的干扰主要来自其
他用户,而智能天线将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。

由于系统提高
了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用
距离,从而获得了更大的系统容量。

(2)扩大小区覆盖距离和范围
使用智能天线可以提高用户和基站的
功率接收效率,进一步扩大基站的通信距离,减少功率损失,从而延长电池的寿命,减小
用户的终端。

(3)减少多径干扰影响
智能天线使用阵列天线,通过利用多个
天线单元的接收信息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化。

(4)降低蜂窝系统的成本
智能天线利用多种技术优化了信号的
接收,从而能够显着降低放大器成本和功率
损耗,提高系统的可靠性,实现系统的低成本。

(5)提供新服务
智能天线在使用过程中必须对用户进
行测向,以确定用户的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫等。

目前,美国联邦通信委员会已准备实施用户定
位服务。

(6)更好的安全性
使用智能天线后,窃听用户的通话将会更加困难,因为此时盗听者必须和用户处于
相同的通信方向上。

(7)增强网络管理能力
利用智能天线可以实时检测电磁环境
和用户情况,从而为实施更有效的网络管理提供条件。

(8)解决远近效应问题和越区切换问题
智能天线可自适应地调节天线增益,较好地解决了远近效应问题,为移动台的进一
步简化提供了条件。

在蜂窝系统中,越区切换是根据基站接收的移动台的功率电平来
判断的。

由于阴影效应和多径衰落的影响常
常导致越区转接,增加了网络管理的负荷和
用户呼损率。

在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和
速度,为越区切换提供更可靠的依据。

5智能天线的技术现状
在分析智能天线理论的同时,国内外一些大学、公司和研究所分别建立了实验平台,将智能天线应用于实践中,并取得了一些成果。

(1)美国
在智能天线技术方面,美国较其他国家
更加成熟,已开始投入实际应用中。

美国的ArrayComm公司发展了针对GSM标准和日本PHS标准的智能天线系统。

该公司已将智能
天线应用于基于PHS标准的无线本地环路中,并投入了商业运行。

该方案采用可变阵元配置,有12阵元、8阵元环形自适应阵列可供
不同的环境选用,现场实验表明,在PHS基站采用智能天线技术可使系统容量增加4倍。