智能天线综述

文章编号:1006-7043(2000)06-0051-06智能天线综述肖炜丹,楼　吉吉,张　曙(哈尔滨工程大学电子工程系,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:智能天线技术作为ITM -2000(International Mobile Telephone -2000,2000年全球移动电话)的核心技术之一,受到国内外移动通信业的高度重视.本文对智能天线的基本概念、基本原理和国内外研究现状等进行了综合论述,并讨论了其相关技术及应用和发展前景,最后对智能天线技术研究中的难点和应注意的问题发表了看法.①关　键　词:智能天线;软件无线电;移动通信;ITM -2000;第二代移动通信系统;第三代移动通信系统中图分类号:TN911.25　文献标识码:ASumm arization of Sm art AntennasXIAO Wei-dan ,LOU Zhe ,ZAN G Shu(Dept.of Electronic Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China )Abstract :Great attention is paid to the application of smart antennas by mobile communication trade both here and abroad as one of the key techniques for ITM -2000(International Mobile Telephone -2000).The paper presented basic concepts and principles of the smart antennas ,including its research situation at home and abroad ,and then discussed correlated technologies and potential applications.Finally ,the authors ’opinions were presented about the difficulties and the problems that should be considered in the research of smart antennas.K ey w ords :smart antenna ;software radio ;mobile communication ;ITM -2000;2G;3G 近年来全球通信事业飞速发展,通信业务的需求量越来越大,特别是第三代移动通信等新概念的出现,对通信技术提出了更高的要求.第三代移动通信系统的理想目标是有极大的通信容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率.在复杂的移动通信环境和频带资源受限的条件下达到这一目标,主要受3个因素的限制:1)多径衰落;2)时延扩展;3)多址干扰.为克服这些限制,仅仅采用目前的数字通信技术是远远不够的.近几年开始研究的移动通信的智能技术,即智能移动通信技术,包括智能天线、智能传输、智能接收和智能化通信协议等,为克服和减轻这些限制,达到或接近第三代移动通信系统的理想目的,提供了最有力的技术支持,已成为第三代移动通信系统最重要的技术保证.而其中的智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力,不仅是目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段,也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势,成为第三代移动通信系统的核心技术.为便于广大通信爱好者能够对智能天线技术有所了解,本文将从智能天线的概念、原理、相关技术及其应用做一简要介绍.①收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-11-15 作者简介:肖炜丹(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工程大学电子工程系硕士研究生,主要研究方向:通信与信息系统.第21卷第6期 哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 Vol.21,№.62000年12月 Journal of Harbin Engineering University Dec.,20001　智能天线的基本概念及组成1.1　基本概念及工作原理智能天线(Smart Antenna )[1]的概念是90年代初由一些学者提出的.智能天线技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理(DSP )技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术.它之所以受到人们的普遍重视,是由于它具有自动地适应环境变化,增强系统有用信号的检测能力,优化天线方向图,并能有效地跟踪有用信号,抑制和消除干扰及噪声,而保持系统性能在某种准则下最佳的缘故.智能天线的特点是能够通过其自身的反馈控制系统以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量和频谱效率、业务质量和抗阻塞等性能的提高.智能天线,即具有一定程度智能性的自适应天线[9],自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下,自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小,使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰,即使在干扰和信号同频率的情况下,也能成功地抑制干扰.如果天线的阵元数增加,还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源.实际干扰抑制的效果,一般可达25～30dB 以上.智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户,同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声,使系统处于最佳的工作状态.但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向移动用户的物理方向,实际在随机多径信道上,移动用户的物理方向是难以确定的,特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时,用户的物理方向并不一定是理想的波束方向.智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化[22～25].1.2　智能天线的结构组成及关键技术智能天线的结构框图如图1所示.图1　自适应天线结构框图Fig.1　The structure of adaptive antenna・25・ 哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 第21卷 智能天线吸收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,它主要包括两个重要组成部分,一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计,并进行空间滤波,抑制其它移动台的干扰;二是对基站发送信号进行数字波束形成,使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台,从而降低发射功率,减少对其它移动台的干扰.由于天线有发射和接收两种工作状态,所以智能天线包括智能发射和智能接收两个部分,他们的工作原理基本相同.天线接收的信号经过高频/中频处理放大,以满足A/D变换的要求,然后进入专用数字处理器即数字调谐器,变换为窄带信道的零中频复包络信号,此信号经过数字波束形成器处理,计算出所需信号和干扰信号的到达时间(TOA)和角度,完成信号合成.发送信号可根据接收信号得到的参数,进行相反的处理[3,11].1)高频处理部分高频处理主要是将接收或发射的信号进行放大,满足A/D或发射功率的要求.其中天线单元的选择非常关键,不仅要满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标,而且还要使各单元之间的互耦小,保证各阵列天线元的幅度和相位一致.2)中频处理部分中频处理部分先利用变频器将高频信号进行低噪声放大,经混频后变成中频模拟信号,然后对它进行带通滤波和中频放大,最后进行采样变换成数字信号送入数字信号处理器[28].3)波束形成部分它包括数字处理器和波束形成器.前者对A/ D变换后的数字信号进行处理和修正,使波束控制更精确,更易于实现低旁瓣、窄波束主瓣和宽频带.波束形成器对接收的数字信号作加权等处理,形成所需波束.2　智能天线的分类智能天线是通过反馈控制去自动调整自身天线波束的自适应天线,主要用途是自适应抗干扰.它是一种其它抗干扰方法不能取代的有效的空域抗干扰措施,只要干扰与有用信号来向有所不同,自适应天线系统就能有效地发挥作用.有三种设计途径:第一种是在相干天线方向缝隙开口中增加天线增益.在干扰方向上的增益减少比接收信号的提高增益还要强;第二种是充分利用多径信号,减少多径干扰;第三种是辨别干扰信号并消除干扰.按实现形式分类,智能天线可分为3类.1)自适应调零智能天线.它是以自适应天线技术为基础,采用自适应算法来形成方向图.自适应调零智能天线的基本原理就是根据天线的输入、输出特性,按一定的算法准则,自动地调节天线阵元的幅度和相位加权,在干扰方向上形成零陷,而在信号入射方向上增益最大,从而大幅度降低干扰电平,提高系统的信噪比.从空间响应看,其自适应天线阵列是一个空间滤波器,在通信中,天线的物理位置不作改变,但信号检测与处理系统却可以判断出干扰与信号的来向,自适应地改变天线的方向图,并将零陷方向对准干扰,主瓣对准要接收信号.但由于系统方向图主瓣宽度是由天线阵列口径决定的,所以自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的.2)等旁瓣针状波束智能天线.它也是以自适应天线技术为基础,但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图,且方向图的加权值是预先计算好的.系统工作时,首先通过测向确定移动用户信号的到达方向(DOA),选取合适的加权,然后将等旁瓣方向图的主瓣指向移动用户方向,从而提高用户的接收信噪比.这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰,可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制,但对处于主瓣区域内的干扰,采用此类智能天线将无法抑制,不及自适应智能天线.但等旁瓣智能天线无需迭代,而且响应速度快[15,16,23].3)数字波束形成智能天线.它运用数字波束形成(Digital Beamforming,简称DBF)技术,将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合.系统需要有一个基准信号,工作时,利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号,当基准信号・35・第6期 肖炜丹,等:智能天线综述 到达波束形成自适应天线阵时,便给信号处理器提供一个方向信息,将各阵元的接收信号转换到基带,由A/D 转换器转换成数字信号,然后根据方向信息对数字信号进行加权处理,从而在此方向上形成所需的波束.智能天线按扩容原理分类,可以分为2类.1)软容量的扩容.如CDMA 系统,在这类系统中,由于可用信道数足够多,系统的容量决定于系统的信噪比.利用智能天线的抗多径干扰的能力,可以提高系统的信噪比,对于给定的信噪比门限值,采用智能天线的系统可以容纳更多的用户,达到扩容的目的.2)硬容量的扩容.如FDMA ,TDMA 等系统,在这类系统中智能天线利用其空间分集的能力,使空间角度不同的多用户使用同一传统信道(频分信道、时分信道).硬容量扩容实际是将一个传统信道再分为若干个空分信道,从而成倍地提高系统容量[8,14,28].3　智能天线的相关技术及应用3.1　数字信号处理技术(DSP )随着数字信号处理技术(DSP )的迅速发展,其应用范围正不断扩大.尤其是在通信领域,成为第三代移动通信系统强有力的技术支持.DSP 产品的主要特点是:速度快、功耗低、集成度高.提高射频集成电路的集成度是DSP 发展的主要方向之一,它将接收机从接收混频直到零中频的电路尽可能设计在一个芯片上,并将射频信号处理技术融合其中,如I/O 调制解调、信道滤波等.这将大大改善智能天线射频部分的结构和性能,使其适用于更高的频率,能够更精确地接收、处理来自移动用户的信号,为波束形成部分提供了硬件支持,并使智能天线应用于移动用户端成为可能[23,24].3.2　软件无线电技术软件无线电(software radio )技术[10]是AMPS ,TACS ,GSM ,CDMA 等新技术和标准不断出现、DSP 处理速度不断提高和价格不断下降的产物.软件无线电将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线,即将A/D 转换器尽量靠近RF射频前端,利用DSP 的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调、信道编码译码等,从而为2G 系统向3G 系统过渡,提供了一个现实的解决方案.它是把硬件作为无线通信的基本平台,而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现.软件无线电技术的主要特点是:开放式结构,工作模式可由软件编程改变,业务升级便捷,技术实现模块化.软件无线电技术的发展和实用完全依赖于高速芯片技术如DSP ,A/D 转换等的发展,其核心技术是构造软件无线电收发信机的总线结构和算法处理,它的一个重要应用就是智能天线系统.在传统的天线设计中,通过模拟加权来实现相位调整,但由于馈电布线复杂,实现起来较困难.而移动通信中的智能天线采用软件方法实现波束形成.并使用软件设计完成自适应算法更新,可以在不改变系统硬件配置的前提下,改善和赋予系统新的功能[17,18].软件无线电技术对智能天线的支持主要体现在以下几点:1)软件无线电结构为智能天线的实现提供了方便.2)在天线确定以后,不同的准则或算法将导致不同的性能,软件无线电的开放式结构使得在硬件确定后还具有改善和更新系统的能力;3)在抑制干扰方面,难有一种普遍适用的最佳算法,采用软件无线电技术,可以集多种算法于同一系统,以便系统能够对抗各种干扰,提高系统性能.4)基于软件无线电结构的智能天线系统特别适用具有复杂的接收环境的CDMA 移动通信系统[4,31,32].3.3　数字波束形成技术(DBF )数字波束形成技术[5～7]是将天线与数字信号处理技术相结合,利用空间特性来改进接收系统输出信噪比的,通过软件编程在自适应信号处理器上实现的.它不用对硬件做任何操作,只需通过修改软件,就可以方便地更新系统,以适应不同环境和不同应用场合的要求.数字波束形成智能天线可通过自适应算法调整加权值,任意改变方向图,在有用信号方向形成主波束,而在其它用户方向增益较低或形成零陷,减少了其它用户所引起的多址干扰,同时还可以降低接收信号的衰落・45・ 哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 第21卷程度,提高系统性能.在DBF技术中权值更新所常用的自适应算法[21]主要有:(1)直接抽样协方差矩阵求逆算法(direct sample covariance matrix inversion,DM I);(2)各类最小均方算法(least mean squares,LMS);(3)递归最小二乘算法(re2 cursive least squares,RL S);(4)常数模件算法(constant modules algorithm);(5)共轭梯度算法(conjugate gradient algorithm,CG A);(6)Hopfield 神经网络算法(Hopfield neural network algo2 rithm,HNN)等.自适应算法的选取决定了在环境变化时,波束自适应控制能力和反应速度,以及实现算法所需硬件的复杂性.这些算法各有特点和不足,在实际应用中,应根据具体情况来选用[13,27,30].与固定波束天线相比,智能天线窄波束产生的增益不仅可以降低发射台的功率,还可以减小移动终端的体积和重量、延长终端电池的使用寿命,从而降低了整个系统的成本.4　国内外智能天线的研究现状和发展前景我国未来的移动通信将拥有世界上最大的市场,而第三代智能移动通信技术和系统以其大容量、个人化、综合化、智能化、网络化将成为未来世界移动通信业所追求的目标.在90年代中,伴随IM T-2000标准化工作的进行,我国邮电部电信科学技术研究院已于1998年6月向国际电信联盟(ITU-T)提交了我国的IM T-2000方案,此方案的核心技术之一就是智能天线技术[12,26].在移动通信系统中,特别是在一些无线接入系统中,智能天线已开始应用.我国大唐集团的信威通信公司推出的S-CDMA WLL系统[20],就是用了智能天线,是国内外成功应用智能天线的CDMA系统.国际方面,欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中,实施了第一阶段的智能天线研究,项目组在DECT基站上构造了智能天线模型.面向第三代移动通信系统,TSUNAM I(Tech2 nology in Smart antennas for UNiversal Advanced Mobile Infra-structure,全球先进移动通信系统智能天线技术)演示系统[2]已进行了基于数字波束形成器的双向空分多址现场试验,而且欧洲与日本及美国已提出基于宽带CDMA,并采用智能天线的IM T-2000空中接口标准草案,可见智能天线的研究应用与移动通信系统的发展是完全一致的[19,20].目前,由于DSP技术水平的限制,加之软件无线电技术刚刚起步,距实际应用还有一定距离,使智能天线还处于研究试验阶段,实际应用较少.特别是频分双工(FDD)方式,应用智能天线还有好多待解决的技术问题.目前的智能天线只能应用于基站,在进行多用户跟踪时,对天线主瓣区域内的干扰也无能为力.并且当移动用户运动速度过快、干扰过多时,需要增加天线阵元,使系统性能和分辨率受到限制,天线的响应速度和抗多径干扰的能力下降.智能天线技术是一种新兴技术,随着专用集成电路(ASIC)技术、微电子技术的发展和第三代移动通信系统标准的不断完善,智能天线技术将发挥它巨大的潜力和优势.未来的智能天线将是软件无线电技术、空时处理(即矢量均衡)技术、高性能高集成度DSP技术和数字下变频(DDC)技术等多种技术的综合应用.它不仅可以取消上下变频器,采用高集成度射频集成处理器直接对天线阵元接收的高频信号进行采样处理,还可借助软件无线电技术集多种自适应算法于一身,使通信系统能够适应各种复杂的通信环境,移动用户兼容各种不同的体制和标准,从而完全实现通信智能化.并使智能天线的应用从基站端转向移动用户端成为可能.参考文献:[1]　WIN TERS J H.Smart antennas for wireless s ystems[J].IEEE Personal Communications Magazine,1998,5(1):23-27.[2]　TSOULOS G.Wireless personal communications for21th century:european technological advances inadaptive antennas[J].IEEE Communications Maga2zine,1997,35(9):102-109.[3]　Lu I Tai,JOON S C.S pace-time processing forbroadband multi-channel communications usingsmart antennas at both transmitter and receiver[C].・55・第6期 肖炜丹,等:智能天线综述 IEEE 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