307475智能天线
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平面型三种形式。
❖ 日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能
天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作 频率是1.545GHz。
❖ 中国
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用
于无线本地环路(WLL)智能天线系统。
2020/6/21
中国的TD-SCDMA是3G中比较明确使用智能天线的方案
❖ 美国Metawave公司，ArrayComm公司对智 能天线进行了大量研究；
2020/6/21
24
智能天线的研究方向
❖ 论证智能天线对通信系统的功效：
对通信系统容量的提高； 抗多径干扰的性能；
❖ 提出优化方案和快速算法；
2020/6/21
25
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Lk
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l 1
2020/6/21
19
智能天线的赋形
❖ 波束形成技术：
使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高 阵列输出所需信号的强度；
❖ 零点技术：
使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干 扰信号的强度；
❖ 空间谱估计技术：
❖ 天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多 个期望用户；
❖ 接收模式下，来自窄带波束以外地信号被 抑制；
❖ 发射模式下，能使期望用户接收的信号功 率最大，同时使窄带波束照射范围以外的 非期望用户受到的干扰最小；
2020/6/21
4
2020/6/21
5
空分多址的概念
❖ 与传统的频分多址（FDMA）、十分多址 （TDMA）和码分多址不同，智能天线引 入空分多址（SDMA），利用用户空间位 置的不同来区分不同用户；
在多用户情况下，K：系统中的用户数；M：天线阵元个数； 则在频率选择性衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：
（其中Lk表示第k个用户的多径数，k,l 表示第k个用户第l 径的复信道增益）
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则在平坦衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：
处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction of Arrival）的问题；
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20
2020/6/21
21
智能天线的常用准则
❖ 最大信干噪比准则：
最佳加权使得阵列输出信号的信号干扰噪声比 最大；
❖ 最小均方误差准则：
最佳加权使得阵列输出和有用信号的均方误差 最小；
❖ 最小方差准则：
智能天线
刘林南 博士
智能天线技术
❖ 引言
❖ 智能天线的形式
❖ 智能天线的结构
❖ 智能天线的信号模型
❖ 智能天线的赋形
❖ 智能天线在3G中的应用
❖ 智能天线的现状及展望
2020/6/21
2
引言
❖ 智能天线的基本思想； ❖ 空分多址的概念； ❖ 智能天线和自适应天线的区别。
2020/6/21
3
智能天线的基本思想
23
智能天线的发展状况
❖ 我国已将智能天线技术列入国家863-317通 信技术主课题研究中的个人通信技术分项；
❖ 我国的第三代移动通信系统基于同步码分多 址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电 技术作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运 行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第 三代移动通信系统是可行和成熟的
最佳加权使得阵列输出噪声的方差最小；
❖ 最大似然准则：
经过空时加权后的估计信号与期望信号有最大
2020/6/21 可能的相似；
22
智能天线在3G中的应用
❖ 欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研 究，1995年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频 率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和
❖ 计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能， 是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
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13
智能天线的结构
❖ 典型阵列； ❖ 结构原理； ❖ 系统组成。
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14
典型阵列
❖ 均匀线阵； ❖ 随机分步线阵； ❖ 十字阵； ❖ 圆阵； ❖ 面阵，等。
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15
❖ 在相同时隙，相同频率或相同地址码的情 况下，仍然可以根据信号不同的传播路径 来区分；
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空分多址的概念
❖ SDMA是一种信道增容方式，与其他多址 方式完全兼容，从而可实现组合的多址方 式，例如空时－码分多址（SD-CDMA）；
❖ 智能天线与传统天线在概念上的区别，智 能天线理论支撑是信号统计检测与估计理 论，信号处理及最优控制理论，其技术基 础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
结构原理图
2020/6/21
16
智能天线的系统组成
❖ 天线阵列：
天线阵元数量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性 能有着重要的影响；
❖ 模数转换：
接收链路：模拟信号 → 数字信号
发射链路：数字信号 → 模拟信号
ຫໍສະໝຸດ Baidu
❖ 智能处理：
天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环 境的变化而自适应地进行调整，包括：
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智能天线的形式
❖ 根据工作方式的不同：
欲多波束或切换波束系统； 自适应阵列系统；
❖ 根据波束形成的不同：
阵元空间处理方式； 波束空间处理方式；
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切换波束系统
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自适应阵列系统
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阵元空间处理方式
❖ 阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信 号采样进行加权求和处理后，形成阵列输 出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达 方向。由于各种阵元均参与自适应加权调 整，这种方式属于全自适应阵列处理。
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智能天线的信号模型
❖以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字 信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数：
❖以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
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智能天线的信号模型
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波束空间处理方式
❖ 包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定 加权求和，形成多个指向不同方向的波束；
❖ 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后 合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整 天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其 中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适 应阵列处理；
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7
智能天线和自适应天线的不同
❖ 智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统， 其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容 量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收， 还包括智能发射；
❖ 智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只 能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的 对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在 于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分 开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。
❖ 日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能
天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作 频率是1.545GHz。
❖ 中国
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用
于无线本地环路(WLL)智能天线系统。
2020/6/21
中国的TD-SCDMA是3G中比较明确使用智能天线的方案
❖ 美国Metawave公司，ArrayComm公司对智 能天线进行了大量研究；
2020/6/21
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智能天线的研究方向
❖ 论证智能天线对通信系统的功效：
对通信系统容量的提高； 抗多径干扰的性能；
❖ 提出优化方案和快速算法；
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智能天线的赋形
❖ 波束形成技术：
使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高 阵列输出所需信号的强度；
❖ 零点技术：
使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干 扰信号的强度；
❖ 空间谱估计技术：
❖ 天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多 个期望用户；
❖ 接收模式下，来自窄带波束以外地信号被 抑制；
❖ 发射模式下，能使期望用户接收的信号功 率最大，同时使窄带波束照射范围以外的 非期望用户受到的干扰最小；
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空分多址的概念
❖ 与传统的频分多址（FDMA）、十分多址 （TDMA）和码分多址不同，智能天线引 入空分多址（SDMA），利用用户空间位 置的不同来区分不同用户；
在多用户情况下，K：系统中的用户数；M：天线阵元个数； 则在频率选择性衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：
（其中Lk表示第k个用户的多径数，k,l 表示第k个用户第l 径的复信道增益）
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则在平坦衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：
处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction of Arrival）的问题；
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智能天线的常用准则
❖ 最大信干噪比准则：
最佳加权使得阵列输出信号的信号干扰噪声比 最大；
❖ 最小均方误差准则：
最佳加权使得阵列输出和有用信号的均方误差 最小；
❖ 最小方差准则：
智能天线
刘林南 博士
智能天线技术
❖ 引言
❖ 智能天线的形式
❖ 智能天线的结构
❖ 智能天线的信号模型
❖ 智能天线的赋形
❖ 智能天线在3G中的应用
❖ 智能天线的现状及展望
2020/6/21
2
引言
❖ 智能天线的基本思想； ❖ 空分多址的概念； ❖ 智能天线和自适应天线的区别。
2020/6/21
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智能天线的基本思想
23
智能天线的发展状况
❖ 我国已将智能天线技术列入国家863-317通 信技术主课题研究中的个人通信技术分项；
❖ 我国的第三代移动通信系统基于同步码分多 址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电 技术作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运 行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第 三代移动通信系统是可行和成熟的
最佳加权使得阵列输出噪声的方差最小；
❖ 最大似然准则：
经过空时加权后的估计信号与期望信号有最大
2020/6/21 可能的相似；
22
智能天线在3G中的应用
❖ 欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研 究，1995年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频 率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和
❖ 计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能， 是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
2020/6/21
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智能天线的结构
❖ 典型阵列； ❖ 结构原理； ❖ 系统组成。
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典型阵列
❖ 均匀线阵； ❖ 随机分步线阵； ❖ 十字阵； ❖ 圆阵； ❖ 面阵，等。
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15
❖ 在相同时隙，相同频率或相同地址码的情 况下，仍然可以根据信号不同的传播路径 来区分；
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空分多址的概念
❖ SDMA是一种信道增容方式，与其他多址 方式完全兼容，从而可实现组合的多址方 式，例如空时－码分多址（SD-CDMA）；
❖ 智能天线与传统天线在概念上的区别，智 能天线理论支撑是信号统计检测与估计理 论，信号处理及最优控制理论，其技术基 础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
结构原理图
2020/6/21
16
智能天线的系统组成
❖ 天线阵列：
天线阵元数量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性 能有着重要的影响；
❖ 模数转换：
接收链路：模拟信号 → 数字信号
发射链路：数字信号 → 模拟信号
ຫໍສະໝຸດ Baidu
❖ 智能处理：
天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环 境的变化而自适应地进行调整，包括：
2020/6/21
8
智能天线的形式
❖ 根据工作方式的不同：
欲多波束或切换波束系统； 自适应阵列系统；
❖ 根据波束形成的不同：
阵元空间处理方式； 波束空间处理方式；
2020/6/21
9
切换波束系统
2020/6/21
10
自适应阵列系统
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阵元空间处理方式
❖ 阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信 号采样进行加权求和处理后，形成阵列输 出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达 方向。由于各种阵元均参与自适应加权调 整，这种方式属于全自适应阵列处理。
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智能天线的信号模型
❖以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字 信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数：
❖以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
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智能天线的信号模型
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12
波束空间处理方式
❖ 包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定 加权求和，形成多个指向不同方向的波束；
❖ 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后 合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整 天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其 中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适 应阵列处理；
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智能天线和自适应天线的不同
❖ 智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统， 其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容 量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收， 还包括智能发射；
❖ 智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只 能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的 对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在 于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分 开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。