智能天线技术_百度文库概要

TD-SCDMA 智能天线技术

恶劣的无线信道、快速增长的用户容量和有限的频谱资源造就了智能天线技术的飞速发展。智能天线采用空分多址（SDMA ）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，智能天线上、下行链路的增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线主波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。

1. 基本原理

天线的方向图表示的是天线增益与空间角度的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆。目前，基站大部分使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式。如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。

天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。由

于终端在尺寸和成本上的限制，目前对于智能天线的研究主要集中在基站侧。以下讨论只针对智能天线在基站上的应用。

智能天线具有根据信号情况实时变化的方向图特性。系统能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并通过调整天线阵元中各个元素的加权参数来形成针对性的空间定向波束（图

2），使天线的主瓣方向对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到最大化有用信号、抑制干扰信号的目的。智能天线技术在频率、

时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力，很大程度的提高了系统的容量以及其它相关功能（如覆盖范围、用户定位等）。

智能天线包括射频天线阵列和基带信号处理两部分，其基本结构如下图所示。天线阵列部分负责接收空中的射频信号；基带信号处理部分对接收到的信号进行分析和处理，识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。

假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而

没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决定。若入射信号为平面波（只有一个入射方向），则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。各个天线的射频单元对接收信号进行处理，再进入一个加权器（即乘以某一系数，通常是复数），最后通过相加器进行合并。对于给定的一组加权值，一定的入射信号强度，从不同角度入射的信号由于在天线间的相位差不同，合并后的输出信号强度也会不同；不同的权值通常对应不同的方向图，因此，智能天线可以通过改变权值来实现对有用信号的选择，这也就是常说的“空间滤波”。

智能天线技术研究的核心是波束赋型的算法。从是否需要参考信号（导频序列或导频信道）的角度来划分，这些算法可分为盲算法、半盲算法和非盲算法三类。非盲算法是指须借助参考信号的算法。由于发送时的参考信号是预先知道的，对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则（如著名的迫零准则）确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值（也即算法模型的抽

头系数），以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内。常用的准则有MMSE （最小均方误差）、LMS （最小均方）和RLS （递归最小二乘）等等；而自适应调整则采取最优化方法，最常见的就是最大梯度下降法。盲算法则无须发送参考信号或导频信号，而是充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法（CMA ）、子空间算法、判决反馈算法等等。常数模算法利用了调制信号具有恒定的包络这一特点，具体又分最小二乘CMA 算法、解析CMA 算法、多目标LS －CMA 算法等；子空间算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的混合空间划分为信号子空间和噪声子空间，对信号子空间进行处理；判决反馈算法则由收端自己估计发送的信号，通过多次的迭代，使智能天线输出向最优结果不断逼近。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。为此，学者们又发展了半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整。这样做一方面可综合二者的优点，一方面也是与实际的通信系统相一致的，因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但各种算法均存在所需数据量大、运算量大、信道模型简单、收敛速度较慢、在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点。在实际信道条件下，当干扰较多、多径严重、特别是信道快速时变时，难以对某一用户进行实时跟踪。这些都决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程，通常可分为三个阶段。

●第一阶段：开关波束转换（多波束天线）。利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的波束中切换选择，使天线增益方向对准有效信号，降低和抑制干扰信号。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现简单，性能有限。

●第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。

●第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。

目前，对于智能天线的研究和应用主要集中在第二阶段。多波束天线作为全向天线、扇

型天线的升级版本用于部分已有基站系统中。

2．TD-SCDMA 系统中智能天线技术的实现

第三代移动通信的各种后选方案中，只有中国的TD-SCDMA 将智能天线技术写入具体

建议书中。图5是采用智能天线技术的TD-SCDMA 系统结构框图，由图中可知，TD-SCDMA 系统中，智能天线的处理分为上行链路和下行链路两部分。