移动通信技术及应用智能天线.ppt

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1、6.6 智 能 天 线,6.6.1 智能天线的基本概念智能天线是利用信号与干扰的束波方向的不同(即信号与干扰的空间入射角)来区分信号与干扰，实现对干扰的抑制。智能天线是一种自适应空域滤波器。空域滤波是根据信号传输的空间特性，用一定形状的波束来使有用信号或所需信号方向的信号通过，并抑制不需要方向的干扰，从而达到提取信号和抑制干扰的目的，因而也称为波束形成。,目前常用的分集技术是空间分集和极化分集，智能天线的多波束则提供的是角度分集。过去由于受技术和价格等因素的制约，智能天线一直未能大量应用于通信领域。一方面，随着数字信号处理技术和超大规模集成电路(特别是高性能数字信号处理芯片)的发展，使得数字技

2、术在取代模拟技术，并在基带形成天线波束成为可能，从而有效地提高了无线通信系统的适应性、可靠性和灵活性，使智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。,另一方面，由于移动通信用户数量增长迅速，对移动通信系统的容量和通信质量提出了新的要求。智能天线技术与常用的扇区天线和天线分集不同，它是通过在基站使用收发智能天线，提供较窄的定向波束，即在有限的空间方向区域发送和接收信号。因此，它能充分利用有用信号的发射功率，从而降低了信号全向发射产生的相互干扰。,6.6.2 智能天线的基本原理天线的方向性由方向图（或波束图）和波瓣特性参量表示，波瓣宽度越窄、旁瓣电平越低、前后辐射比越大，说明天线辐射能量越集中

3、，方向性越强。对一个天线来说，干扰可能从主瓣进入，也可能从旁瓣进入。如果干扰来自固定方向，我们可以通过设计天线的方向图，使方向图的零点对准干扰方向。但通常干扰方向是变化的，我们希望的是零点能随干扰方向而变化。,单个天线的方向图的波瓣很宽，在复杂的无线电传播环境下，不能有效地接收有用信号。为了将方向图的波束压窄，并将波束集中到需要接收的信号方向，可以用若干个天线组成天线阵来实现这一目的。该天线系统能根据无线传播环境自适应调整参数实现最佳处理，具有一定程度的智能（即智能天线），从而与传统的参数固定的天线系统有本质的差别。,智能天线由天线阵、方向图形成网络和自适应处理器组成，如图6-31 所示。自适

4、应处理器由信号处理器和自适应算法控制器组成，用来调整方向图形成网络中的可变加权数值。天线阵由多个天线单元组成，用来接收无线信道的所需信号。方向图形成网络中的各个加权系数值可以改变天线的方向图。,图 6-31 智能天线基本组成,下面我们以如图6-32（a）所示的二元阵来说明智能天线的原理。设信号x(t)以偏离阵法线方向为的方向入射到二元阵，阵元间距为d，信号到达阵元2比到达阵元1延迟一个时间,c为光速，有,（6.6-1）,二元阵输出信号为两阵元输出信号之和，有,y(t)=w1x(t)+w2x(t-),（6.6-2）,式中，w1,w2为加权系数。设x(t)是中心频率为f0的窄带信号，对应于中心频率

5、的波长为。时间延迟的相移角为,（6.6-3）,二元阵输出信号的和为,（6.6-4）,二元阵的方向图为,（6.6-5）,(1)对于普通的二元阵，其w1=w2=1，式（6.6-5）可改写为,二元阵的归一化方向图为,（6.6-6）,式中，N为天线阵元数（这里N=2）。图6-32(b)(d)给出了d/0分别为0.5、1.0和1.5 时此二元阵的方向图曲线。可见，当d/0=0.5时，方向图有一主波束，其 3dB波束宽度为60，零点在=90方向，如图6-32(b)所示。当d/0=1.0时，零点发生在=30方向，如图6-32(c)所示。当d/0=1.5时，主波束宽度进一步变窄，零点更往内移，且在=90出现两

6、个新零点，如图6-32(d)所示。发生在=30方向。当d/0值进一步增大时，将出现更多的方向图零点和更多的旁瓣波束，主波束宽度则进一步减小。,图 6-32 二元阵及其增益方向图,(2)假定限制条件为w1+w2=1，d/0=0.5,使方向图A()在1或1=sin1方向产生一个零点。联立解方程：w1+w2=1和w1+w2e-j1=0，可得,（6.6-7）,若要求在1=30处产生一个零点，则不难得到,图 6-33 智能天线原理图,若干扰来自30方向，则干扰将完全被抑制；若干扰方向改变时，可根据自适应算法来调整w1和w2的值，使天线方向图的主瓣对准期望信号，而零点对准干扰信号，就能实现对期望信号的有效

7、提取和对干扰的有效抑制。这就是智能天线的基本原理，如图6-33 所示。,6.6.3 智能天线的工作方式,1.切换波束方式切换波束方式又称为多波束(multibeam)方式。在蜂窝移动通信系统中通常将空间分成120扇区，就是一个三波束的波束切换系统。在智能天线系统中，切换波束更窄，进一步将宏扇区分成几个微扇区。当移动台进入宏扇区时，切换波束系统选择一个收到最强信号的波束用于该用户通信。用户在通信过程中，系统不断地监测信号的强度，当信号较弱时，可以切换到另一个波束，以确保通信质量，如图6-34 所示。,图 6-34 切换波束方式原理图,与全向波束或120扇区方式相比，切换波束方式能提供更大的信号干

8、扰噪声比(SINR)、更大的覆盖范围、更小的发射功率，能减少时延扩展，跟踪速度快，只需要检测信号强度来确定所用波束，结构比较简单，实现容易。但切换波束方式存在诸如不能实现最佳信号接收，干扰抑制能力较差，用户多时处理复杂，对多径信号的角度分布比较敏感，不能对多径分量进行相干分集联合等缺点。,2.自适应波束方式自适应波束方式又称为自适应阵列(adaptive array)方式，它采用自适应算法形成的自适应波束。图 6-35 是上行链路基站的自适应波束形成原理图，图中每个用户对应一个自适应波束形成器，并产生相应的自适应权值。当然也可以是多个用户采用一个自适应波束形成器，或几个波束形成器的权值是联合产

9、生的。,图 6-35 自适应波束方式原理图,由于自适应波束方式能更有效地将波束对准期望用户和实现自适应干扰置零，其SINR(信号干扰噪声比)性能优于切换波束，因此自适应波束方式能有效地增大系统容量和提高频谱利用率。自适应波束方式的优点还有：能在更复杂的干扰环境下工作；能够根据用户信号到来角度的变化不断改变波束形状，使得波束的主瓣对准期望用户，而零点对准干扰用户；能实现动态小区；可以对期望用户的多径信号进行合成，利用路径分集等。自适应波束方式的主要缺点是实现困难。,6.6.4 智能天线的波束形成前面介绍了自适应空域滤波(智能天线)必须采用阵列天线，阵列天线的波束形成既可以采用模拟方式，又可以采用

10、数字方式。采用数字方式在基带实现波束形成的技术称为数字波束形成(DBF)。,图6-36 是接收数字波束形成(DBF)的原理图，其中x(n),x2(n),xM(n)是各个天线阵元接收到的高频信号x(t),x2(t),xM(t)经接收机变频、放大和A/D变换后得到的基带数字信号。x(n),x2(n),xM(n)与波束形成器的权值w1,w2,wM进行线性组合得到一个输出波束，即,（6.6-8）,图 6-36 接收数字波束形成原理图,采用数字方式在基带实现波束形成要求各个天线、各路接收机和各路A/D的幅度相位特性保持一致，以保证各基带信号具有与天线输入端完全相同的幅度和相位关系。即要求采用性能完全相同的天线阵元、接收机和A/D电路。由于实际上总是存在不一致，因此需要对各路天线阵元、接收机和A/D采取校正措施，即波束形成校正。通常天线阵输入端的信号为窄带信号，对于窄带信号，可以在波束形成数字信号处理器中实现校正。对于宽带信号，则要求校正处理的运算速度很快。,图 6-37 是发射数字波束形成(DBF)的原理图，它同时产生L个发射波束，波束i的权值为wj1,wj2,wjM，j=1,2,L。各个波束的各路基带数字信号经M个相加器相加后，由数字频率综合器形成中频或射频信号，经功率放大后由发射天线发射出去。,图 6-37 发射数字波束形成原理图,