论文部分内容阅读
摘要：智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。文章对天线的基本概念、关键技术、系统性能的改善及国外研究状况等进行了阐述，指出了研究过程中存在的问题及发展方向
关键词：智能天线；移动通信
中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 16-0000-01
The Application&Development Prospect of Smart Antenna in Mobile Communication
Qiao Shaohua
(Xuchang University, TelecommunicationsInstitute,Xuchang461000,China)
Abstract:The smart antenna is considered as a future development trend of mobile communications.In this paper the basic concept of the antenna,key technology,system performance improvement and status of foreign research presented in this paper points out the problems in the research process and the development
Keywords:Smart antenna;Mobile Communication
一、引言
我们知道，天线有很多种，但大体上可分为三大类：“线天线”、“面天线”及“阵列天线”。阵列天线最初用于雷达、声纳以及军事通信中，完成空间滤波和参数估计两大任务。当阵列天线应用到移动通信领域时，通信工程师喜欢用“智能天线”来称谓之。智能天线根据方向图形成（或称为波束形成）的方式又可分为两类：第一类，采用固定形状方向图的智能天线，且不需要参考信号；第二类，采用自适应算法形成方向图的智能天线，需要参考信号。
（一）智能天线的基本原理
智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列，后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理，天线阵收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。基站使用智能天线，可为用户提供窄定向波束，在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率，又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址（SDMA）方式，根据信号的空间传播方向不同，区分用户。
（二）组成及关键技术
1.射频部分。射频部分包括阵列天线和高频处理。在移动通信系统中，天线阵通常采用直线阵和平面阵两种方式。阵的形式确定下来后，天线单元的选择非常关键，除了必须满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标外，在实际中还要做到单元间的互耦小、一致性好和加工方便等，微带天线凭借自身特有的优势，已经在这方面得到广泛的应用。高频处理主要是指对接收或发射信号进行放大，以满足A/D变换或发射功率的要求。考虑到智能天线对误差非常敏感，还要保证射频部分各个支路幅度和相位的一致性。
2.中频部分。目前受数字器件水平的限制，还不能直接对来自天线单元的微波信号进行采样。较为常用的办法是：先利用下变频器将微波高频信号变到中频，然后使该支路的模拟信号经过滤波和放大等中频处理，最后对它进行采样，典型的实现方法有两种，是双下变频接收机，通过两级混频器，完成高频信号到中频的变换。这种接收机的优点是降低了对A/D变换器采样速率的要求，而且整个接收机的增益分配也有一定的灵活性。为直接采样接收机，它借助于更快速度的A/D变换器和其他一些辅助的数字器件，在中频直接对信号进行采样，避免了信道中I和Q两路信号的匹配问题。图中均衡器的作用是补偿各支路间幅度和相位的不一致。
3.数字波束形成部分。数字波束形成（DBF）是智能天线的核心部分，在硬件上需要有高速率的数字信号处理芯片支持。目前能用于该领域的数字器件主要有两种：一种是通用的DSP芯片，如TMS 320系列；另一種是专用集成电路（ASIU），其中最为典型的是能进行大规模并行处理的FPGA。数字波束形成在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法，以调整加权系数。目前在通信领域研究得较多的算法主要有：LMS及其改进算法RLS、SMI和CMA等。
二、智能天线的优势
智能天线是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术，归纳起来，智能天线具有以下几个突出的优点。
1.具有测向和自适应调零功能，能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号，同时还能把零响点对准干扰信号。
2.提高输入信号的信干噪比。显然，采用多天线阵列将截获更多的空间信号，也即是获得阵列增益。
3.能识别不同入射方向的直射波和反射波，具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。
三、当前对智能天线的研究
包括智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。通过智能天线进行空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源。传统的全向或者定向天线效果并不理想，主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知识，尽管可以在系统建成后，采取某些优化措施改进系统性能，但由于种种原因，这种优化的余地不大，而且工程量很大。与之相比，智能天线的优越性在于自身可以分析到达天线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会。这就是自适应天线阵列的智能化，它体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用
四、结束语
智能天线是一门综合性很强的学科。它涉及到天线技术、无线电传播技术、信号检测与处理等多学科。智能天线已从单一的军事应用步入民用通信领域。由于CDMA移动通信系统技术相对于FDMA、TDMA系统具有较大的容量，且由于智能天线可以降低多径干扰、多址干扰等因素，这使得智能天线技术成为当前移动通信的研究热点。
参考文献：
[1]吴伟陵.移动通信中的关键技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2000
[2]丁雄.移动通信技术[M].北京:电子工业出版社,2004
关键词：智能天线；移动通信
中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 16-0000-01
The Application&Development Prospect of Smart Antenna in Mobile Communication
Qiao Shaohua
(Xuchang University, TelecommunicationsInstitute,Xuchang461000,China)
Abstract:The smart antenna is considered as a future development trend of mobile communications.In this paper the basic concept of the antenna,key technology,system performance improvement and status of foreign research presented in this paper points out the problems in the research process and the development
Keywords:Smart antenna;Mobile Communication
一、引言
我们知道，天线有很多种，但大体上可分为三大类：“线天线”、“面天线”及“阵列天线”。阵列天线最初用于雷达、声纳以及军事通信中，完成空间滤波和参数估计两大任务。当阵列天线应用到移动通信领域时，通信工程师喜欢用“智能天线”来称谓之。智能天线根据方向图形成（或称为波束形成）的方式又可分为两类：第一类，采用固定形状方向图的智能天线，且不需要参考信号；第二类，采用自适应算法形成方向图的智能天线，需要参考信号。
（一）智能天线的基本原理
智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列，后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理，天线阵收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。基站使用智能天线，可为用户提供窄定向波束，在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率，又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址（SDMA）方式，根据信号的空间传播方向不同，区分用户。
（二）组成及关键技术
1.射频部分。射频部分包括阵列天线和高频处理。在移动通信系统中，天线阵通常采用直线阵和平面阵两种方式。阵的形式确定下来后，天线单元的选择非常关键，除了必须满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标外，在实际中还要做到单元间的互耦小、一致性好和加工方便等，微带天线凭借自身特有的优势，已经在这方面得到广泛的应用。高频处理主要是指对接收或发射信号进行放大，以满足A/D变换或发射功率的要求。考虑到智能天线对误差非常敏感，还要保证射频部分各个支路幅度和相位的一致性。
2.中频部分。目前受数字器件水平的限制，还不能直接对来自天线单元的微波信号进行采样。较为常用的办法是：先利用下变频器将微波高频信号变到中频，然后使该支路的模拟信号经过滤波和放大等中频处理，最后对它进行采样，典型的实现方法有两种，是双下变频接收机，通过两级混频器，完成高频信号到中频的变换。这种接收机的优点是降低了对A/D变换器采样速率的要求，而且整个接收机的增益分配也有一定的灵活性。为直接采样接收机，它借助于更快速度的A/D变换器和其他一些辅助的数字器件，在中频直接对信号进行采样，避免了信道中I和Q两路信号的匹配问题。图中均衡器的作用是补偿各支路间幅度和相位的不一致。
3.数字波束形成部分。数字波束形成（DBF）是智能天线的核心部分，在硬件上需要有高速率的数字信号处理芯片支持。目前能用于该领域的数字器件主要有两种：一种是通用的DSP芯片，如TMS 320系列；另一種是专用集成电路（ASIU），其中最为典型的是能进行大规模并行处理的FPGA。数字波束形成在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法，以调整加权系数。目前在通信领域研究得较多的算法主要有：LMS及其改进算法RLS、SMI和CMA等。
二、智能天线的优势
智能天线是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术，归纳起来，智能天线具有以下几个突出的优点。
1.具有测向和自适应调零功能，能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号，同时还能把零响点对准干扰信号。
2.提高输入信号的信干噪比。显然，采用多天线阵列将截获更多的空间信号，也即是获得阵列增益。
3.能识别不同入射方向的直射波和反射波，具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。
三、当前对智能天线的研究
包括智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。通过智能天线进行空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源。传统的全向或者定向天线效果并不理想，主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知识，尽管可以在系统建成后，采取某些优化措施改进系统性能，但由于种种原因，这种优化的余地不大，而且工程量很大。与之相比，智能天线的优越性在于自身可以分析到达天线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会。这就是自适应天线阵列的智能化，它体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用
四、结束语
智能天线是一门综合性很强的学科。它涉及到天线技术、无线电传播技术、信号检测与处理等多学科。智能天线已从单一的军事应用步入民用通信领域。由于CDMA移动通信系统技术相对于FDMA、TDMA系统具有较大的容量，且由于智能天线可以降低多径干扰、多址干扰等因素，这使得智能天线技术成为当前移动通信的研究热点。
参考文献：
[1]吴伟陵.移动通信中的关键技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2000
[2]丁雄.移动通信技术[M].北京:电子工业出版社,2004