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未来移动通信系统中的智能天线技术

2008年10月07日 ?? 收藏0

  随着全球通信业务的迅速发展,作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起人们极大关注。如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束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,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比,智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。

  1智能天线技术的起源和发展

  智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域,由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来,现代数字信号处理技术发展迅速,数字信号处理芯片处理能力不断提高,芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,以此代替模拟电路形成天线波束方法,提高了天线系统的可靠性与灵活程度,智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数目增加迅速,人们对移动通话质量的要求也不断提高,这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法,通过在基站使用全向收发智能天线,可以为每个用户提供一个窄的定向波束,使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号发射功率,降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式,智能天线引入了第四维多址方式:空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下,用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器,在多个指向不同用户的并行天线波束控制下,可以显著降低用户信号彼此间干扰。具体而言,智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能:(1)扩大系统的覆盖区域;(2)提高系统容量;(3)提高频谱利用效率;(4)降低基站发射功率,节省系统成本,减少信号间干扰与电磁环境污染。

  智能天线可以通过模拟电路方式实现:首先根据天线方向图确定馈源的激励系数,然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状,实现很复杂,随着阵元数目增加,更增加电路复杂度。为此,未来移动通信智能天线采用数字方法实现波束成形,即所谓数字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天线。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前提下,增加系统灵活性。

  2 智能天线技术的实现方案

  智能天线分为两大类:多波束智能天线与自适应阵智能天线,简称多波束天线和自适应阵天线。
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,波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动,基站选择不同的相应波束,使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处,当用户位于波束边缘,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,一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比,多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。

  自适应阵天线一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距1/2波长,若阵元间距过大,则接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图形成不必要的栅瓣,故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型,可以实现全向天线,完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道,等同于信号有线传输的线缆,有效克服了干扰对系统的影响。

  智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束,使主波束对准用户信号方向,而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益,达到抑制干扰的目的。根据天线波束形成的不同过程,实现智能天线的方式又分为两类:组件空间处理方式与波束空间处理方式,以下分别讨论。

  2.1组件空间处理方式

  组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权,调整信号振幅与相位,使天线输出方向图主瓣方向对准用户信号到达方向。因为是阵元组件信号,模数转换(ADC)后不经其它处理直接加权,故又称组件空间处理方式。

  2.2波束空间处理方式

  与组件空间处理方式的不同之处在于,信号从阵元组件接收并模数转换(ADC)后,需经相应处理(如快速付立叶变换),得到彼此正交的一组空间波束,再经过波束选择,从中根据需要选取部分或全部波束合成阵列输出方向图。


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智能天线? 移动通信系统? 自适应天线?

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