1 LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 宽带移动通信 结课论文 题 目 智能天线技术 指导教师 学 院 专 业 学生姓名 学 号 日 期 智能天线技术【摘要】智能天线是当前通信领域的研究热点之一。论文对现代移动通信系统中采用的智能天线技术进行了研究。介绍了智能天线技术的概念及发展历史；智能天线的工作原理、基本结构；所采用自适应天线以及切换波束两种工作方式并对两种工作方式进行了比较。同时，还叙述了智能天线系统的特点和在移动通信中的应用，以及未来的研究趋势。【关键词】智能天线；自适应天线；切换波束 【Abstract】Smart antenna technology is one of the research hotspots in the communication field recently, and the smart antenna technology in the modern mobile communication is studied in this paper. The paper described the concept and development of the smart antenna technology; the work principle and basic structure. And we presented the working modes of the smart antenna, the adaptive antenna and switching-beam and compared them with each other. Meanwhile, the advantage and the application in the modern mobile communication and also the research trend of the smart antenna are given.【Key words】smart antenna ; adaptive antenna; switching-beam 一、前言1.1 智能天线基本概念在移动通信环境条件下，复杂的地形、建筑物的结构都会对电波的传播产生影响，大量用户间的相互作用也会产生时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰等，从而会使通信质量受到影响。采用智能天线可以有效地解决这些问题。智能天线采用空分多址技术，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。智能天线的核心在数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整权重系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和自适应赋形的实现。1.2 智能天线发展历史1.2.1 早期研究早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。1.2.2 日本研究简史日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年，研究人员已经指出基于最小均方误差（MMSE）准则的自适应天线能够减小多径衰落，因而可以用于高速移动通信应用中。自此，日本学者展开了大量的针对移动通信环境的智能天线研究，包括自适应处理算法、数字波束形成方案、WCDMA中的多址干扰抑制方法，以及基站和移动终端上分别适用的智能天线类型等。其中，较早的有日本邮政电信部通信研究实验室的智能天线系统和NTT-DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA体制的智能天线实验系统。前者工作于1.5 GHz，针对TDMA方式采用GMSK调制，数码率可达256 kbps。系统利用4阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落，权值更新采用恒模（CMA）算法在东京进行的实验表明：自适应天线技术在无线高速数据传输和存在选择衰落的情况下仍能很好地对消多径时延信号。后者则采用2D-RAKE接收机结合MMSE自适应波束形成算法进行处理。实验系统有3个小区基站用以评估切换和其他的网络功能。实验结果表明，就平均误码率（BER）而言，智能天线比空间分集有明显改善。此外，日本ATR光电通信研究所也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。阵元组件接收信号在经过低噪声放大、下变频和模数变换后，进行快速傅氏变换（FFT）处理，形成正交波束后分别采用恒模（CMA）算法或最大比值合并分集（MRC）算法。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用最大比值合并算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。在此基础上，ATR的研究人员提出了基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素（如噪声、同信道干扰或符号间干扰）也不同，利用软件方法实现不同环境应用不同算法。比如当噪声是主要因素时，则使用多波束MRC算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA实现实时天线配景，完成智能处理。随后，ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨，最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合，在天线处实现了空间滤波。1.2.3 欧洲研究简史欧洲通信委员会（CEC）在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称为TSUNAMI。实验评测了采用MU-SIC算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而市区环境则更适合采用简单的直线阵。此后，欧洲通信委员会（CEC）又在ACTS计划中继续进行了第二阶段智能天线技术研究，即TSUNAMI，旨在考察第三代移动通信中采用智能天线系统的可行性和具体优势。通过大量宏蜂窝和微蜂窝的实验，用以验证智能天线系统在商用网络中的工作情况。通过对两套系统收发性能的比较，证实了实际的智能天线方向图与理论方向图的一致性，实际所能达到的干扰抑制能力与理想的干扰抑制能力相差通常在2dB以内。实验结果同时也说明，智能天线系统在郊区宏蜂窝环境下的干扰抑制水平比较理想，而在市区微蜂窝环境下的干扰抑制能力则与环境杂波有关。1.2.4 其他国家研究简史美国和中国也研制出应用于无线本地环路（WLL）的智能天线系统。该产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用，在日本进行的现场实验表明，在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高4倍。此外，ArrayComm还研制出用于GSM、PHS和无线本地环路的IntelliCell天线，该天线已经在全球多个国家投入实用。除ArrayComm以外，美国Metawave、Raython以及瑞典Ericsson都有各自的智能天线产品，这些智能天线系统都是针对移动通信开发的，用于GSM、TDMA或者CDMA。由中国提出的具有自主知识产权的3G标准之一的TD-SCDMA之中就明确规定要采用智能天线。二、智能天线技术2.1 工作原理智能天线技术前身是一种波束成形（Beam-forming）技术。波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻当前位置发送方和接收方之间的信道信息，调整信号发送的参数，使得射频能量向接收方所处位置集中，从而使得接收方接收到的信号质量较好，最终能保持较高的吞吐量。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，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。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。智能天线的阵元排列方式有直线型、圆环型、平面型等几种类型，其中等间距线天线阵最为常见，下面的讨论基于等间距线天线阵，如图1所示。首先建立智能天线的信号模型。设等间距线天线阵的阵元个数为L，阵元间距d，以第1个阵元作为参考阵元，信号S(t)的入射方向与天线阵法线方向的夹角为。S(t) 到达第i个阵元与到达参考阵元的时间差为图 1 等间距天线阵其中C为光速，信号S(t)在参考阵元上的感应信号通常可以用复数形式表示为 信号s(t)在第i个阵元上的感应信号可表示为这里K为载波波长。把信号S(t)在天线阵上感应的信号用向量表示为：其中称为引导向量。考虑噪声，X(t)可表示为其中窄带传输条件下采用窄带波束形成器，如图2。记阵列输出信号y(t)可表示为：根据不同的准则选取加权向量，可使某个方向上的信号得到最佳合并，而其他方向上的干扰和信号则被抑制。图 2 窄带波束形成结构器将窄带波束形成器同时域FIR滤波器进行比较后可以发现，两者结构类似，而且两者的参数还存在一定的对应关系，时域FIR滤波器在时域对信号进行处理，而窄带波束形成器在空域对信号进行处理，所以窄带波束形成器通常又可称为空域滤波器。当不满足窄带传输条件时，信号带宽比较大，信号通过天线阵时，不仅存在着相位差，振幅也发生变化。对这样的宽带信号，应该选择宽带信号处理方案，宽带波束形成器结构框图如图3所示。图 2 窄带波束形成器结构图和窄带波束形成器不同，宽带波束形成器中每个阵元接收到的信号都要用一个FIR滤波器进行处理，由于信号中不同的频率分量通过天线阵产生的相移不同，采用这样的结构能对相移差进行补偿，因而这种处理器具有频率选择性。由此可见，宽带波束形成器同时在空域和时域对接收到的信号进行处理，这种处理方式称为空时阵列处理。2.2 工作方式阵列天线的方向图可以是固定的、准动态的和自适应的，分别称为固定多波束天线阵、准动态多波束天线阵和自适应天线阵。固定多波束天线阵用一组预先设计好的、方向固定的、相互重叠的波束覆盖整个空域，系统扫描每个波束的输出，选择输出功率最大的波束对准目标;当目标位置移动，系统在不同波束之间切换，故又称切换波束系统。准动态多波束天线阵，如相控阵，它利用移相器改变各阵元信号相位，控制波束方向，从而在一定条件下实现最优接收。但是它没有进行幅度加权，未对副瓣电平进行处理，因而对多址干扰的抑制能力较差。而自适应天线阵列可以根据环境变化自适应地调整权值幅度和相位，动态地改变天线方向图，跟踪多个目标用户。2.2.1自适应天线阵列如图4为自适应天线阵列的原理图，它是一个由一个天线阵和波束形成器组成的一个闭环反馈控制系统。各阵元上接收到的射频模拟信号经射频前端设备处图 3自适应天线工作原理