導(dǎo)語：智能天線在無線通信中應(yīng)用論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、概述

天線是實(shí)現(xiàn)電磁波傳播的必備器件:信號發(fā)射端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波輻射,信號接收端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波感應(yīng)。因此,不論何種通信系統(tǒng),只要它采用無線傳輸方式,就必須使用天線,而不論該系統(tǒng)采用的工作頻率是多少,屬于何種頻段,也不論采用什么多址技術(shù)或者什么調(diào)制技術(shù)。

隨著通信的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,對所用器件、部件的要求也越來越高。智能天線正是適應(yīng)通信發(fā)展而產(chǎn)生的新事物——在無線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)(不論在公眾通信網(wǎng)中,還是在專用通信網(wǎng)中)以及軍事通信等系統(tǒng)中,均有其重要應(yīng)用,并由此而帶來諸如抗干擾能力、頻率利用率等性能大幅度提高的一系列優(yōu)點(diǎn)。

盡管智能天線還是起著電磁波的輻射和感應(yīng)作用,但是,智能天線是一個嶄新的概念。

二、常規(guī)天線與智能天線

按照分類方法不同,常規(guī)天線(下文稱天線)有眾多的分類。例如,若按振子形狀分類,天線可分為線狀天線和面狀天線:后者有拋物面天線,卡什格侖賦形天線等(用于微波頻段);前者有布朗天線、J形天線、折合振子天線、八木天線、鞭狀天線、螺旋天線、菱形天線等(常用于特高頻、甚高頻、短波頻段)。若按方向性圖分類,天線又可分為無方向性天線(即全向性天線)和定向性天線:前者如外露偶極子天線、共軸天線等,其特點(diǎn)是當(dāng)它們用于信號發(fā)射時,不論收信用戶位于何處,發(fā)射能量通過天線能作3600均勻分布;諸如角反射天線、角形反射器天線等則屬于定向性天線。此類天線在一定方向上形成信號的發(fā)射或接收,能量的有效性較高。若按材料分,又有金屬天線和介質(zhì)天線之分。若按電場強(qiáng)度方向分類,天線又有垂直極化、水平極化等之分。當(dāng)然,天線還有其它的分類方法,我們不一一例舉。但無論怎么說,通信天線的構(gòu)成比較簡單,即使將用于與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)相連的饋線算入,構(gòu)成“天饋線系統(tǒng)”,但是,它依然是一個簡單系統(tǒng)。

智能天線則是一個復(fù)雜的系統(tǒng),而且隨著性能要求的提高,智能天線也越加復(fù)雜。可以認(rèn)為智能天線是從自適應(yīng)天線發(fā)展起來的,但是二者之間有著顯著的差異:自適應(yīng)天線主要用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消,而且是干擾信號強(qiáng)度特大,數(shù)量又不多的場合。在無線通信系統(tǒng)中,主要基于多徑傳播的干擾,其幅度一般較小,但數(shù)量往往很大,尤其是電波在城市地面?zhèn)鞑r更是如此。這些差異導(dǎo)致在方向性圖的形成上,或者說在信號的處理上有著各自的特色。既然智能天線從自適應(yīng)天線發(fā)展而來,所以智能天線有著與自適應(yīng)天線相類似的結(jié)構(gòu),用于信號接收時的智能天線結(jié)構(gòu)圖見圖1。就是說,智能天線是由一個天線陣列和一組波束形成網(wǎng)絡(luò)(亦稱聚束網(wǎng)絡(luò))聯(lián)合構(gòu)成的系統(tǒng)。所以,從硬件構(gòu)成來看,將智能天線稱為“智能天線系統(tǒng)”是可以理解的。

用于收、發(fā)信側(cè)的智能天線結(jié)構(gòu)是相仿的,其工作原理也一致。這里以發(fā)送用智能天線為例,說明其波束形成原理。將待發(fā)射的各路信號S1(t),S2(t)……SM(t)組合成M維信號集合:S(t)=[S1(t),S2(t)…SM(t)]T,再在N×M矩陣網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)W加權(quán),得到一個N維的陣列輸出信號:

X(t)=W×S(t)(1)

其中,X(t)=[X1(t),X2(t)…XN(t)]T。

若智能天線的天線陣列的方向性函數(shù)為fN(θ),且當(dāng)天線陣列選定以后,它就為定值。則X(t)將在天線遠(yuǎn)區(qū)場產(chǎn)生的場強(qiáng)

E(θ,t)=∑XN(t)·fN(θ)(2)

若要將信號SM(t)發(fā)向接收方,只需修改加權(quán)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)W為WNM即可實(shí)現(xiàn)該信號的輻射方向性圖。即E(θ,t)可進(jìn)一步寫成

顯然,只要調(diào)節(jié)WNM就能獲得所需方向波束。智能天線的天線陣列是由多個(例如5、6個甚至更多)單元天線排列成一定形式形成的,常用形式有平面形、圓環(huán)形、直線形。從工程上考慮,這些單元天線方向性圖常是無方向性的,其相互間距也需滿足一定要求。例如在移動通信中使用時,各單元天線間距常取為λ2(λ為工作波長)。

智能天線波束形成網(wǎng)絡(luò)的作用是在天線陣列支援下,形成一系列極窄的信號傳輸通路——空間波道,又稱波束(Beam),即在收、發(fā)兩端之間形成一條極窄的信號通道。例如,當(dāng)智能天線用于無線接入系統(tǒng)時,可以在基站(或中心站、轉(zhuǎn)發(fā)站)和用戶之間形成極窄的無線電波束通道。當(dāng)智能天線用于移動通信和個人通信中時,這個極窄的波束能隨著用戶移動而移動。顯然,極窄波束的應(yīng)用能提高發(fā)信功率的有效性,還能提高信號傳輸?shù)男盘柛蓴_比?；蛘哒f,在保證接收端信號干擾比不變的條件下,發(fā)信端功率可以大幅度降低。

這個極窄波束的實(shí)用,也形成了多址技術(shù)的第四種概念——空分多址(SDMA),而且這個SDMA可以和其它多址技術(shù)以及它們的混合聯(lián)合使用。即在采用智能天線后,系統(tǒng)能在相同時隙、相同頻率、相同地址碼情況下,用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間波束——空間傳播路徑加以區(qū)分。

值得重提的是,形成一定指向的空間波束是眾多的無方向性天線和波束形成網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合作用,而且空間波束的指向依據(jù)用戶的不同空間傳播方向而決定。這個具有一定指向的空間波束等同于信號有線傳輸?shù)木€纜如光纜、同軸電纜。

智能天線能實(shí)用于無線通信系統(tǒng),而不論它們是公眾網(wǎng)還是專用網(wǎng),也不論該系統(tǒng)采用何種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。智能天線能適用于幾乎所有移動通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的情況,見表1。有些協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)甚至至今還未正式形成產(chǎn)品,例如cdma2000、TD-SCDMA,這種情況說明智能天線適用范圍很廣。

SDMA的實(shí)用也促使了系統(tǒng)頻率利用率的提高以及頻率管理、頻率配置難度的降低。例如在移動通信中,同一基站范圍內(nèi)的相同載頻可以多次復(fù)用而不必慮及同頻干擾(這就大大地降低了頻率配置的難度)。而且不同指向的波束越窄,同頻復(fù)用系數(shù)可以越大,系統(tǒng)的頻率利用率就越提高,系統(tǒng)容量越大。同一小區(qū)兩個手機(jī)用戶同時占用同一頻道時,智能天線形成的方向性圖見圖2。圖中,智能天線形成的兩個主波束分別對準(zhǔn)這兩個用戶(而不會產(chǎn)生同頻干擾),其它方向的增益卻很小,這就保證了主波束增益可以做得很高,周圍的干擾(包括同頻干擾、鄰頻干擾、近端對遠(yuǎn)端比干擾等)和噪聲的影響可以降低到很小。

采用智能天線后,同無線區(qū)不僅可以安排相鄰或鄰近頻率,甚至還可實(shí)現(xiàn)同頻復(fù)用,這極大地降低了無線電管理部門在頻率配置和干擾管理上的難度,所以無委力主智能天線早日投入使用。

智能天線的應(yīng)用還可以極大地增強(qiáng)設(shè)備供應(yīng)商的競爭能力,并且智能天線不受調(diào)制方式和空中接口協(xié)議的限制,它們能與現(xiàn)有的空中接口方式相適應(yīng)。智能天線的核心技術(shù)是波束形成,并主要由波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)智能天線為某個具體用戶服務(wù)時,利用天線陣列發(fā)射或接收無線電波,利用波束形成網(wǎng)絡(luò)中的某些部分對用戶形成極窄的波束指向,而在其它方向上,智能天線能自適應(yīng)地控制其方向性圖為零,這種性能又稱為自適應(yīng)調(diào)零功能。正是利用這種功能,可以將智能天線的副瓣或零信號區(qū)(也稱零陷區(qū))的幅度基本抑制掉,這也造就了智能天線有極好的抗干擾性能。

只要能把主波束做得極細(xì),同一基站(或中心站)主波束數(shù)能做得足夠多,副瓣也能完全被抑制掉,那么,智能天線的應(yīng)用至少在理論上解決了眾多無線通信頻率資源不足的難題。因此,不論在歐日聯(lián)合提出的第三代移動通信方案W-CDMA中,或是我國提出的第三代移動通信方案TD-SCDMA方案中都把智能天線作為特征技術(shù)闡述在內(nèi),這是有道理的。就是在專用通信網(wǎng)中,這個特點(diǎn)也有著重要意義。我們以815~821MHz(移動臺發(fā))和860~866MHz(基站發(fā))這一集群系統(tǒng)專用頻段為例說明這一問題。這一頻段雖可劃分成240個雙向通,但由于集群系統(tǒng)性能優(yōu)越,特別是它的調(diào)度功能強(qiáng)大,因而該系統(tǒng)特別受專用通信網(wǎng)歡迎,許多系統(tǒng)諸如電力、人防、交通、港口、民航等都想發(fā)展該系統(tǒng),從而導(dǎo)致頻譜緊張。但是,一旦集群系統(tǒng)采用智能天線以后,頻譜緊張這一問題將迎刃而解。

三、智能天線系統(tǒng)的構(gòu)成

智能天線之所以能具備這些優(yōu)良性能,這同其系統(tǒng)構(gòu)成有關(guān),特別是波束形成網(wǎng)絡(luò)。波束形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜,大體上可分為網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)兩部分,依照網(wǎng)絡(luò)處理和網(wǎng)絡(luò)控制的工作原理、結(jié)構(gòu)不同,智能天線可分成波束切換型和自適應(yīng)陣列兩種類型。

波束切換型是指,智能天線能形成多少個空間波束一空間信道事先就已確定,這個確定既包括波束指向,也包括數(shù)量。確切地說,這類天線的波束數(shù)量有限。當(dāng)智能天線服務(wù)于某用戶時,系統(tǒng)能自動從有限波束中選擇一個或幾個的組合以服務(wù)于該用戶,而不管所選波束的最大指向是否對準(zhǔn)用戶,也就是說用戶雖處在所選波束作用范圍,卻有可能不在最大方向上。而且,當(dāng)用戶在移動時波束卻是固定的,在用戶移動到這種另一波束上時,系統(tǒng)會由此波束切換到另一波束上。基于相同原因,另一波束也不保證其最大指向隨時指向用戶,這些特點(diǎn)構(gòu)成了這類智能天線的缺點(diǎn),但是這類天線結(jié)構(gòu)簡單。

自適應(yīng)陣列型智能天線能形成無限多波束,并能使用戶始終得到波束的最大指向。當(dāng)用戶移動時,波束也能作自適應(yīng)改變。顯然,這種類型的智能天線性能最佳,但其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜,還要求系統(tǒng)的實(shí)時性好,即要求處理網(wǎng)絡(luò)在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應(yīng)算法,以能快速調(diào)整波束的復(fù)數(shù)加權(quán)參數(shù)W。

目前,智能天線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的算法有最小、最大信號比、最小偏差等。它們又各有特點(diǎn),因而在實(shí)際系統(tǒng)中常需要并用,以取長補(bǔ)短,特別是在移動通信和個人通信中。這是因?yàn)樵谶@兩種通信系統(tǒng)中,電波傳播主要在地面,而地面的電波傳播環(huán)境很惡劣。基于智能天線性能極大地依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件特性,因此智能天線也被稱作“軟件天線”。

早期智能天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)用模擬電路,但調(diào)試難度大、性能穩(wěn)定性和可靠性差,目前都主張采用數(shù)字電路。較為一致的意見是采用高速率的數(shù)字信號處理芯片來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際使用的芯片主要有兩種:一種是DSP通用芯片,如TMS320系列等。另一種則為專用集成電路(ASIC器件),其中最典型的器件是能進(jìn)行大規(guī)模并行處理的門陣列電路FPGA,以C6x調(diào)處理器為基礎(chǔ)的DSP系統(tǒng)見圖3。波束形成網(wǎng)絡(luò)平臺應(yīng)提供充分模塊以支持多個C6x,而且要采用高效率的I/O結(jié)構(gòu)。

天線小型化和微帶天線的使用,使得天線陣列結(jié)構(gòu)得以簡化。軟件方面值得注意的發(fā)展是,基于特征值分解的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法格外受到重視,因?yàn)檫@種算法能和高分辨率的測向算法統(tǒng)一起來,還能克服眾多因素造成的波束誤差。但是,此種算法的計(jì)算量大。

四、智能天線在無線通信中的應(yīng)用

智能天線能用于很多種無線通信系統(tǒng)中,以提高系統(tǒng)性能。未來專用移動通信網(wǎng)將向公眾移動通信網(wǎng)方向發(fā)展,或者說二者之間關(guān)系更加密切。還應(yīng)注意:移動通信蜂窩小區(qū)正在向微型化、智能化方向發(fā)展,站距將更小,分布也更廣泛,波束跟蹤也更需智能化、實(shí)時化,基站配置也將更靈活,智能天線的波束形成技術(shù)將在改善地面電波傳播質(zhì)量和降低成本上發(fā)揮重要作用。由于智能天線的使用,不論在專用移動通信系統(tǒng),例如集群系統(tǒng)、無線本地環(huán)路,還是在公眾蜂窩系統(tǒng),一改控制信道的發(fā)射方式——由全小區(qū)(或全扇區(qū)或全無線區(qū))范圍內(nèi)的輻射為跟蹤性的極窄波束輻射,全區(qū)內(nèi)同頻可以多次復(fù)用,從而形成了智能無線區(qū)(智能小區(qū)、智能扇區(qū))的新概念。因?yàn)橹悄芴炀€具有跟蹤功能的固有性,無需通信系統(tǒng)另設(shè)“定位功能”,從而使采用智能天線的移動通信系統(tǒng)、個人通信系統(tǒng)的越區(qū)切換產(chǎn)生了“智能切換”的又一個新概念。而且,智能天線的應(yīng)用也降低了成本。目前國內(nèi)在公眾移動通信系統(tǒng)中雖然使用了性能優(yōu)良的單極化全向天線ANTELBCD-87010、單極化定向天線ANTELRWA-87027、雙極化天線DPS60-16RSX和先進(jìn)的遙控電子傾角天線MTPA890-D4-RXY-Z,尤其是后者給日常的移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了方便,人們根據(jù)需要可以方便地調(diào)節(jié)天線傾角,以改善覆蓋和干擾,但是它們遠(yuǎn)不能和智能天線相比。智能天線用于移動通信系統(tǒng)時,主要用于基站的發(fā)和收。

應(yīng)該承認(rèn),移動通信和個人通信應(yīng)用智能天線的難度較大,其原因在于移動的多用戶、電波傳播的多路徑等因素造成了信號動態(tài)捕獲與跟蹤的難度,所以移動通信和個人通信中智能天線應(yīng)用較晚,而無線接入系統(tǒng)尤其是固定式無線接入系統(tǒng)卻較早應(yīng)用。智能天線工作于TDD雙工方式的無線接入系統(tǒng)時,可以把上、下行鏈路的加權(quán)系數(shù)統(tǒng)一。但在上、下行頻率不同時,即采用FDD雙工方式時,則下行鏈路的加權(quán)系數(shù)在上行鏈路的加權(quán)系數(shù)基礎(chǔ)上,還需作適當(dāng)處理。智能天線有望用于移動市話,以改善其頻率配置的難度和提高網(wǎng)絡(luò)的容量,以及提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

智能天線也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等體制的無繩電話系統(tǒng),都能改善它們的系統(tǒng)性能。

智能天線還可用于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),例如用于L波段的衛(wèi)星移動系統(tǒng)的智能天線就是用16單元、環(huán)形分布的微帶天線陣列和一個波束形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,采用左旋園極化。而波束形成網(wǎng)絡(luò)則采用10塊FPGA芯片,其中2塊用于波束選擇、控制和接口,8塊用于天線陣列的準(zhǔn)相干檢測和快速傅立葉變換。

智能天線還用于各種專用通信網(wǎng)和軍事通信等無線通信系統(tǒng),以改善系統(tǒng)性能。正是由于智能天線具有重要的應(yīng)用價值,所以國內(nèi)外許多大學(xué)、研究所、通信公司等單位投入巨資,潛心研究,并已見碩果。

五、結(jié)語

智能天線對提高專用網(wǎng)和公眾網(wǎng)通信系統(tǒng)容量、抗干擾能力,提高通信質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)同一地址的各專用網(wǎng)的頻率共享等具有巨大潛力,近年來備受關(guān)注。但是由于波束自適應(yīng)形成的難度大,影響因素多,因此智能天線雖已用于固定式無線接入、衛(wèi)星通信、軍事通信等系統(tǒng)中,并獲益匪淺。但用于移動通信、個人通信中還存在有一些難度。不過近來已傳來樂觀消息。例如某國外公司已2000年6月在上海移動通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行智能天線實(shí)用試驗(yàn)。所用天線類型為波束切換型。試驗(yàn)結(jié)果表明,確實(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。另據(jù)廣東消息稱,該省移動通信網(wǎng)絡(luò)將在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引入智能天線,以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等級和滿足用戶數(shù)量劇烈增長的要求。

參考文獻(xiàn):

[1]李小強(qiáng),胡健棟.未來移動通信中的智能天線技術(shù)[J].移動通信,1999(1)

[2]林敏,龔錚權(quán).智能天線及其在移動通信中的應(yīng)用[J].電信快報(bào),2000(2)

[3]向衛(wèi)東,姚彥.智能天線及其在無線通信中的應(yīng)用[J].微波與衛(wèi)星通信,1999(2)

[4]TobyHaynes.先進(jìn)的DSP結(jié)構(gòu)對無線基站大有裨益[J].環(huán)球通信,1999(1)

[5]朱近康,陳軍.走向智能化的第三代移動通信系統(tǒng)[J].世界電信,1999(1)

[6]謝顯中,王新梅.第三代移動通信系統(tǒng)的空中接口方案[J].移動通信,1999(2)

論文關(guān)鍵詞:智能天線無線通信空分多址自適應(yīng)天線應(yīng)用

論文摘要:采用數(shù)字信號處理技術(shù)形成定向波束的智能天線,引起了無線通信工程技術(shù)人員的極大重視。作者在對天線傳統(tǒng)認(rèn)識的基礎(chǔ)上闡述了智能天線的基本概念、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用前景。