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关于智能天线的提出、工作原理和分类以及TD-SCDMA在智能天线中的技术优势详解 [复制链接]

智能天线技术是TD-SCDMA(时分同步码分多址)中的关键技术之一。文中主要介绍了智能天线的提出、工作原理及分类,并分析了智能天线在TD-SCDMA中的技术优势。

TD-SCDMA(Time DivisiON Synchronous CodeDivision Multiple Access ),即时分同步的码分多址技术,已正式成为国际电信联盟(ITU)第三代移动通信标准IMT2000 建议的一个组成部分,我国具有自主知识产权的TD-SCDMA、欧洲WCDMA 和美国CDMA2000成为3G 时代最主流的技术。TD-SCDMA集码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)等技术优势于一体,采用智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术,具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强等优点的移动通信技术。

近年来随着全球移动通信业务的迅速发展,对信号传输强度、覆盖范围及传输容量要求也越来越高,如何更高效率地利用无线频谱受到了广泛的关注。智能天线技术研究了无限资源的空域可分特性,是进一步提高系统容量的有效途径。

1 智能天线的提出

智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的,是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。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。它利用信号传输的空间特性,从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号,从而控制天线阵的方向图,达到增强所需信号抑制干扰信号的目的;同时它还能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化,自动调整天线阵的方向图,实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的,达到最佳收发信号,实现动态“空间滤波”的效果。与无方向性天线相比较,其上、下行链路的增益大大提高,降低了发射功率电平,提高了信噪比,有效地克服了信道传输衰落的影响。同时,由于天线波瓣直接指向用户,减小了与本小区内其他用户之间,以及与相邻小区用户之间的干扰,而且也减少了移动通信信道的多径。CDMA系统是一个功率受限系统,智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的,从而显着扩大了系统容量,提高了频谱利用率。最早的智能天线是出现在20 世纪50 年代的旁瓣对消天线,这种天线包含一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。将几个这样的环路组合成阵列天线,就构成自适应天线。随着阵列信号处理技术的发展,与智能天线有关的术语也越来越多,如智能天线(intelligent antenna )、相控阵(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空间处理(spatial processing)、数字波束形成(DIGItal beam forming)、自适应天线系统(adaptive antenna sySTem)等,反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。

2 智能天线的原理

TD-SCDMA智能天线的工作原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励,利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图,通过自适应算法,控制天线波束的方向和形状,将高增益的窄波束对准服务用户方向,零陷对准干扰方向,实现波束赋形,达到定向发射和接收的目的。

自适应算法是智能天线的核心,它分为非盲目算法和盲目算法。非盲算法是指需要借助参考信号(导频序列或导频信道)的算法,此时收端知道发送的是什么,按一定准则确定或逐渐调整权值,使智能天线输出与已知输入最大相关,常用的相关准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)、LS(最小二乘)等。盲算法无需发端传送已知的导频信号,它一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征,如恒模、子空间、有限符号集,循环平稳等,并调整权值以使输出满足这种特性。非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但需浪费一定的系统资源。将二者结合产生一种半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整,这样做可综合二者的优点,同时也与实际的通信系统相一致。

3 智能天线的分类

智能天线分为两大类:多波束天线与自适应天线阵列。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,波束宽度也随天线元数目而确定。多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。自适应天线阵列一般采用4 ~16 天线阵元结构,阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送。

按实现形式智能天线可分为3 类。

(1)自适应调零智能天线

它是以自适应天线技术为基础,采用自适应算法形成方向图,根据天线的输入、输出特性,按一定的算法自动地调节天线阵元的幅度和相位加权,在干扰方向上形成零陷,从而大幅度降低干扰电平,提高系统的信噪比。从空间响应看,其自适应天线阵列是一个空间滤波器,天线的物理位置不作改变,由信号检测与处理系统判断出干扰与信号的来向,自适应地改变天线的方向图,并将零陷方向对准干扰,主瓣对准要接收的信号。但自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。

(2)等旁瓣针状波束智能天线

它也是以自适应天线技术为基础,它的天线方向图是等旁瓣方向图,方向图的加权值是预先计算好的。

系统工作时,首先通过测向确定信号的到达方向(DOA),选取合适的加权,然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向。这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰,可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制,但对处于主瓣区域内的干扰,采用此类智能天线将无法抑制,不及自适应智能天线。但等旁瓣智能天线无需迭代,而且响应速度快。

(3)数字波束形成智能天线

它运用数字波束形成(DBF)技术,将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。工作时利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号,当基准信号到达波束形成自适应天线阵时,便给信号处理器提供一个方向信息,将各阵元的接收信号转换到基带,由A/D 转换器转换成数字信号,然后根据方向信息对数字信号进行加权处理,在此方向上形成所需的波束。

4 智能天线的技术优势

TD-SCDMA智能天线通过利用多径可以改善链路的质量,通过减小相互干扰来增加系统的容量,并且允许不同的天线发射不同的数据。智能天线的优点归纳如下:

(1)增加系统容量。CDMA 系统是一个自干扰系统,其容量的限制主要来自本系统的干扰,系统干扰的降低,信干比的提高便意味着系统容量的提高。采用多波束板状天线的智能天线技术,提高了天线增益及载干比(C/I )指标,减少了同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率,无需增加新基站即可改善系统覆盖质量、扩大系统容量。在TD-SCDMA 系统中,采用智能天线技术可在不影响通话质量情况下,解决稠密市区容量难题。

(2)降低信号衰落。信号的衰落是高频无线通信的主要问题。在陆地移动通信中,随着移动台的移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常匀速且不规则,从而造成信号的衰落。采用智能天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,有效地降低了信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同。利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集,降低信号衰落。

(3)抑制干扰信号。将智能天线用于CDMA 基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰技术的实质是空间域滤波,以TDD 模式运行的TD-SCDMA中的智能天线波束具有方向性,可以区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,自适应电波传播环境的变化。优化无线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,从而大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。

(4)实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域,从而实现移动台的精确定位;此外,在使用普通天线的无线基站中,发射信号采用的是高功率放大器,使用了智能天线,波束赋型的增益可以减小对功放的要求,大大降低了基站的发射功率,同时也减少了电磁环境污染。

总之,通过智能天线可以减少干扰和被干扰的机会、扩充系统容量、加大覆盖范围、提高频谱利用率、降低无线基站的成本,显着提高移动通信系统的性能,并为拓展新业务提供技术支持。随着数字信号处理技术的不断发展和集成度的不断提高,智能天线技术将更广泛地应用于移动通信领域。

 

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