址(SDMA)体制。
1.2智能天线的基本思想
天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户; 接收模式下,来自窄带波束以外地信号被抑制;
发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。
1.3空分多址的概念
与传统的频分多址(FDMA)、十分多址(TDMA)和码分多址不同,智能天线引入空分多址(SDMA),利用用户空间位置的不同来区分不同用户;
在相同时隙,相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号不同的传播路径来区分;
SDMA是一种信道增容方式,与其他多址方式完全兼容,从而可实现组合的多址方式,例如空时-码分多址(SD-CDMA);
智能天线与传统天线在概念上的区别,智能天线理论支撑是信号统计检测与估计理论,信号处理及最优控制理论,其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
1.4智能天线和自适应天线的区别
智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统,其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容量,进而提高频谱利用率,不仅涉及智能接收,还包括智能发射;
智能天线与自适应天线有着本质的区别,后者只能对功率方向图进行调整,而前者还可以独立的对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在于,
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它可以利用信号方向的不同,将不同信号分开,从而对传统信道空分复用,增加系统容量。
2 . 智能天线的形式
2.1根据工作方式的不同
根据工作方式不同可分为:欲多波束或切换波束系统(图一所示)和自适应阵列系统(图二所示)。
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。当用户在小区中移动时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及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。但是与自适应天线阵列相比,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。
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。自适应天线阵列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。
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图一 欲多波束或切换波束系统 图二 自适应阵列系统
2.2根据波束形成的不同
根据波束形成不同可分为:阵元空间处理方式和波束空间处理方式。 阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进行加权求和处理后,形成阵列输出,使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各种阵元均参与自适应加权调整,这种方式属于全自适应阵列处理。
波束空间处理方式包含两级处理过程,第一级对各阵元信号进行固定加权求和,形成多个指向不同方向的波束;第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出,此方案不是对全部阵元是从整天计算最优的加权系数作自适应处理,而是仅对其中的部分阵元作自适应处理,因此,属于部分自适应阵列处理;计算量小,收敛快,且具有良好的波束保形性能,是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
3.智能天线的结构
3.1典型阵列
均匀线阵(如图三a); 随机分步线阵(如图三b); 十字阵(如图三c); 圆阵; 面阵,等。
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图三 (从上至下a,b,c)几种典型阵列
3.2结构原理图
图四 结构原理图
3.3系统组成
3.3.1天线阵列
天线阵元数量与天线阵元的配置方式,对智能天线的性能有着重要的影响;
3.3.2模数转换
接收链路:模拟信号 → 数字信号 发射链路:数字信号 → 模拟信号
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3.3.3智能处理
天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化而自适应地进行调整,包括:
以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器,用来产生自适应的最优权值系数:
以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
4.智能天线的信号模型
?s?x,t??Aexp?j??t?kxx?kyy?kzz???????????Aexpj?t?x?k记??k/??????Aexp?j?t?x???????????????j?t?x??????s?t?x1?????Aexp??exp??j?x1????1???????????????st?x??Aexpj?t?x??exp?j?x???????????????222???s?t?????s?t??????????????????????s?t?x???exp??j?x????????j?t?x???M??M???Aexp???M?????s?t?a???在多用户情况下,K:系统中的用户数;M:天线阵元个数;则在频率选择性衰落情况下,接收到的第k个用户的信号矢量为:
(其中Lk表示第k个用户的多径数,表示第k个用户第l径的复信道增益)
则在平坦衰落情况下,接收到的第k个用户的信号矢量为:
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