智能天线在移动通信中的应用
姓 名： 郑重阳 学 号： 1211010029
智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形
式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。
智能天线阵系统主要包括天线阵列、自适应处理器和波束形成网络。天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位,提供给各辐射单元,用来确定波束形成网络各部分
向图的增益。波束形成网络利用天线阵元产生的方向图,实现智能天线的各种应用。
(一)抗衰落 在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速,且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,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,减小信号衰落的影响。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。 (二)抗干扰
用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。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。
抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可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”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。
未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案,可在不影响通话质量情况下,将基站配置成全向连接,大幅度提高基站容量。
当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统,但部分省市模拟系统占用了CDMA频段,必须采用清频手段解决此问题。使用智能天线,可大大改善模拟系统小区复用方式,增加模拟系统容量,即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏,为CDMA系统留出频段。 (一)用于FDMA系统
据研究,与通常的三扇区基站相比,C /I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果;频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。 (二)用于TDMA系统
无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120°天线,C /I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。 转
(三)用于CDMA系统
在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。 (五)用于DECT、PHS等系统
DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功
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能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。 (六)用于第三代移动通信
采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用TDD方式,使上下射频信道完全对称,可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能,可实现接力切换,减少信道资源浪费。 欧洲在进行了基于DECT基站的智能天线技术研究后,继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件天线概念,即用户所处环境不同,影响系统性能的主要因素亦不同,可通过软件采用相应的算法。
美国的Metawave公司对用于FDMA、CD-MA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发;ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统;美国德州大学建立了智能天线试验环境;加拿大McMaster大学也对算法进行了研究。
当前对智能天线的研究包括智能天线的接收准则及自适应算法;宽带信号波束的高速波束成形处理;用于移动台的智能天线技术;智能天线实现中的硬件技术;智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。
传统的全向或者定向天线效果并不理想,主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知识,尽管可以在系统建成后,采取某些优化措施改进系统性能,但由于种种原因,这种优化的余地不大,而且工程量很大。
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