智能天线技术及应用

第5卷第3期太原师范学院学报(自然科学版)2006年9月JOURNAL OF TAIYUAN NORMAL UNIVERSITY(Natural Science Edition)2006智能天线技术及应用林祥德赵俊梅王代华(中北大学,山西太原030051)〔摘要〕当前,3G技术业已成熟,商用在即,其中智能天线是第三代移动通信系純中的关键技术之一,文章简要地介绍了智能天线的基本原理和系统组成,同时分析了智能天线技术的优点和它在3G中的应用关镳词〕智能天线;3G;自适应算法;应用〔文章编号〕1672-2027(2006)03-0084-04〔中图分类号)TN929〔文献标识码〕A0前言当前,通信技术和产品已渗透到人们生活的每一个角落,特别是个人移动通信更是以不可阻挡的势头蓬勃发展,用户数量迅速增加频谱资源随之变得越来越紧张同时人们对个人通信服务的内容和质量要求也越来越高所以如何提高频谱利用率,如何消除多址干扰(MAI)、共信道干扰(CCI)和多径衰落的影响以提高通信质量,如何满足市场的需求已成为个人移动通信领域函待解决的问题智能天线( Smart Antenna)技术的引入使问题得到满意解决智能天线最初应用于雷达、声纳及军用通信领域.20世纪90年后,民用移动通信系统逐步开始采纳智能天线.数字信号处理(DSP)技术的迅速发展及计算机处理能力的不断提髙使得利用数字技术在基带形成天线波束变为现实,从而促使智能天线技术在无线通信中得以广泛应用1智能天线的原理Y收下下[控制部分智能天线技术是在微波技术、自动控制理论、自接收/下行转适应天线技术、数字信号处解调理技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展可而成的一门新技术,它的主差信号接收/下行转A、0要任务是研究如何获取和换利用接收信号中包含的空自适应天线阵列算法间方向信息,并通过阵列信波束成型网络号处理技术改善接收信号的质量,从而提高系统的性图1典型的智能天线接收系统示意图能口.一个典型智能天线接ig. 1 A typical sketch-map of smart antenna yeceiving system收系统(如图1所示)包括三部分:实现信号空间过采样的天线阵列;对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络;更新合并权值的控制部分21.1智能天线的天线阵列智能天线的天线阵列是由多个天线单元排列成一定形式后形成的各天线阵亓间距一般取半个波长,因为阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低,太小则会中国煤化工鑒按目前的水平,CNMHG收稿日期:2006-07-20作者简介:林祥德(1977)男江苏连云港人,中北大学在读硕士研究生,主要从事无线通信研究第3期林祥德等:智能天线技术及应用天线元的数量约在6~16之间智能天线通常形式有平面型圆环形、直线型直线型和平面型容易实现基站的定向覆盖,并且在基站选址的问题上也更加灵活,直线型和平面型天线阵列可以很容易安置于建筑物的侧面或杆状建筑物上;而圆环型天线阵列更适于安置于铁塔或楼房顶部,这样更方便提供全面覆盖,缺点是圆环型天线阵列的天线校准难度比直线型和平面型要大1.2智能天线的波束形成波束形成技术关系到智能天线能否实现波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带,然后进行相应的空间谱处理,获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和波达方向(DOA)估值.在此基础上,依据相应准则计算信号在各个天线阵元的加权矢量,生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户,目的是从期望信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号智能天线所形成的波束可实现空间滤波作用,它对在特定方向入射的信号具有高增益,而对在其他方向入射的信号具有衰减作用在接收模式下,抑制来自窄波束之外的信号;而在发射模式下,使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小,降低用户间的共信道干扰根据波束形成的不同可将实现智能天线的方式分为阵元空间处理方式和波束空间处理方式其中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,形成阵列输出,使阵列方向图主瓣对准用户信号DOA,各个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;另外波束空间处理方式分两级处理过程,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速率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,此方案仅对其中的部分阵元作自适应处理,属于部分自适应阵列处理.这种结构的特点是计算量小、收敛快,并且具有良好的波束赋形性能,是当前自适应阵列处理技术的发展方向1.3智能天线的自适应算法自适应信号处理是智能天线智能体现的一个重要方面它以自适应算法为核心,主要体现在算法控制器上.自适应算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度,因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制.日前针对自适应阵列天线所提出的各类自适应算法很多,按照是否需要利用系统的导频信息可以将算法分成三类:非盲算法、盲算法和半盲算法1.3.1非盲算法是指需要借助参考信号(导频序列或导频信道)来计算和更新加权适量的箅法.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最常用的相关准则是最小均方误差(MMSE),MMSE的代价函数为:J(v)=E[|u(t)-d(t)|2]式中d(t)为参考信号对上式求偏导,令式:()=0求解上式可得到MMSE准则下的最优解,即v=R-p上式中R=E[x(t)x"(t)],p=E[x(t)d*(t)]其他各种常用准则如最小均方(LMS)和最小二乘(LS)等均可看作是MMSE准则的某种变形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1.3.2盲算法无需发端传送已知的导频信号,他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,如恒模口、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,常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法1.3.3半盲算法将非盲算法与盲算法相结合,又提出了一种半盲算法,他权适量值再用盲算法进行跟踪调整用户和信道变化,这样做H中国煤化工法确定初始化加CNMHG太原师范学院学报(自然科学版)第5卷智能天线的优点智能天线可以显著改善无线通信系统的性能,并提高天线系统的灵活性口,具有诸多优点具体体现在下列方面:1)提高频谱利用率,扩大系统的覆盖区域,增加通信距离(如图2所示).在城市,采用智能天线技术,提高小区内频谱利用率,可以降低城区对基站数量的要求;在农村,智能天线的方向性可使无线覆盖范围增加倍,无线覆盖范围的增长可使在主要业务覆盖地区所需的基站数量降至通常情况的1/4左右可在不新建或少建基站的基础上增加系统容量2)增加系统容量,解决稠密市区容量瓶颈智能天线技术允许任一无线信道与任一波束配对,这样可以按需动态分配信道保证高业务密度地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量)抑制干扰信号.智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波它通过对各天线阵元的激励进行调整优化天线全向天线智能天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,抑制接收方向以外的信统可靠性降低了小区间和小区内的于扰同时减少电磁环?/◆能天扩大系统的覆盖区城示意图号,大大提高阵列的输出信噪比,改善了系统质量提高了系图2sketch-map of spreading area coveredby smart antenna system境污染.4)抗衰减信号衰减是高频无线通信面临的主要问题.采用智能天线控制接收方向,自适应地构成波束的方向性,可以使延迟波方向的增益最小,降低信号衰减的影响另外智能天线还可用于分集接受技术以减少信号衰减5)降低基站发射功率节省系统成本,延长移动台电池寿命3智能天线在3G中的应用智能天线技术是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术,是3G区别于2G系统的关键标志之我国即将投人商用的三种3G系统标准采用了多种新技术,其中智能天线技术是的这些新技术的重中之3.1在 WCDMA和CDMA2000中的应用WCDMA系统采用自适应天线阵列技术,极大地增加系统容量.在 WCDMA中,自适应阵列天线技术和多用户检测(MUD)成为 WCDMA下阶段最重要的技术,爱立信公司在其 WCDMA基站中就提供了自适应阵列智能天线由于CDMA系统采用的是自干扰的工作方式,基站信号的波形和划分不受频率再利用格式的限制,而是由本小区和相邻小区通话手机受干扰的积累来决定因此在基站的布放方式上应首先保证本小区的需要以及减少对相邻小区的干扰这就要求极化的信号波形要随移动台位置的变化而变化,最好的方法就是使基站能定向地产生比较狭长的波束,用以覆盖高密度用户的地区,并能追踪移动台的活动在这方面智能天线就成了这种灵活基站技术的核心,与时分多址(TDMA)系统相比,CDMA系统的反向链路不需要同步,因此智能天线更适合在CDMA系统中应用3.2智能天线在 TD-SCDMA中的应用TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典范 TD-SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的.同全方向天线相比,他可获得高增益,提高信号的载干比,降低发射功率等由于用户在小区内的位置是不同的,这就要求天线具有多向性,另一方面则要求在每一独立的方向上系统都可以跟踪多个用户.每用户的跟踪通过到达角进行测V凵中国煤化工线子帧的长度是5ms,至少每秒可测量200次通过智能天线的方向性和跟踪CNMHTD-SCDMA系统采用TDD方式使上下行射频信道完全对称,其高效率就是基于这种对称性而获得第3期林祥德等:智能天线技术及应用的.它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. TD-SCDMA中智能天线的应用可降低运营商投资并提高经济效益带有智能天线联合检测,具有对称、非对称业务和自适应无线资源分配能力的 TD-SCDMA技术的先进设计是迈向软件无线电的重要的一步4结束语智能天线技术带给第三代移动通信系统的优势是其他技术都难以取代的,智能天线技术不仅可以使用在TDD系统中,也完全可以使用到FDD系统中.因此争取具有先进智能天线技术、能提供多种全新业务的3G系统的牌照,是移动运营商寻求利润增长点、加强自身竞争力的必然.智能天线技术未来将向着数字化、集成化,适合宽带高速传输并能抑制更多个干扰的方向发展.目前,国际上已经将智能天线技术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向之一,未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术参考文献1]吴伟陵移动通信中的关键技术[M]北京:北京邮电大学出版社,200[2]吴伟,牛凯移动通信原理[M]北京:电子工业出版社,2005[3] Agee B. Blind separation and capture of communication signals using a multi-target constant modulus beamformer[M].IEEEMilcomm. boston, MA, Qct, 1989Smart Antenna Technology And applicationLin Xiangde Zhao Junmei Wang Daihua( North University of China, Taiyuan 030051, ChirCAbstract) At present, 3G has some ripe technologies and will enter a age of businessapplication. Smart antenna is one of the main key technologies of the third generation mobilecommunication system. This paper gives an introduction to the principle and system componentsof the smart antenna At the same time, some advantages of smart antenna and some applications(Key words) smart antenna 3G ;adaptive algorithm; application【责任编辑:张丽萍】(上接第83页)Experimental Research LCD Control CPLDWu JunhaoDepartment of the Physics and Electronic Engineering, Hanshan Teachers'Colllege, Chaozhou 521041, China)[Abstract] The purpose of this subject is to control the liquid crystal to show throughCPLD, Mainly including utilize Protel to design the systematic circuit, Visual c +t writes andcontrols interface bunches of communication that the liquid crystal show, Utilize VHDLlanguage to write and control the liquid crystal to show, This text has introduced the designprocess of the systematic circuit mainly, How to realize bunches of communication, Datatransmission between one-chip computer and CPLD, Recommended the module characteristicand CPLD of liquid crystal to realize the liquid crystal shows the course finally, Realize finallyhat shows through the serial configuration liquid crystal display of control points with the中国煤化工CKey words] CPLD; bunches of communication;CNMH Guter LiquidCrystal Display贾仕缃辑:王映苗】