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智能天線技術(shù)在3G中的實際應(yīng)用實例！

想了解一下“智能天線技術(shù)”在3G中的實際應(yīng)用，那些常見的比如它的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢等就不用了。就從網(wǎng)優(yōu)的角度來說一下，比如實際應(yīng)用在3G中的哪個網(wǎng)絡(luò)比較多，比較好。實際中智能天線技術(shù)應(yīng)用到天線的哪個模塊，實際中真的起到了哪些作用？遇到過關(guān)于“智能天線技術(shù)”這方面的朋友幫幫忙咯？新手剛到，謝謝各位賞臉！

提問者: lhg13145200904 提問時間: 2012-04-22

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問題答案 ( 1 )

智能天線

隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這個問題。

基本介紹　　智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)．波未形成算法三部分組成。它通過滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位。從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀。達(dá)到增強(qiáng)所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)能夠在較大程度上抑制多用戶干擾提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個天線均需一個Rake接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。

　　起源發(fā)展

　　智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。

　　近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)

智能天線陣

在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。

　　智能天線相當(dāng)于空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)的性能：

　�。�1）擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；

　�。�2）增加系統(tǒng)容量；

　�。�3）提高頻譜利用效率；

　　（4）降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。

工作原理

　　天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對于全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個元素的加權(quán)參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實時地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應(yīng)的方向圖的設(shè)備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的主瓣對準(zhǔn)有用信號，而在

智能天線原理圖(單個用戶)

其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。

　　智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關(guān)于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構(gòu)成天線陣列。構(gòu)成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，并且取向相同。智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成, 如圖所示。實際智能天線結(jié)構(gòu)比圖復(fù)雜, 因為圖中表示的是單個用戶情況, 假如在一個小區(qū)中有K個用戶, 則圖1中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用, 其余自適應(yīng)數(shù)字信號處理器與相應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)需要每個用戶一套, 共K套。以形成K個自適應(yīng)波束跟蹤K個用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶, 剩下的K- 1 個用戶均為干擾用戶。智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益, 在干擾源的方向降低增益.因此, 智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用可以帶來如下好處：提高系統(tǒng)容量、減小衰減、抗干擾能力較強(qiáng)、實現(xiàn)移動臺定位、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力等。

智能天線的用途

　　智能天線在移動通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統(tǒng)容量以及移動臺的定位。

（1）抗衰落

　　采用智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減少信號衰落的影響。智能天線還可以用于分集，減少衰落。

（2）抗干擾

　　高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能�？垢蓴_應(yīng)用實質(zhì)是空間域濾波。

（3）增加系統(tǒng)容量

　　為了滿足移動通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。

（4）實現(xiàn)移動臺定位

　　目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。

技術(shù)分類

　　智能天線是一個天線陣列，它由N個天線單元組成。每個天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：

自適應(yīng)方向圖智能天線

　　它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。另外，由于波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實時優(yōu)化上。

　　智能天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號干

軟件無線電實現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意圖

擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時建立了信號環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號處理的理論和方法、自動控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。

　　自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來，已有30多年。大體上可以分成三個發(fā)展階段：第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特征空間正交譜估計等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應(yīng)信號處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。

固定形狀方向圖智能天線

　　固定形狀方向圖智能天線在工作時，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。

　　近年來，一些研究小組針對個人移動通信環(huán)境的DOA檢測算法進(jìn)行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯嶒炑芯俊igler等人的實驗表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實驗中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4度。

　　在多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測量是目前理論和實驗研究的熱點。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進(jìn)行了分析，給出了對應(yīng)的模型。在美國的Boston地區(qū)，New Jersey的高速公路,德國的Munich地區(qū)等進(jìn)行了大量的測試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點之一。

采用軟件無線電實現(xiàn)智能天線

　　智能天線需根據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸特性和環(huán)境，選用不同的算法來調(diào)整波束，甚至改變系統(tǒng)的資源管理狀態(tài)，為提高其運用彈性和靈活度，采用軟件無線電（SDR）實現(xiàn)智能天線已成為主流趨勢。軟件無線電采用開放式架構(gòu)，以硬件作為其通用的基本平臺，通過軟件完成功能性的重組，以滿足不同環(huán)境、多模式、多功能的通信要求，同時具備可適應(yīng)性信號處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟件控制方式改變硬件特性的通信設(shè)備，均可視為軟件無線電系統(tǒng)。軟件無線電系統(tǒng)的發(fā)展方式類似于軟件開發(fā)，系統(tǒng)中各個硬件組件模塊可視為功能不同的對象（object），根據(jù)呼叫的不同啟動相應(yīng)的執(zhí)行程序，因此可直接通過下載程序代碼的方式來置換對象，即可顯現(xiàn)在同一硬件平臺上，可適應(yīng)性的調(diào)整應(yīng)用架構(gòu)，借以提高系統(tǒng)的運用彈性和擴(kuò)充能力，提供高效率、高彈性、高適應(yīng)性的處理能力。因為不對硬件組態(tài)進(jìn)行任何改變，所以系統(tǒng)具有易維護(hù)、易應(yīng)用的操作環(huán)境。

　　鑒于未來無線通信系統(tǒng)的體制繁多，為使智能天線能配合系統(tǒng)進(jìn)行平滑的技術(shù)演進(jìn)，進(jìn)而能更彈性地運用于多模系統(tǒng)中，軟件無線電將是未來智能天線研制的重要系統(tǒng)架構(gòu)。利用軟件無線電實現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意如圖所示。

　　軟件無線電系統(tǒng)由不同的硬件模塊所構(gòu)成，其中包括可組態(tài)通信系統(tǒng)模塊、基頻處理單元（含DSP及FPGA模塊）、數(shù)字寬頻收發(fā)單元（含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC））、實時操作系統(tǒng)及智能天線單元等。運用軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展智能天線的最大挑戰(zhàn)在于各種算法的建立。
技術(shù)應(yīng)用
　　在3G中的應(yīng)用

　　在WCDMA和CDMA2000 中的應(yīng)用。第3 代系統(tǒng)被設(shè)計為一個可以提供相當(dāng)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。但是, 它們還會像第2 代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)認(rèn)識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用, 并且在3G 標(biāo)準(zhǔn)中制訂了相關(guān)的條款。如WCDMA 和CDMA2000 都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導(dǎo)頻信道, 但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。

　　對于WCDMA 和CDMA2000 系統(tǒng)而言, 智能天線雖然是推薦配置, 但是當(dāng)今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。

　　在TD- SCDMA 系統(tǒng)中的應(yīng)用。TDSCDMA(時分同步的碼分多址) 智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性( 無線環(huán)境和傳輸條件相同) 而獲得的。此外, 智能天線可減少小區(qū)間干擾, 也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。 TD- SCDMA 系統(tǒng)的智能天線是由8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使用DSP( 數(shù)字信號處理器) 使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達(dá)到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。

　　由于每個用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP 控制用戶的方向測量使上述要求可以實現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達(dá)角進(jìn)行測量。在TD- SCDMA系統(tǒng)中, 由于無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200 次，每用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。

　　TDD(時分雙工) 模式的TD- SCDMA 的進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2 個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的, 使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低, 從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。
存在問題　　智能天線技術(shù)對無線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA 系統(tǒng)時，必須考慮所帶來的問題，并在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計上解決這些問題。

1. 全向波束和賦形波束

　　上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時( 空閑狀態(tài)) ，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射( 如系統(tǒng)中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道) 。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計時所必須考慮的。

2. 智能天線的校準(zhǔn)

　　在使用智能天線時，必須具有對智能天線進(jìn)行實時自動校準(zhǔn)的技術(shù)。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進(jìn)行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機(jī)不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實時自動校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。

3. 智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合

　　目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達(dá)到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測( joint detection) 、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實用的算法，而和Rake 接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。

4. 設(shè)備復(fù)雜性的考慮

　　顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增�，F(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復(fù)雜性已對微電子技術(shù)提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6～16 之間。

回答者： xhy1331 回答時間：2012-04-22 22:46

哥，你這些我在百度上都看到了！你看懂我問題的補充嗎？

lhg13145200904 2012-04-23 21:12

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