通信網(wǎng)banner.jpg)
相關(guān)專題：
【摘要】本文簡述了智能天線的工作原理以及智能天線的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：天線陣列波達(dá)方向的估計(jì)，當(dāng)信號進(jìn)入天線陣列時(shí)波束形成的方法。簡要介紹了智能天線的優(yōu)點(diǎn)，并由仿真結(jié)果展示了智能天線的應(yīng)用。
1 概述
無線通信技術(shù)在不斷發(fā)展。有限的無線頻率資源面臨著不斷增長的通信需求，智能天線可以在某種程度上緩解這一矛盾。智能天線系統(tǒng)能夠利用多個(gè)天線陣元的組合進(jìn)行信號處理，自動(dòng)調(diào)整發(fā)射或接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境而達(dá)到最佳性能。
智能天線(smart antenna)和碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)通信系統(tǒng)是無線通信發(fā)展比較快的兩大新興領(lǐng)域。碼分多址(CDMA)使多個(gè)無線用戶在同一時(shí)刻可以共享同一頻帶，這項(xiàng)技術(shù)充分有效地利用了有限的頻譜資源，智能天線和碼分多址(CDMA)技術(shù)，在未來無線通信領(lǐng)域?qū)缪葜匾慕巧⒁鹨粓龈锩?br>
2 智能天線技術(shù)
全向天線不僅是增益不高，而且對各種信號不加區(qū)別的接收，使得通信質(zhì)量大為降低。定點(diǎn)無線通信采用定向天線，大幅度的改善了通信質(zhì)量。面對眾多移動(dòng)用戶的公眾通信網(wǎng)基站和專用移動(dòng)通信網(wǎng)，采用天線指向（即波束）可變的天線（智能天線），可以使移動(dòng)通信的通信質(zhì)量得到很大的改善。
智能天線的基本工作原理是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。如圖1和圖2所示：
圖1 等距離五陣元直線陣 圖2 等距離八陣元圓線陣 圖3 七單元直線陣的wi變化圖
由于遠(yuǎn)方傳來的電磁波（可視為平面波），到達(dá)各個(gè)陣元時(shí)所走的距離不同，從而帶來不同的相位差
。這里θ是入射波方向與陣元和參考點(diǎn)連線（長△di角。λ是波長。在各個(gè)陣元上形成了與參考點(diǎn)具有不同相位差的信號。在天線陣列的輸出信號y所有陣元輸出信號xi疊加。 
將入射到天線的電磁波的入射角為變量，天線陣列的輸出端量為函數(shù)作成圖就是天線的方向圖。為了能夠調(diào)節(jié)天線的方向圖以滿足工作的需要，通常是在每個(gè)陣元的輸出端加上一個(gè)權(quán)因子控制器wi（它的位置請參看圖6）。用它改變每個(gè)陣元輸出信號的幅度和相位，以實(shí)現(xiàn)改變天線陣的方向圖。這時(shí)天線陣列的輸出信號y為：
。圖3表示了七單元直線陣的wi變化圖，七個(gè)wi同時(shí)變化的結(jié)果，使得天線陣輸出的方向圖（圖7）的主波瓣指向從380到1420變化。按照對權(quán)因子控制器wi控制方式的不同，智能天線可分為切換波束系統(tǒng)和自適應(yīng)天線系統(tǒng)。切換波束系統(tǒng)（Switched Beam Systems）是由天線陣列形成一系列固定的波束，由接收機(jī)選擇最能改善信號和抑制干擾的波束進(jìn)行接收。由于其技術(shù)復(fù)雜程度較低，容易實(shí)現(xiàn)。但是，切換波束系統(tǒng)也存在一些局限：1）對于那些波達(dá)方向與期望接收分量方向十分接近的多徑分量，系統(tǒng)無法保證期望分量免受其干擾。2）一般無法充分利用多徑分集合并相干多徑分量。圖4是切換波束系統(tǒng)的框圖。圖5是七單元直線陣經(jīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)后形成的九個(gè)波束�？梢怨┙邮諜C(jī)選擇切換使用。
圖4 切換波束系統(tǒng)框圖 圖5 七單元直線陣形成的九個(gè)波束
自適應(yīng)天線系統(tǒng)（Adaptive Antenna Systems）是能夠針對噪聲、干擾和多徑（Multipath,在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條無線路徑）而動(dòng)態(tài)改變天線方向圖的一個(gè)陣列，它能夠?qū)崟r(shí)改變方向圖以跟蹤用戶。復(fù)雜的自適應(yīng)天線系統(tǒng)應(yīng)具備能夠區(qū)分期望信號和非期望信號的能力。其工作原理是：自適應(yīng)天線系統(tǒng)中的微處理器將解調(diào)出來的信號作為基準(zhǔn)信號，將它與天線陣列的輸出相減，得出誤差信號，反饋控制網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差信號的大小決定對各個(gè)天線陣元輸出信號加權(quán)量wi的動(dòng)態(tài)控制。方法之一就是，使用迭代的方法，以平方平均誤差最小為目標(biāo)，逐次更新w的取值，逐漸達(dá)到最佳，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的波束形成。在特定方向具有盡量高的增益及干擾源方向有盡量低的增益。圖6是自適應(yīng)天線原理框圖，圖7是單信號以 =60度角入射天線陣時(shí)，七單元直線陣自適應(yīng)調(diào)整后形成的方向圖。
圖6 自適應(yīng)天線原理眶圖 圖7 單信號入射時(shí)形成的方向圖
波達(dá)方向DOA （Direction Of Arrival）的估計(jì)是智能天線工作的基礎(chǔ)，是陣列信號處理的重要應(yīng)用之一。當(dāng)有多個(gè)電磁波從不同方向到達(dá)天線陣時(shí)，每個(gè)陣元上都有多個(gè)電磁波產(chǎn)生的信號，這些信號因?yàn)槿肷浞较虿煌�，在各個(gè)陣元上有不同的相位延遲分布。即在陣列的輸出端是每個(gè)陣元所接收到的多個(gè)信號的總疊加。以此為根據(jù)經(jīng)過矩陣運(yùn)算，得出相應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)圖。圖8是在八個(gè)陣元的等距離圓線陣上進(jìn)行五個(gè)信號（分別從300；900；1800；2400及2700方向來的信號）的波達(dá)方向估計(jì)的仿真（MUSIC法）試驗(yàn)結(jié)果。
圖8 五信號的波達(dá)方向估計(jì) 圖9 五信號波束形成
獲得波達(dá)方向的估計(jì)以后，波束形成是智能天線工作的重要內(nèi)容。波束形成的任務(wù)是希望在接收信號到來的方向形成盡量高的增益；最大限度的抑制干擾信號。如：當(dāng)有多個(gè)（N個(gè)）信號輸入時(shí)，其中有2個(gè)信號是我們關(guān)心的，則在該方向應(yīng)形成盡量高的增益，而在其他的N-2個(gè)信號方向要進(jìn)行抑制。如圖9所示（是五個(gè)不同方向的信號到達(dá)八陣元等距圓陣的仿真結(jié)果），在900和2400方向形成了盡量高的增益，在300、1809、2700方向信號增益為0，形成尖銳的零陷。
對于發(fā)射天線的波束形成，一方面依靠接收信號的方向信息，另一方面考慮到收發(fā)頻率的不同為方向估計(jì)帶來的誤差。
3 智能天線的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用
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：
在通信網(wǎng)中通信覆蓋距離取決于發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸損耗、天線增益。在基站，手機(jī)發(fā)射功率和接收靈敏度不變的情況下，通過提高基站天線在通信方向的增益，增加通信覆蓋距離。在建網(wǎng)初期，小區(qū)內(nèi)用戶不多，使用智能天線能擴(kuò)展通信距離，擴(kuò)大小區(qū)半徑，減少基站的數(shù)目，也減少了無線系統(tǒng)安裝初期的建設(shè)費(fèi)用。隨著用戶的增加，進(jìn)行小區(qū)分裂減少基站的覆蓋范圍后，因?yàn)橹悄芴炀�的應(yīng)用可以提高載干比，降低用戶的發(fā)射功率，降低系統(tǒng)的干擾。另一方面，由于降低干擾可以更加頻繁的重復(fù)使用頻率，又可以提高系統(tǒng)的容量。
無線信道中的多徑，能導(dǎo)致衰落和時(shí)間擴(kuò)散，智能天線可以分離來自不同方向的多徑信號，通過RAKE接收技術(shù)提取有用信號，然后將其疊加，不但減輕了多徑的影響，甚至可以利用多徑所固有的分集效應(yīng)改善鏈路的質(zhì)量。
CDMA系統(tǒng)有嚴(yán)格的功率控制要求，對用戶的地面分布特別敏感。智能天線能夠分離不同的上行信號，以降低對功率控制的要求，并且能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整方向，從而緩解用戶地理分布不均的矛盾。
天線陣列的信號處理是智能天線的基礎(chǔ)也是作為信號處理的一個(gè)重要分支，在通信、雷達(dá)、電子對抗、地震勘探、射電天文等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。它包括：
信源定位——確定陣列到信源的仰角和方位角，甚至距離(若信源位于近場)；
信源分離——確定各個(gè)信源發(fā)射的信號波形。各個(gè)信源可從不同方向到達(dá)陣列， 即使它們在時(shí)域和頻域是疊加的；
信道估計(jì)：確定信源與陣列之間的傳輸信道的參數(shù)(多徑參數(shù))。
近年來，無線本地環(huán)路WLL (Wireless Local Loop)的蓬勃發(fā)展使人們對智能天線刮目相看，它的無線基礎(chǔ)設(shè)施安裝方便、價(jià)格低廉。WLL系統(tǒng)是為固定用戶服務(wù)而不是為移動(dòng)用 戶服務(wù)的，它的目的是為居民和商業(yè)用戶提供有線質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用CDMA 和智能天線技術(shù)的新興的WLL系統(tǒng)可以提高覆蓋距離，增加可靠性和增大容量。智能天線使CDMA系統(tǒng)更有效的利用無線頻譜，為業(yè)務(wù)密集的區(qū)域及無線寬帶接入提供了高度的靈活性。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一：中國的TD—SCDMA初步實(shí)現(xiàn)了環(huán)形8陣元自適應(yīng)天線。
智能天線是一門年輕的學(xué)科，也是一項(xiàng)新興的產(chǎn)業(yè)，它的發(fā)展將會(huì)極大的推動(dòng)通信事業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
【1】 Joseph C.Liberti, Theodore S.Rappaport. Smart Antennas for Wireless Communications. IS-95 and Third Generation CDMA Applications. Prentice Hall,1999
【2】 張賢達(dá), 保錚. 通信信號處理. 北京：國防工業(yè)出版社, 2000
【3】 查光明, 熊賢祚. 擴(kuò)頻通信. 西安：西安電子科大出版社, 1999
----《移動(dòng)通信在線》
