智能天线技术与应用的综述.doc

智能天线技术与应用的综述摘要：在移动通信领域，形成了一个新的研究热点-智能天线（Smart Antennas），本文首先对智能天线做一定的概述，论述智能天线的结构，主要探究智能天线在移动通信系统和智能天线技术在军事上的应用。1 智能天线技术的概述1.1发展历程 智能天线起源于军事上雷达和声纳系统中所采用的自适应天线。最初研究对象是雷达天线阵, 目的是提高雷达的系统性能和电子对抗的能力。近年来,随着微机和数字信号处理技术的发展, DSP芯片的处理能力日益提高, 价格也逐渐能够为科研和生产所接受, 这在一定程度上促进了自适应天线的快速发展。 20世纪50年代, 美国出于增强卫星通信信号的需要, 开始研究最初意义上的自适应天线。早期自适应天线研究主要局限于雷达系统, 其波束形成网络由微波器件完成。自适应天线阵列的概念自1959 年提出以来, 其发展大体可划分为四个阶段, IEEE天线传播杂志(T-AP)对这四个阶段作了总结, 20世纪60年代主波束自适应控制发展阶段, 如自适应波束操纵天线等;70年代, 零向自适应控制发展阶段, 如自适应滤波、自适应调零、自适应旁瓣对消、自适应杂波控制等;80年代,空间信号来向估计的空间谱估计发展阶段, 如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估算等; 从上世纪90 年代以后, 即进入第四阶段, 主要是进行实用性研究, 并派生出了一些新名词和概念, 如数字波束形成天线、智能天线, 它们有着相同的技术内容, 只是侧重点不同而已, 从发展过程来看, 它们一脉相承。智能天线的基本思想是: 天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户, 接收模式下, 来自窄波束之外的信号被抑制; 发射模式下, 能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。智能天线与传统天线概念有本质的区别,其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。1.2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。2 智能天线的结构2.1典型阵列均匀线阵（如图1a）；随机分步线阵（如图1b）；十字阵（如图1c）；图1 三种典型阵列2.2结构原理图图2 结构原理图2.3系统组成天线阵列：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；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。3 智能天线在移动通信中的应用近年来，随着微电子技术的高速发展，智能天线技术已成功应用于移动通信系统，并通过对无线数字信号的高速时 空处理，极大地改善了频谱的使用效率。今后几年我国将进入3G高速建设发展期，智能天线技术将会迎来广阔的发展空间。3.1智能天线的主要作用智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善比特差错率性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命以及维护和运营成本较低等等。简单归纳起来智能天线的主要作用在以下两方面。改善系统性能，提高通信质量。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，WCDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。我国TDSCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TDSCDMA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。该系统具有准确的定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。3.2智能天线在3G中的应用美国、日本和欧洲等国非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经开展了大量的理论分析和研究。中国的TD-SCDMA是3G中比较明确使用智能天线的方案。 3G系统采用智能天线技术可提高其容量及系统服务质量，WCDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。由我国大唐电信提出并拥有较多的基本专利的TDSCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TDSCDMA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。TDSCDMA系统采用了智能天线、联合检测等一系列关键技术。智能天线用于波束的赋形，从而在基站和用户之间建立起一条能量相对集中的无线链路，大大降低系统干扰，提高系统容量。联合检测充分利用所有用户的扩频码、幅度、相位等信息，能同时消除多址干扰（MAI）和码间干扰（ISI）。智能天线和联合检测虽然都能抑制系统干扰，但各有侧重，智能天线在抑制区间干扰方面的能力要远远高于联合检测，而联合检测在抑制区内干扰方面的能力优于智能天线，两者需要配合使用。智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大的作用，但智能天线应用于CDMA系统时，也同时带来了相应的新问题，如：智能天线的校准、智能天线和其他抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、设备复杂性的考虑、共享下行信道及不连续发射、帧结构及有关物理层技术等。我们在推动标准演进和产品设计上都需要考虑和不断解决这些问题。4 智能天线技术在军事上的应用4.1 智能天线在合成孔径雷达(SAR) 中的应用 智能天线在雷达中的应用体现在以下几点: 提高雷达探测威力, 对多个机动目标的跟踪能力, 提高雷达抗干扰能力。智能天线在提高雷达抗干扰方面主要体现在高性能自适应抗干扰、电子对抗能力强以及隐蔽性好。 采用智能天线技术的雷达系统有聚焦相控阵雷达( FOPAIR)和相控阵通用SAR ( PHARUS ) 等。OUADRANT 工程公司研制的FOPAIR, 频率为10GHz,是128 元连续采样的线性阵列, 采用数字波束形成技术产生96 波束对海洋表面进行观察。同时在高图像对比度区域采用自适应算法抵消干扰信号,提高天线方向图特性。TNO公司研制的PHARUS,是频率为5.3GHz的偏振有源相控阵SAR, 可在聚束模式下工作, 提供零干扰和多目标跟踪。 智能天线的应用越来越广, 与SAR 系统相关的应用如下。 聚束SAR。与扇形波束扫描方式不同, 笔形波束对准地面的某特定区域, 以提高分辨力。非对地静止通信卫星在飞行过程中对某一区域提供覆盖时情况也是如此。 补偿非理想运动的SAR天线平台。与采用方向系统的慢速机械补偿不同, 快速电子补偿可以把SAR天线固定在小型飞机上, 以降低运行成本,供恶劣条件下使用。 补偿SAR阵列失真。为了减少重量, 在飞行过程通过测量形状以及主动失真补偿, 可以放宽对平面的要求。双向波束形成。收发采用不同的天线方向图, 可以通过用全功率统一激发发射来提高SNR。4.2 智能天线在军用Ad Hoc 网络中的应用 Ad Hoc(自组织)技术起源于20世纪70年代的美国军事领域, 它是在美国国防部DARPA 资助研究的战场环境中的无线分组数据网(PRNET)项目中产生的一种新型的网络构建技术。Ad Hoc 网络一般用在自然条件恶劣而无法架线的场合, 如军事领域中的作战指挥、战场上的信息中继等; 民用领域中的抢险救灾、应付突发事件, 以及偏远地区的临时通信等; 也可用于移动会议和办公室等商务领域。 以前研究无线Ad Hoc网络时通常假定所有节点使用的都是全向天线, 即360等幅辐射。当两个装有全向天线的节点利用一个特定的信道进行通信时, MAC 协议要求邻近的( 即所能辐射到的) 所有节点都处于安静状态( 即不收发数据) 。但如果引入智能天线, 彼此相邻的两对节点就可能同时进行通信,这样可以增加无线信道的空间复用率。如果用一个带有智能天线的节点进行分组发送, 它会减少对邻近节点的干扰; 同样的道理, 用一个带有智能天线的节点进行分组接收, 它能够抑制来自非信源方向的干扰信号。如果智能天线和全向天线的发射功率是相等的, 通过波束形成, 智能天线的高增益使得波束的辐射距离比全向天线远得多, 这就意味着同样的两个节点之间传递消息, 使用智能天线的系统所需要的跳数要少得多, 这样既节省了时间又节约了资源。如果假定智能天线的辐射距离和全向天线相等, 则智能天线所需要的功耗要小得多, 可以节约能量, 对于依靠电池供电的Ad Hoc 网络中的节点来说, 具有很强的实用性。5 小结智能天线是第三代移动通信(3G)不可缺少的空域信号处理技术。归纳起来,智能天线具有以下几个突出的优点:1.具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并自适应实时地跟踪信号。同时还能把零响应点对准干扰信号。2.提高输入信号的信噪比。显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也就是获得阵列增益。3.能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗多径衰落和同波道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。提高了接收机的载干比。4.增强系统抗频率选择性衰落的能力。因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。5.智能天线能自适应调节天线增益,较好地解决远近效应问题,为移动台的进一步简化提供了条件。越区切换是根据基台接收的移动台功率电平来判断的,而阴影效应和多径衰落常导致错误的跨区转接,增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。在相邻小区应用智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。 智能天线虽然从理论上讲可以达到最优, 但要实现理想的智能天线, 还有许多问题有待解决。但智能天线的诱人的应用前景在于,以较低的设备复杂性来获取系统容量和抗多径衰落能力的提高。同时,寻找实时高效的快速算法并用DSP或ASIC加以固化是智能天线技术得到广泛应用的前提