智能天线(兰州交通大学学生设计课件)

1、总策划：徐国龙主讲：搜集资料：曾涛涛，胡秉天，陈星PPT制作：汤兴恒，赵铎，厚鹏飞后期修改：刘清，李永强，王雪萍智能天线又称自适应天线阵列、可智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列、多天线。变天线阵列、多天线。 智能天线指的是带有可以判定信号的智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息（比如传播方向）和空间信息（比如传播方向）和跟踪跟踪、定位、定位信号源的信号源的智能算法智能算法，并且可以根据此信息，并且可以根据此信息，进行空域进行空域滤波滤波的天线阵列。的天线阵列。 智能天线是一种安装在智能天线是一种安装在基站基站现场的双现场的双向天线，通过一组带有可向天线，通过一组带有可编程编程电子相位关

2、电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。特性。早期研究早期研究早期智能天线的研究主要集中在军事领域，早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是尤其是雷达雷达领域，目的是在复杂的领域，目的是在复杂的电磁电磁环环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开本、欧洲和美国的许

3、多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。为智能天线的迅速发展奠定了基础。 由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有很高的要求。这决定了智能天线的发展是一完成运算的硬件设备都有很高的要求。这决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程，目前通常将这种过程分为以下三个阶个分阶段的、逐步完善的过程，目前通常

4、将这种过程分为以下三个阶段：段：在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能

5、天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。智能天线由三部分组成：采用天线阵列，根据信号的空间特性，能采用天线阵列，根据信号的空间特性，能够自适应调整加权值，以调整其方向圆图，够自适应调整加权值，以调整其方向圆图，形成多个自适应波束，达到抑制干扰、提形成多个自适应波束，达到抑制干扰、提取信号目的的天线。取信号目的的天线。波束成形网络是天线技术与数字信号处理波束成形网络是天线技术与数字信号处理技术结合的网络，目的用于定向信号传输技术结合的网络，目的用于定向信号传输或接收。或接收。 波束成形，并非新名词，其实它

6、波束成形，并非新名词，其实它是一项经典的传统天线技术。是一项经典的传统天线技术。智能天线技术前身是一种波束成形（Beamforming）技术。 波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻当前位置发送方和接收方之间的信道信息，调整信号发送的参数，使得射频能量向接收方所处位置集中，从而使得接收方接收到的信号质量较好，最终能保持较高的吞吐量。 智能算法决定瞬时响应速率和智能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选择较好算法实现波束的智能控制。控制。 通过算法自动调整加权值得到通过算法自动调整加权值得到所需空间和频率滤波器的作用。

7、已提所需空间和频率滤波器的作用。已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。法和盲算法两大类。 非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时，接收端知道发送的是什么，信道）的算法，此时，接收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则（比如最优的迫零准则则（比如最优的迫零准则zero forcing）确定各）确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相

8、关，权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有常用的相关准则有SE（最小均方误差）、（最小均方误差）、LS（最小均方）和（最小均方）和LS（最小二乘）等。（最小二乘）等。 智能天线是一种智能天线是一种多天线技术，它采用多天线技术，它采用天天线阵列线阵列形成可控的波束，形成可控的波束，指向并随时跟踪用户。指向并随时跟踪用户。 它具有增加通信它具有增加通信容量和速率、减少电磁容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站干扰、减少手机和基站发射功率，并具有定位发射功率，并具有定位功能的优点。功能的优点。 智能天线是移动智能天线是移动通信领域中的一个研究通信领域中的一个研究热点，是解决频率

9、资源热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和还可以提高系统容量和通信质量。通信质量。 智能天线是一个智能天线是一个具有良好应用前景且尚具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技系统中不可缺的关键技术之一。术之一。 （1）提高频谱利用率）提高频谱利用率（2）迅速解决稠密市）迅速解决稠密市区容量瓶颈区容量瓶颈（3）抑制干扰信号）抑制干扰信号（4）抗衰落）抗衰落（5）实现移动台定位）实现移动台定位（6）最初的智能天线技）最初的智能天线技术主要用于雷达、声呐、术主要用于雷达、声呐、军事

10、抗干扰通信，用来完军事抗干扰通信，用来完成成空间滤波空间滤波和定位等和定位等（7）TDMA系统采用智系统采用智能天线技术可提高能天线技术可提高C/I指指标标 （8）在第三代移动通信）在第三代移动通信系统中，中国系统中，中国TD-SCDMA系统是应用智能系统是应用智能天线技术的典型范例天线技术的典型范例1.收发信号强度全面提升，并且当收发信号强度全面提升，并且当AP或或STA的位置、角度、方向改变时，仍能的位置、角度、方向改变时，仍能保持最佳覆盖效果；保持最佳覆盖效果；2.衰落和多径效应的优化改善，提升终衰落和多径效应的优化改善，提升终端用户在非视距环境下的信号获取能力，端用户在非视距环境下的信

11、号获取能力，看不见也能传；看不见也能传； 优化噪声影响，抵抗局部干扰源，保证优化噪声影响，抵抗局部干扰源，保证终端用户最小工作带宽，降低断线几率；终端用户最小工作带宽，降低断线几率；3.降低因遮挡或距离增加引起的信号质降低因遮挡或距离增加引起的信号质量下降幅度，保证量下降幅度，保证STA有一定的带宽工有一定的带宽工作，使得性能不会大幅衰落；作，使得性能不会大幅衰落；4.同步的上下行链路增益，提升单同步的上下行链路增益，提升单AP和和整网容量，再挤也不怕。整网容量，再挤也不怕。经过实验证经过实验证明，通过智明，通过智能天线技术，能天线技术，WiFi网络网络将获得以下将获得以下优势优势：智能天线技术在智能天线技术在TD-SCDMA系统中的成功应系统中的成功应用，成为第三代移动通信用，成为第三代移动通信TDD模式的一大亮模式的一大亮点。但是，常规的智能天线因为没有利用多径点。但是，常规的智能天线因为没有利