智能天线3教材

智能天线技术——小组成员：章伟张蕾沈博文胡吕亮杨婷婷段宝平目录一、智能天线概述二、智能天线的基本原理三、智能天线在移动通信中的应用四、智能天线在移动通信中的优点一、智能天线的概述定义：智能天线也叫自适应阵列天线,它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。智能天线实验平台实际生活中的智能天线智能天线技术通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。不同于传统的时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入了第四维多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。天线阵：

是一列取向相同、同极化、低增益的天线按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图天线阵的排列：

一般等距，主要有等距直线排列、等距圆周排列、等距平面排列智能天线的分类： 线阵、圆阵；全向阵、定向阵天线阵的介绍如图表示方框图中可以看出，有n个天线单元，每个天线单元有对应加权器，共有M组加权器，可以形成M个方向的波束，M表示用户数，其可以大于天线单元数，天线阵的尺寸和天线元的数目决定最大增益和最小波束宽度，意味在天线阵的尺寸和天线增益，及天线侧瓣性能两者之间要取得平衡。智能天线通过调节从每一个天线收到的信号的相位与幅度，结合使得形成所需要的波束，此过程称为波束形成。波束形成网络自适应算法

智能天线系统的核心是智能算法，智能算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。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。已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。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则（比如最优的迫零准则zeroforcing）确定各加权值，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关，常用的相关准则有SE（最小均方误差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法（DecisionFeedback）是一种较特殊的算法，接收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。智能天线的工作过程二、智能天线的基本原理智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。基站智能天线是一种有多个天线单元组成的阵列天线，通过调节各单元信号的加权幅度和相位，改变阵列的方向图，从而抑制干扰，提高信噪比，它可以自动测出用户方向，将波束指向用户，实现波束跟用户走。

智能天线技术分类

自适应方向图智能天线采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比,但是它的动态响应速度相对较慢。相反固定形状方向图智能天线的天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向，然后根据信号的到达方向选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。

根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：

自适应方向图智能天线和固定形状方向图智能天线三、智能天线技术在移动通信中的应用由于移动通信的高度灵活性和方便性，使其发展非常迅速，目前扩大系统容量已成为移动通信发展中的一个瓶颈，由于移动通信可使用的频率资源有限，因此开发和扩大空间资源与频率资源的组合以满足日益增长的用户需求已成为目前与今后的一个主要发展方向。智能天线在第三代和未来的移动通信中将主要用于基站，亦即基站的上行接收与下行发射中。智能天线的上行接收技术智能天线的上行接收目前主要有两类主要方式：基于预波束的波束切换方式，基于全自适应的窄波束跟踪用户方式。由于在移动通信中用户的随机移动性和传播信道的快速时变性，使得目前提出的一系列算法的收敛速度很难跟上快速运动的用户速度和快速的时变信道速度。因此从工程实现上看准最优的预多波束的波束切换方式更有实际应用价值。为了更有效地对抗时延扩展、进行多径合并和滤除干扰，有必要进行空时联合处理。在DS-CDMA系统中，常见的空时处理结构包括空时二维RAKE接收机，简称2DRAKE接收机。基于软件无线电CDMA基站上行智能天线接收原理智能天线的下行发射技术在下行的实现方案中，一种可行的方式是利用反馈回路构成闭合环路，即移动台利用反馈回路将下行信道状态信息不断反馈给基站，以提供下行信道状态，这一方案可行但实现复杂，增大系统开销。实现下行发送的另一种方案是直接利用上行信道信息估计下行信道状态，这一方案仅适合于时间双向、双工的TDD方式，因为对于TDD方式而言其上/下行占用同一频段，不同的仅是时隙不一样，只要上/下行时隙帧的长度较短(一般小于10ms)，这样方案显然是可行的。四、智能天线在移动通信中的优点(1)抗衰落(2)抗干扰(3)增加系统容量(4)实现移动台定位抗衰落在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的

多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及

延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。采

用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某

个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。如果采

用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向

性，使得延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。抗干扰用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比，用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。增加系统容量采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线，由于天线波束变窄，提高了天线增益及C／I指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开