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移动通信系统的智能天线技术的工作原理分析

出处:网络整理 发布于:2017-12-11 | 417 次阅读

  智能天线(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来,现代数字信号处理技术发展迅速,DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降,使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行,促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量,并增加了天线系统的灵活性,未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。

  智能天线提高系统性能的原理

  智能天线分为两大类:多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。

  现在,简要地介绍一下智能天线如何克服无线通信中的时延扩展和多径衰落来提高系统的性能和容量。设天线阵列的不同天线元对信号施以不同的权值,然后相加,产生一个输出信号。如果定义“天线增益”为在一定输出信噪比的情况下所需要输入信号功率的降低,“分集增益”为在有衰落的情况下给定误码率所需要输入信噪比的降低,那么一般来说,M元的天线阵列可以提供M倍的天线增益加上一个分集增益,具体提高的值决定于天线阵元间的相关性。

  首先我们考虑多波束天线。多波束天线是在一个扇区内放置多个天线来覆盖整个扇区,每个天线只覆盖一部分角度范围。扇区天线的另外一个优点就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向,这样在下行方向也可以获得M倍的天线增益。但扇区天线由于其自身的构成形式,有下面缺点:相邻天线之间重叠的部分由于天线增益比较小,会有2dB的降低;当由于多径或干扰而错误地锁定天线波束时,多波束天线能提供的增益很小。

  自适应天线阵列中,各天线元的放置形式可有多种,相邻天线元间距为一特定值。在接收信号到达天线阵时,每个阵元上的信号经过不同的加权,然后再叠加产生一个输出信号,加权系数和叠加可以根据不同的准则。需要注意的是,自适应天线的阵元必须具有相似的波束,而在多波束天线中则没有这样的要求。与多波束天线相似,一个M元自适应天线阵可以提供M倍的天线增益,但它没有波束之间部分重叠的缺点。M元自适应天线阵列可以完全抑制N(N〈M)个干扰用户,即使在N>M时也可以获得很大的增益。尽管自适应天线较多波束天线有更多优点,但自适应天线计算加权系数的速度必须与衰落速率相当才能跟踪用户(注意到3G中衰落速率将达到1000Hz)。然而,多波束天线波束之间的切换只要几秒钟一次即可。

  自适应天线阵列用在无线系统中一个关键问题是在视距(LOS)和非视距(NLOS)情况下的性能差异。在视距情况下,对接收到的信号进行加权、合并后产生一个天线图案,它的主波束方向就指向目标用户,而在其它方向上抑制干扰用户。此时,若天线阵元数大于到达的信号数,可以用信号处理中MUSIC、ESPRIT等现代谱估计算法来估计信号的到达角度,这样一个阵列至少可以在M-1个方向上形成方向图零点。在非视距情况下,无线信号的到达经由了多次反射和多个途径(两条不同路径之间的相对时延大的必须作为两条独立的路径)。自适应天线在多径环境的一个重要特点就是能够抑制干扰用户而不管其到达的方向,也就是说,即使干扰用户和所有用户只相距几英寸,自适应天线阵也能抑制干扰用户。这是由于在多径环境中天线周围的物体就是一个巨大的反射天线,使得接收天线阵列能够区分不同用户的信号。特别是若接收阵元间距足够大,阵列能够形成比扩展角度小的波束。能够区分的信号数随天线阵元数、角度扩展,在扩展角度内多径反射密度的增加而增加。从这个意义上来说,多径是一个有利的因素。但由于时延扩展,自适应天线把时延信号作为干扰信号而进行抑制。M元的自适应天线可以抑制M-1时延信号,这是一个很不利的因素。为了充分利用接收到的信号,我们可以在每个天线阵元上加一个时域的处理,比如自适应均衡或RAKE接收,然后再进行自适应波束形成。

  天线波束的实现方式

  智能天线对阵元接收信号加权处理形成天线波束,使主波束对准用户信号方向,而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益,达到抑制干扰的目的。根据天线波束形成的不同过程,实现智能天线的方式又分为两类:组件空间处理方式与波束空间处理方式。其中,组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权,调整信号振幅与相位,使天线输出方向图主瓣方向对准用户信号到达方向。在波束空间处理方式下,信号从阵元组件接收并经过模数转换后,需经过相应的数字信号处理过程(如FFT)得到相互正交的一组空间波束,再经过波束选择,根据需要取其中部分或全部波束来合成阵列输出方向图。因为用户信号往往深埋于噪声信号与干扰信号中,不易得到阵元接收信号的最佳加权。采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束,以取得符合质量要求的信号,在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度。

  波束赋型算法概况

  智能天线技术研究的核心是波束赋型的算法。从是否需要参考信号(导频序列或导频信道)的角度来划分,这些算法可分为盲算法、半盲算法和非盲算法三类。非盲算法是指须借助参考信号的算法。由于发送时的参考信号是预先知道的,对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应,再按一定准则(如著名的迫零准则)确定各加权值,或者直接根据某一准则自适应地调整权值(也即算法模型的抽头系数),以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内。常用的准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)和RLS(递归最小二乘)等等;而自适应调整则采取最优化方法,最常见的就是最大梯度下降法。盲算法则无须发送参考信号或导频信号,而是充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征(如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等)来调整权值以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法(CMA)、子空间算法、判决反馈算法等等。常数模算法利用了调制信号具有恒定的包络这一特点,具体又分最小二乘CMA算法、解析CMA算法、多目标LS-CMA算法等;子空间算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的混合空间划分为信号子空间和噪声子空间,对信号子空间进行处理;判决反馈算法则由收端自己估计发送的信号,通过多次的迭代,使智能天线输出向最优结果不断逼近。非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。为此,学者们又发展了半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整。这样做一方面可综合二者的优点,一方面也是与实际的通信系统相一致的,因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

  智能天线的优点

  智能天线可以明显改善无线通信系统的性能,提高系统的容量。具体体现在下列方面:

  提高频谱利用率。采用智能天线技术代替普通天线,提高小区内频谱复用率,可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量,降低运营商成本。

  迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量。

  抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整,优化天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,改善了系统质量,提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统,信干比的提高还意味着系统容量的提高。

  抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落,普通全向天线或定向天线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,自适应地构成波束的方向性,可以使得延迟波方向的增益最小,降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。

  实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出,而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。


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