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现代通信技术论文
现代通信技术
题目:
移动通信中的智能天线技术
院系:
电子与信息工学院
班级:
XX
姓名:
XX
学号:
XX
移动通信中的智能天线技术
摘要:
近年来,智能天线技术已成为移动通信领域中最具有吸引力的技术之一。
本文对智能天线的产生背景、基本概念、基本原理和分类进行了综合论述,并讨论了其应用范围,最后对智能天线所面临的挑战和发展方向发表了看法。
关键词:
智能天线;移动通信;自适应算法;
引言
最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。
近年来,随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。
当今社会信息量的逐渐增加,全球的通信事业飞速发展,个人移动通信迅速普及。
移动通信业务需求量的增长和有限的频谱资源的矛盾日益突出。
在不远的将来,用户的需求将超越现有的技术所能提供的信道资源[1]。
近20年来,移动通信迅猛发展,尤其是以GSM、CDMA等系统为代表的第二代(2G)移动通信的飞速发展,使得移动通信用户数量急剧增加,同时对移动通信所提供的服务质量和内容提出了新的要求,2G提供的9.6kbps的数据传输速率已经不能满足人们的要求,即将大规模商用化的第三代(3G)移动通信可以提供高达2Mbps的最高数据传输速率,传输速率更高(高达几百Mbps)的第四代(4G)移动通信已经提上日程。
为了提高容量和数据传输率,目前已经充分挖掘了时域和频域相关技术,要想解决提高传输速率、系统容量和有限的资源之间的矛盾,就必须把目光转向还没有完全开发的空域。
因此,智能天线的提出为解决以上问题提供了新的思路,被称为无线移动通信技术的“最后新疆界”(LastFron-tier),成为未来移动通信关键技术之一。
1、智能天线的基本概念、基本原理和分类
1.1智能天线的基本概念
智能天线也叫自适应天线,由多个天线单元组成,每一个天线后接一个复数加权器,最后用相加器进行合并输出。
这种结构的智能天线只能完成空域处理,同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网络(结构上与时域FIR均衡器相同)。
自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。
1.2智能天线的基本原理
智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。
智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。
利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。
这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带来的电磁干扰。
智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。
1.3智能天线的分类
根据不同的复杂度和结构,智能天线可分为波束切换智能天线和自适应智能天线两大类。
1.3.1波束切换智能天线
波束转换天线将传统的一个扇区一个波束变为一个扇区数个波束来覆盖,每个波束的指向是固定和预定义的,波束宽度随阵元数目而定。
它采用波束切换技术,随着用户在小区内的移动,基地台自动选择不同的相应波束,使接收信号最强。
波束转换天线虽然不能实现信号最佳接收,但结构简单,便于实现,且无需判定所接收信号的方向。
波束转换天线的波束宽度由天线阵列的口径决定。
对于处于主波束外的干扰,波束转换天线通过控制低的旁瓣电平确保抑制。
而对于处于主波束内的干扰,它的抑制能力是有限的。
由于所需信号的到达方向并不一定固定在主波束中央,当信号的到达方向随着移动台的移动位于波束边缘,而干扰信号位于波束中心时,接收效果最差。
此时必须进行波束间切换,切换至载干比好的波束中。
1.3.2自适应阵列智能天线
自适应阵列智能天线融入了自适应数字处理技术,在天线阵接收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其他参数。
利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
自适应天线阵列通常采用4—16天线阵元结构,在FDD中阵元间距1/2波长,若阵元间距过大,接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图中形成不必要的栅瓣,故一般取半波长。
而在TDD中(如美国ArrayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线)阵元间距为5个波长,间距宽波束更窄。
PHS系统中采用TDD模式,因而更容易进行定位处理。
即使旁瓣多,但由于用户和信道都较少,因而不会带来不利影响。
自适应天线阵列的效益虽高,但因需执行复杂的适应性算法,实现成本较高。
为满足无线通信高频谱效率需求,自适应天线阵列仍为未来的发展趋势[2]。
2、智能天线的基本结构
典型的智能天线系统结构图,它主要由天线阵、数模转换、自适应信号处理器和波束形成网络组,如图1所示。
天线阵元数量N与天线阵元的配置方式,对智能天线的性能有着直接的影响,目前天线阵元数一般取4到16。
根据天线阵元之间的几何关系,阵列形状大致可以划分为:
线阵、面阵、圆阵等。
波束形成技术是智能天线能否实现的关键。
简单地说,波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带,然后进行相应的空间谱处理,获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。
在此基础上,依据一定的准则(常用的有:
最小均方误差(MMSE)准则、最大信噪比(MAXSNR)准则、最小二乘准则(LS)、线性约束最小方差(LCMV)准则等),计算信号在各个天线阵元的加权矢量W,生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户。
可以说波束形成是一种空间滤波方法,目的是从信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。
在接收模式下,抑制来自窄波束之外的信号;而在发射模式下,使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小。
图1典型的智能天线系统结构图
其中,自适应算法是智能天线技术的核心。
按照是否需要参考信号可分为非盲算法和盲算法,其中非盲算法是基于专门发送导频信道信号或导频符号序列信号来实现的自适应算法,这方面的典型算法有:
基于梯度的最小均方(LMS)误差算法、递归最小平方(RLS)算法等,以及这些算法的改进算法。
LMS和RLS需系统提供与用户信号相关的参考信号,以计算误差,控制阵列加权。
而对于盲算法,不需要参考信号,通过利用DOA的时空特征进行多用户检测并分离出各方向的用户来波,经典算法有恒模算法(CMA)和空间谱估计。
此外,还有判决反馈和模糊神经网络等算法。
如何根据不同的场合选择最佳算法,是智能天线研究的关键问题。
3、智能天线的优势和应用现况
3.1 移动通信引入智能天线的益处
3.1.1链路性能的改善
智能天线通过空域处理或空时域联合处理,可提高信干噪比(SINR)、减少时延扩展和减 轻衰落,进而提高链路性能。
链路性能的提高同时也意味着移动台可以以较低功率工作,从 而延长手机电池的通话时间和待机时间,并减轻电磁辐射对人体的危害。
3.1.2系统性能的提高
链路性能的改善必然带来系统性能的提高,这主要表现在:
扩大系统覆盖区域,并解决 盲点覆盖问题,在网络建设的初期,用较少的基站即可实现较大区域的覆盖;链路性能的提 高使得运营商可以更轻松地提供各种新业务,如对误码率有较高要求的数据业务和无线Inte rnet业务;增加系统容量,对同信道干扰的有效抑制使得TDMA系统可采用更紧凑的频率复用 模式,并有可能实现SDMA,对多址干扰的有效滤除使得CDMA系统在相同处理增益下可同时容 纳更多的激活用户。
多入多出系统的容量计算研究也表明,多天线收发系统的容量远超过单 天线系统,当发天线数目一定时,系统容量最多随收天线数目成对数变化;当收天线数目等 于或多于发天线数目时,系统容量至少随发天线数目线性增加。
3.1.3系统控制的简化
智能天线提供的分集增益可以减轻信号衰落,空间滤波特性可以减少多址干扰,二者使 得对功控精度的要求大大降低。
智能天线的定位能力可以帮助网络规划、优化和维护人员方 便地定位无线故障点或区域,缩短解决问题的时间和流程。
智能天线所提供的移动台位置信 息和移动方向信息,可用于预测切换需求和方向,使切换也变为智能。
3.1.4定位功能
美国联邦通信委员会规定到2001年所有的在美网络运营商必须提供紧急呼叫业务,及俗称的911/999呼叫,并要求在67%的网络覆盖区内定位精度达到125m。
利用智能天线所特有 的DOA估计能力,结合场强、延时信息等可使移动台定位精度大大提高,达到并超过前述要 求。
在此基础上系统可提供很多基于位置信息的新业务,如本地无线Internet信息发布、汽 车调度和导航功能、位置敏感计费等,运营商还可据此定位用户的欺诈行为,维护自身利润 。
3.2智能天线应用范围
3.2.12G移动通信系统
PHS、GSM和CDMA可以看做是2G移动通信系统。
其中,PHS为时分双工TDD模式,即收发频率共用,而GSM和CDMA均为FDD模式,收发频率之间要间隔一定的频率。
目前,在PHS中自适应阵列天线技术比较成熟,应用十分广泛。
PHS系统的通信距离有限,需要建立很多基站。
若采用智能天线技术,可以提高覆盖,而且可以降低成本。
在GSM系统中,目前有ArrayComm和爱立信推出了自己的解决方案。
ArrayComm在与美国Airnet的合作中推出了具有自适应阵列天线功能和软件无线电功能的GSM基站。
爱立信在德国Mannesman公司的GSM的网络中曾进行过试验。
IS-95CDMA中应用智能天线的研究尚在进行之中。
3.2.23G移动通信系统
3G普遍采用基于CDMA的多址接入技术,依靠码字之间的正交性来区分不同的用户,因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、TDD系统中的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。
同时,在理论分析的基础上,大量的仿真和现场试验结果也证明了:
在3G通信系统中,网内干扰将超过系统固有的热噪声,成为制约系统性能的主要因素。
在干扰和容量这一对矛盾的基础上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已经得到共识,成为3G网络规划和运营的主要特点。
在业务特性上,3G以高速的数据业务、视频电话和能力得到增强的增值业务作为其对2G系统形成服务优势的主要手段,这必然使得3G具有大得多的网络流量。
但是与2G系统一样,它的容量同样受到空中频谱资源的限制。
理论上在相同条件下,CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的频谱利用率。
因此,为了能够真正体现3G系统在业务能力上的优势,必须使用新技术使频谱利用率得到质的提高,智能天线技术正是目前被认为是能够实现这一目标的最有效的方法之一。
它通过增加系统SDMA(空分多址)的能力,能够有效地缓解3G系统中容量与网内干扰之间的矛盾,很大程度地提高系统对空中无线频谱资源的利用能力。
我国提出的TD-SCDMA标准,由于其空中接口采用TDD的双工方式,通信的上下行信道使用相同的频率,因此以很短的时隙间隔相互交错的上下行信道之间具有较强的相关性,这样比较容易根据上行信道的接收情况对下行信道的发送特性进行准确的调整,因此TD-SCDMA成为3G标准中最方便于使用智能天线的一个技术,并且已经进行了标准化,将智能天线作为其主要的关键技术之一。
另外,对于3G中使用FDD方式的WCDMA和CDMA2000,由于上下行信道使用不同的频率,并且具有较大的频差(在我国的3G频率划分中,主要工作频段上下行的频差为190MHz),因此上下行信道之间的相关性较弱,加上城区中复杂的无线传播环境,所以想要利用上行信道的接收信息得到下行链路理想的发送方案是比较困难的,对算法的复杂度也有更高的要求。
但是由于对系统性能改善方面的重要作用,所以关于FDD系统中智能天线的使用也在不断研究和尝试中[3]。
3.2.34G移动通信系统
4G移动通信系统中智能天线是不可或缺的关键技术,从常规智能天线演进而来的MIMO(多入多出)天线系统成为4G发展中炙手可热的课题。
MIMO天线系统在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线,其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率(如数据速率)。
MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益,空间复用技术可以大大提高信道容量,而空间分集则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。
但是,随着使用天线数目的增加,MIMO技术实现的复杂度大幅度增高,从而限制了天线的使用数目,不能充分发挥MIMO技术的优势。
目前,如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度,仍然是业界需要面对的巨大挑战[4]。
4、智能天线面临的挑战和发展方向
智能天线系统在改善性能的同时,也增加了收发机的复杂度。
因为要对每个用户进行定位,并且波束形成的计算量很大,所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。
在实施SMDA时,资源管理也成为一个必须关注的问题。
作为一种新的多址方式,在频谱分配和移动性管理上也提出了新的问题,将会对网络管理提出更多的需求。
此外,目前智能天线的物理尺寸较大,不利于构建更小的基站。
智能天线形成下行波束较为困难,因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识,而无线信道的信道状况变化极快,使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。
接收和发送链路中器件的线性特性对系统的性能有显著影响。
智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大,对器件、时间和功率的要求比较高,因此研究高效的优化算法对提高系统的性能至关重要。
到目前为止,还没有一个完整的智能天线系统理论,而智能天线今后的研究必须同一些相关技术联系,如与多用户检测、多用户接收和功率控制等结合在一起。
目前的智能天线多用于基站系统,今后还可以研究基于移动台的智能天线。
在信号处理部分,目前多采用自适应信号处理算法,尚未将人工智能方法应用于其中,同时还可尝试将智能计算的一些方法,如人工神经网络、模糊技术和进化计算等用于智能天线系统中。
在无线电通信领域,智能天线有诱人的前景。
智能天线的优越性在于自身可以分析到达无线阵列的信号,灵活、优化地使用波束,减少干扰和被干扰的机会。
提高了频率的利用率,改善了系统性能。
这就是自适应天线阵列的智能化,它体现了自适应、自优化和自选择的概念,对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。
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的天线,还需要许多问题有待研究解决。
智能天线研究值得关注的有以下内容:
智能天线的接收准则及自适应算法;宽带信号波束的高速波束成形处理;用于移动台的智能天线技术;智能天线实现中的硬件技术;智能天线的测试平台及软件无线电技技术研究等方面[5]。
参考文献:
[1]、潘涛,林家儒智能天线在TD—SCDMA中的应用[J]电信快报,2002,(4)
[2]、桑怀胜,李峥嵘智能天线的原理、自适应波束形成算法的研究进展与应用[J]国际科技大学学报,2001,(6)
[3]、何先刚,刘勇,王平智能天线在第三代移动通信中的应用西南师范大学学报自然科学版,2004,
(2)
[4]、徐宁宁探讨MIMO智能天线技术在4G中的应用科技资讯,2009
[5]、李小强,胡健栋未来移动通信系统中的智能天线技术移动通信,1999,
(1)
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