智能天線研究論文

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1智能天線的基本概念

智能天線綜合了自適應天線和陣列天線的優點,以自適應信號處理算法為基礎,并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元,它已成為一個具有智能的系統。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎,在取得電磁信息之后,使用人工智能的方法進行處理,對電磁環境做出分析、判斷,并自動調整本身的工作狀態使之達到最佳。依據天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態相控陣列和自適應陣列3類。可變波束天線依據接收功率最大原則,在幾個預設陣列波束中進行切換;動態相控陣列使用測向算法,能夠連續追蹤用戶的方向而改變天線的波束,使接收功率達到最大;自適應陣列既對用戶進行測向,又對各種干擾源進行測向,在形成波束時,不僅使接收功率最大,而且使噪聲降到最低,從而使接收信噪比最高。

智能天線的發展可分成3個階段:第1階段是應用于上行鏈路,通過使用智能天線增加基站的接收增益,從而使接收機的靈敏度和接收距離大大增加;第2階段是將智能天線技術同時應用于下行鏈路,在智能天線應用于下行鏈路后,能夠控制波束的發射方向,從而有助于頻率的復用,提高系統的容量;最后一個階段是完全的空分多址,此時在一個蜂窩系統中,可以將同一個物理信道分配給不同的用戶,例如,在TDMA中,可以將同一小區內同一時隙同一載波同時分配給兩個用戶。

2智能天線的組成和關鍵技術

智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數據采集、信息處理3部分。在移動通信系統中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關鍵。天線單元不僅要達到本身的性能指標,還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點。目前微帶天線使用較多。

接收通道及數據采集部分主要完成信號的高頻放大、變頻和A/D轉換,以形成數字信號。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對高射頻信號和微波信號進行采樣,必須對信號進行下變頻處理,降低采樣速率。

信息處理部分是智能天線的核心部分,主要完成超分辨率陣列處理和數字波束形成兩方面的功能。進行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號的參數,這些參數主要包括信號的數目、信號的來向、信號的調制方式及射頻頻率等,其中信號的來向對于實現空分多址和自適應抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率測向算法中,MUSIC算法及其改進算法一直占據主導地位,它不受天線陣排陣方式的影響,只需經過一維搜索就能實現對信號來向的無偏估計,并且估計的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法來解決移動通信中的測向問題也得到了廣泛的研究。數字波束形成主要通過調整加權系數來達到增強有用信號和抑制干擾的作用,它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據所需先驗知識的不同,目前的波束形成算法主要有3類:以信號來向為先驗知識,如LCMV算法;以參考信號為先驗知識,包括LMS算法及其改進算法NLMS、RLS等;不需要任何先驗知識,如CMA算法。由于移動通信環境復雜,各種算法也有各自的優缺點,因此系統中必須對多種算法取長補短,才能達到最佳效果。

3智能天線的特點和優勢

(1)提高系統容量

在蜂窩系統中,用戶的干擾主要來自其他用戶,而智能天線將波束零點對準其他用戶,從而減少了干擾的影響。由于系統提高了接收信噪比,因此減少了頻譜資源的復用距離,從而獲得了更大的系統容量。

(2)擴大小區覆蓋距離和范圍

使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率,進一步擴大基站的通信距離,減少功率損失,從而延長電池的壽命,減小用戶的終端。

(3)減少多徑干擾影響

智能天線使用陣列天線,通過利用多個天線單元的接收信息和分集技術,可以將多徑衰落和其他多徑效應最小化。

(4)降低蜂窩系統的成本

智能天線利用多種技術優化了信號的接收,從而能夠顯著降低放大器成本和功率損耗,提高系統的可靠性,實現系統的低成本。

(5)提供新服務

智能天線在使用過程中必須對用戶進行測向,以確定用戶的位置,從而為用戶提供基于位置信息的服務,如緊急呼叫等。目前,美國聯邦通信委員會已準備實施用戶定位服務。

(6)更好的安全性

使用智能天線后,竊聽用戶的通話將會更加困難,因為此時盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。

(7)增強網絡管理能力

利用智能天線可以實時檢測電磁環境和用戶情況,從而為實施更有效的網絡管理提供條件。

(8)解決遠近效應問題和越區切換問題

智能天線可自適應地調節天線增益,較好地解決了遠近效應問題,為移動臺的進一步簡化提供了條件。在蜂窩系統中,越區切換是根據基站接收的移動臺的功率電平來判斷的。由于陰影效應和多徑衰落的影響常常導致越區轉接,增加了網絡管理的負荷和用戶呼損率。在相鄰小區應用的智能天線技術,可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度,為越區切換提供更可靠的依據。

4智能天線的技術現狀

在分析智能天線理論的同時,國內外一些大學、公司和研究所分別建立了實驗平臺,將智能天線應用于實踐中,并取得了一些成果。

(1)美國

在智能天線技術方面,美國較其他國家更加成熟,已開始投入實際應用中。美國的ArrayComm公司發展了針對GSM標準和日本PHS標準的智能天線系統。該公司已將智能天線應用于基于PHS標準的無線本地環路中,并投入了商業運行。該方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環形自適應陣列可供不同的環境選用,現場實驗表明,在PHS基站采用智能天線技術可使系統容量增加4倍。

(2)歐洲

歐洲通信委員會在RACE計劃中實施了第一階段的智能天線技術研究,稱為TSUNAMI,由德國、英國、丹麥和西班牙共同合作完成。它采用DECT標準,射頻頻率為1.89GHz,天線由8個微帶貼片組成。陣元距離可調、組陣方式可變,有直線型、圓環型和平面型3種形式。數字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,它在軟件上分別由MUSIC算法、NLMS、RLS完成測向和求得最佳的加權系數。在典型的市區環境下進行實驗表明,該智能天線能有效跟蹤的方向分辨率大約為15°,BER優于10-3。

(3)日本

ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率為1.545GHz。陣元組件接收信號在A/D變換后,進行快速傅氏變換,形成正交波束后分別采用恒模算法或最大比值合并分集算法,數字信號處理部分由10片FPGA完成。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線概念。

(4)其他國家

我國的信威公司也將智能天線應用于TDD方式的WLL系統中。該智能天線采用8陣元的環形自適應陣列,射頻工作于1785~1805MHz,采用TDD工作方式,收發間隔為10ms,接收機靈敏度最大可提高9dB。此外,愛立信公司與德國運營商也將智能天線應用于GSM基站上,但該天線的智能化程度不高。韓國、加拿大等國也開展了智能天線方面的研究。

(5)用于衛星移動通信的智能天線

上文主要介紹了基于蜂窩系統的智能天線,另外還有一種用于L衛星移動通信的智能天線。該天線采用了由16個環形微帶貼片天線組成的一個4×4的方形平面陣,它的射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A/D變換器的采樣速率和分辨率分別為128kHz和8位。在數字信號處理部分,選用了10個FPGA芯片,其中8個用于16個天線支路的準相干檢測和快速傅里葉變換,另外2片則起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應算法則選擇了CMA。系統的外場測試表明,它能產生16個波束來覆蓋整個上半空間,并且不需要借助于任何傳感器,就能用最高增益的波束來自動捕獲和跟蹤衛星信號,從而在各種復雜的環境下均能提供比采用其他天線要高得多的通信質量。

5智能天線面臨的挑戰和發展方向

智能天線系統在改善性能的同時,也增加了收發機的復雜度。因為要對每個用戶進行定位,并且波束形成的計算量很大,所以智能天線系統中有多個計算單元和控制單元。在實施SMDA時,資源管理也成為一個必須關注的問題。作為一種新的多址方式,在頻譜分配和移動性管理上也提出了新的問題,將會對網絡管理提出更多的需求。此外,目前智能天線的物理尺寸較大,不利于構建更小的基站。

智能天線形成下行波束較為困難,因為對下行鏈路的信道響應缺少短時先驗知識,而無線信道的信道狀況變化極快,使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號的變化。接收和發送鏈路中器件的線性特性對系統的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運算量很大,對器件、時間和功率的要求比較高,因此研究高效的優化算法對提高系統的性能至關重要。

到目前為止,還沒有一個完整的智能天線系統理論,而智能天線今后的研究必須同一些相關技術聯系,如與多用戶檢測、多用戶接收和功率控制等結合在一起。目前的智能天線多用于基站系統,今后還可以研究基于移動臺的智能天線。在信號處理部分,目前多采用自適應信號處理算法,尚未將人工智能方法應用于其中,同時還可嘗試將智能計算的一些方法,如人工神經網絡、模糊技術和進化計算等用于智能天線系統中。

論文關鍵詞：智能天線空分多址自適應天線陣列

論文摘要：主要介紹了智能天線的提出背景、基本概念、關鍵技術、優點以及國外的研究進展情況,最后指出了智能天線的發展方向。