移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用智能天線

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1、6.6智能天線6.6.1智能天線的基本概念智能天線是利用信號(hào)與干擾的束波方向的不同(即信號(hào)與干擾的空間入射角)來區(qū)分信號(hào)與干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制。智能天線是一種自適應(yīng)空域?yàn)V波器?？沼?yàn)V波是根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性，用一定形狀的波束來使有用信號(hào)或所需信號(hào)方向的信號(hào)通過，并抑制不需要方向的干擾，從而達(dá)到提取信號(hào)和抑制干擾的目的，因而也稱為波束形成。目前常用的分集技術(shù)是空間分集和極化分集，智能天線的多波束則提供的是角度分集。過去由于受技術(shù)和價(jià)格等因素的制約，智能天線一直未能大量應(yīng)用于通信領(lǐng)域。一方面，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路(特別是高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片)的發(fā)展

2、，使得數(shù)字技術(shù)在取代模擬技術(shù)，并在基帶形成天線波束成為可能，從而有效地提高了無線通信系統(tǒng)的適應(yīng)性、可靠性和靈活性，使智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。另一方面，由于移動(dòng)通信用戶數(shù)量增長(zhǎng)迅速，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和通信質(zhì)量提出了新的要求。智能天線技術(shù)與常用的扇區(qū)天線和天線分集不同，它是通過在基站使用收發(fā)智能天線，提供較窄的定向波束，即在有限的空間方向區(qū)域發(fā)送和接收信號(hào)。因此，它能充分利用有用信號(hào)的發(fā)射功率，從而降低了信號(hào)全向發(fā)射產(chǎn)生的相互干擾。6.6.2智能天線的基本原理天線的方向性由方向圖（或波束圖）和波瓣特性參量表示，波瓣寬度越窄、旁瓣電平越低、前后輻

3、射比越大，說明天線輻射能量越集中，方向性越強(qiáng)。對(duì)一個(gè)天線來說，干擾可能從主瓣進(jìn)入，也可能從旁瓣進(jìn)入。如果干擾來自固定方向，我們可以通過設(shè)計(jì)天線的方向圖，使方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向。但通常干擾方向是變化的，我們希望的是零點(diǎn)能隨干擾方向而變化。單個(gè)天線的方向圖的波瓣很寬，在復(fù)雜的無線電傳播環(huán)境下，不能有效地接收有用信號(hào)。為了將方向圖的波束壓窄，并將波束集中到需要接收的信號(hào)方向，可以用若干個(gè)天線組成天線陣來實(shí)現(xiàn)這一目的。該天線系統(tǒng)能根據(jù)無線傳播環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳處理，具有一定程度的智能（即智能天線），從而與傳統(tǒng)的參數(shù)固定的天線系統(tǒng)有本質(zhì)的差別。智能天線由天線陣、方向

4、圖形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器組成，如圖6-31所示。自適應(yīng)處理器由信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法控制器組成，用來調(diào)整方向圖形成網(wǎng)絡(luò)中的可變加權(quán)數(shù)值。天線陣由多個(gè)天線單元組成，用來接收無線信道的所需信號(hào)。方向圖形成網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)加權(quán)系數(shù)值可以改變天線的方向圖。圖6-31智能天線基本組成下面我們以如圖6-32（a）所示的二元陣來說明智能天線的原理。設(shè)信號(hào)x(t)以偏離陣法線方向?yàn)棣鹊姆较蛉肷涞蕉?，陣元間距為d，信號(hào)到達(dá)陣元2比到達(dá)陣元1延遲一個(gè)時(shí)間τ,c為光速，有（6.6-1）二元陣輸出信號(hào)為兩陣元輸出信號(hào)之和，有y(t)=w1x(t)+w2x(t-τ)（6.6-2）式中，w1,w

5、2為加權(quán)系數(shù)。設(shè)x(t)是中心頻率為f0的窄帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)于中心頻率的波長(zhǎng)為。時(shí)間延遲的相移角為（6.6-3）二元陣輸出信號(hào)的和為（6.6-4）二元陣的方向圖為（6.6-5）(1)對(duì)于普通的二元陣，其w1=w2=1，式（6.6-5）可改寫為二元陣的歸一化方向圖為（6.6-6）式中，N為天線陣元數(shù)（這里N=2）。圖6-32(b)～(d)給出了d/λ0分別為0.5、1.0和1.5時(shí)此二元陣的方向圖曲線。可見，當(dāng)d/λ0=0.5時(shí)，方向圖有一主波束，其3dB波束寬度為60°，零點(diǎn)在θ=±90°方向，如圖6-32(b)所示。當(dāng)d/λ0=1.0時(shí)，零點(diǎn)發(fā)生在θ=±30°方向，如圖

6、6-32(c)所示。當(dāng)d/λ0=1.5時(shí)，主波束寬度進(jìn)一步變窄，零點(diǎn)更往內(nèi)移，且在θ=±90°出現(xiàn)兩個(gè)新零點(diǎn)，如圖6-32(d)所示。發(fā)生在θ=±30°方向。當(dāng)d/λ0值進(jìn)一步增大時(shí)，將出現(xiàn)更多的方向圖零點(diǎn)和更多的旁瓣波束，主波束寬度則進(jìn)一步減小。圖6-32二元陣及其增益方向圖(2)假定限制條件為w1+w2=1，d/λ0=0.5,使方向圖A(θ)在θ1或φ1=sinθ1方向產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。聯(lián)立解方程：w1+w2=1和w1+w2e-jφ1=0，可得（6.6-7）若要求在θ1=30°處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，則不難得到圖6-33智能天線原理圖若干擾來自30°方向，則干擾將完全被抑制；

7、若干擾方向改變時(shí)，可根據(jù)自適應(yīng)算法來調(diào)整w1和w2的值，使天線方向圖的主瓣對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)，而零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)期望信號(hào)的有效提取和對(duì)干擾的有效抑制。這就是智能天線的基本原理，如圖6-33所示。6.6.3智能天線的工作方式1.切換波束方式切換波束方式又稱為多波束(multibeam)方式。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中通常將空間分成120°扇區(qū)，就是一個(gè)三波束的波束切換系統(tǒng)。在智能天線系統(tǒng)中，切換波束更窄，進(jìn)一步將宏扇區(qū)分成幾個(gè)微扇區(qū)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入宏扇區(qū)時(shí)，切換波束系統(tǒng)選擇一個(gè)收到最強(qiáng)信號(hào)的波束用于該用戶通信。用戶在通信過程中，系統(tǒng)不斷地監(jiān)測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度