分析智能天线及其在移动通讯中的应用

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1、分析智能天线及其在移动通讯中的应用　　论文：智能天线　移动通讯　空分多址　　论文：智能天线被公以为是未来移动通讯的一种发展趋向。文章对天线的基本概念、关键技术、系统性能的改善及国外探究状况等进行了阐述,指出了探究过程中存在的新题目及发展方向。　　1　智能天线的基本概念及组成　　1.1　基本概念及工作原理　　在移动通讯中,智能天线是天线阵在感知和判定自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天

2、线吸取了自适应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。由于天线有发射和接收两种状态,所以智能天线包含智能化发射和智能化接收两个部分,它们的工作原理基本相同。图1所示的是处于接收状态的智能天线结构图。现以发射状态的智能天线为例,说明波束的形成。将M维信号矢量S(t)=(s1(t),s2(t),...sM(t))T和一个N×M阶加权矩阵S320系列;另一种是专用集成电路(ASIU),其中最为典型的是能进行大规模并行处理的FPGA。数字波束形成在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应

3、算法,以调整加权系数。目前在通讯领域探究得较多的算法主要有:LMS及其改进算法RLS、SMI和CMA等。值得注重的是基于特征值分解的自适应数字波束形成算法越来越受到重视,它不仅能很好地和超分辨测向算法同一起来,而且能自动校正通道不匹配、阵元位置偏差等很多因素所产生的误差,具有很强的鲁棒性(Robust),缺点是计算量大。由于移动通讯环境非常复杂,各种算法都有其优缺点,需要相互并用才能取长补短,使系统的性能最佳。　　　　2　移动通讯系统采用智能天线的好处　　2.1　进步系统容量和频谱效率　　智能天线通

4、过以下途径来进步系统容量和频谱利用率:(1)产生多个窄波束来对准移动用户,以致处于发射状态时能减少对四周小区移动用户的共信道干扰,处于接收状态时各种干扰信号因落进方向图零点而被抑制;(2)具有空分多址性能。假设智能天线形成N个波束来跟踪移动用户,那么在理论上,该小区内相同的频率就可重复利用N次,系统的容量增加N倍,或者在容量不变的情况下,服务的小区面积可增加N1r倍(r是电波传播损耗因子,通常为4);(3)智能天线还能明显进步接收信号的信噪比,改善系统的服务质量,意味着在不进步服务质量的条件下可增加

5、用户数目。探究表明,现有蜂窝移动通讯系统的每个基站都使用四单元的智能天线后,系统的容量可进步7倍,而在同样条件下,采用四个固定波束的天线只能增加1倍的容量。以上结果都是和全向天线相比而言。　　2.2　智能化的信道分配和越区切换　　智能天线采用数字信号方式将各支路的有用信号保存到A/D变换之后,借助于阵列信号处理,可对各种信号(包括通讯信号和干扰信号)的参数(如信号个数、频率、到达角等)进行估计,对移动用户进行定位和跟踪。有了这些重要信息,智能天线就能打破传统按固定边界小区分配信道数的思路,将其波束覆

6、盖的区域定义为一个智能小区,根据该小区内用户群业务量的大小,实时分配信道,大大进步了信道利用率。由于智能天线能够随时提供移动用户的位置信息,控制中心就可利用它们计算出用户的移动速度和方向,非常轻易实现越区切换。这种所谓的“智能切换”,既不同于“硬切换”,也不同于“软切换”。　　2.3　进步通讯质量和传输效率　　智能天线用于移动通讯系统后,能明显改善BER性能。对于一个CDMA移动通讯系统,当小区内有K个用户同时工作时,在采用RLS算法的智能天线和全向天线两种情况下,BER的表达式分别如下:　　　　其

7、中,Q(X)是标准Q函数,G是CDMA系统处理增益,β值为0.05513,D是智能天线增益。此外,智能天线还能有效地进步接收信号的信噪比、降低码间串扰和通讯过程中的掉话率,进步通讯质量。　　和固定波束的天线相比,智能天线窄波束产生的增益一方面可降低发射台的功率,另一方面可减小移动终真个体积和重量、延长终端电池的使用寿命,或可以采用更小的电池,降低整个系统的本钱。　　3　国外智能天线的探究　　3.1　用于卫星移动通讯的智能天线　　L波段卫星移动通讯系统的智能天线阵采用由16个环形微带贴片天线组成的4×

8、4方形平面阵,射频频率为1.542GHz,左旋圆极化,中频频率为32kHz,A/D变换器的采样速率为128kHz,分辨率为8位。在数字信号处理部分,选用10个FPGA芯片,其中8片用于16个天线支路的准相干检测和快速傅立叶变换,另外2片起到波束选择、控制和接口的功能;自适应算法选用CMA。对该系统进行外场测试发现,能产生16个波束来覆盖整个上半空间,并且不需要借助任何传感器,就能用最高增益波束自动捕捉和跟踪卫星信号,在各种复杂环境下都能提供比其他天线高得多的通讯质量。