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智能天线及其在无线通信中的应用
论文关键词：智能天线 无线 应用
论文摘要：智能天线是近年发展起来的,用于提高无线通信系统的容量和抗干扰能力的新技术。本文全面地阐述了智能天线的概念、特点、实现方案和应用前景,同时还给出了智能天线的最新发展动态。
一、引 言
近年来,蜂窝移动通信的发展十分迅速,用户量呈指数律上升。但是随着用户量的大幅度地增长,目前的通信系统正面临着许多亟待解决的问题。尤其突出的是:信道容量的限制、多径衰落、远近效应、同频道干扰、越区切换、移动台由于电池容量的功率受限等等。这就迫切需要一种能够提高系统容量和通信质量的新技术。这就是智能天线得以提出和发展的客观。
通过分析,我们不难发现频分多址(FD-MA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CD-MA)分别是在频域、时域和码组上实现用户的多址接入,而空域资源尚未得到充分的利用。智能天线则致力于空间资源的开发,是一条解决目前频谱资源匮乏的有效途径。
一般地,智能天线被定义为:具有测向和波束成形能力的天线阵列。实际上,智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系,也就是利用了信号的相位关系,这是与传统分集技术本质上的区别。智能天线能识别信号的入射方向( DOA - Direction ofArrival),从而实现在相同频率、时间和码组上用户量的扩展。因此可以把智能天线看作SDMA(Spatial Division Multi-Access)。从技术发展的角度来看,智能天线系统还可以认为是自适应天线在现代移动通信系统中的进一步发展。而早在60年代,自适应天线就开始应用于诸如目标跟踪、抗信号阻塞等军事领域中。
智能天线系统致力于提高移动通信系统的系统容量,这在无线电频谱资源日益拥挤的今天,具有十分重要的现实意义。同时智能天线系统还能提高移动通信系统的通信质量,是一种具有良好的应用前景,但还没有被人们充分开发的新的技术方案。相对其他技术方案而言,具有省、见效快等优点。目前,世界上许多著名的大学与公司都竞相致力于智能天线的开发,例如:Stanford, Erics-son, Northern Telecom, BellSouth, BellAtlantic及ArrayComm。欧洲电信委员会( ETSI - European TelecommunicationsStandards Institute)在其第三代移动通信系统标准中(UMTS - Universal MobileTelecommunication System),明确提出智能天线系统是第三代移动通信系统必不可少的关键技术之一。并制定相应的开发计划,即:TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastruc-ture)。
二、智能天线及其与传统技术的比较
首先,我们给出智能天线的典型结构,如图1所示。
智能天线由以下三部分构成:天线阵列,信号合成通道和自适应控制单元。其中,天线阵列是由按某种规律排列的单元天线构成的。常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。信号合成通道则将来自每个单元天线的空间感应信号加权相加,其中的权系数为复数。也就是说,每路信号的幅度与相位均可改变。自适应控制单元是智能天线的核心。该单元的功能是根据一定算法和优化准则主动地去适应周围电磁环境的变化。
进一步地,我们来推导窄带假设条件下(信号带宽的倒数远小于电磁波波前跨越天线阵列的时间)智能天线的矢量模型。对由m个阵元构成的阵列天线,信号在第i个阵元的响应可表示如下:
其中,L为多径信号的数目,gi(θl)为以θl角度入射到天线阵列的第l径信号在第i个阵元上的响应。αl(t),τl分别为第l径信号的复包络和时延。u(·)表示经过调制后的信源。定义m维复矢量x(t)和a(θl):
因此天线阵列的输出响应可以表示为：
其中,αl(t)遵从Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定义为阵列综合因子,该参数由阵列的几何结构、各单元的方向图、单元之间的互耦、邻近散射体对阵列天线的影响等诸多因素共同决定。u(t)代表发射信号的瞬时结构,在GMSK调制制式中,该函数有如下的表达式:
式中,φ(t)为MSK信号通过Gaussian滤波器后的相位函数。当考虑同波道干扰和热噪声时,天线阵列接收到的信号表示如下:
上式第二项为Q-1个干扰源产生的同波道干扰。第三项为零均值加性高斯白噪声。智能天线的算法直接影响着智能天线的性能。一般地,智能天线的算法可分为单用户算法和多用户算法两大类。在单用户算法中,把其他用户产生的干扰等效为加性高斯噪声。而在多用户算法中,则需要同时分辨出其他用户产生的同波道信号,因此多用户算法是实现SDMA的基础。智能天线的算法若按照其优化的目标函数可分为基于最大似然序列估计准则的MLSE(Maximum LikelihoodSequence Estimation)算法和基于最小均方误差准则的MMSE(Minimum Mean SquareError)算法两类。对GSM或IS-54系统,由于在突发的数据流中包含训练序列,宜采用有导师的学习算法(Training Signal Method),该算法可以实时反映信道的变化,但却是以降低频谱利用率为代价的。而对于非Gaussian信号、恒包络信号(ConstantModulus)可采用无导师的自学习算法(BlindMethod)。
智能天线 与自适应天线并没有本质上的区别,但是由于其使用的场合不同而具有显著的差异:自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目与天线阵列单元数相当。而在无线系统中,由于多径,到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,同时其功率电平一般都小于直射信号。图2显示了典型的十单元半波长均匀直线阵列,在不同的应用场合中方向图的比较(图中干扰源分别位于±75度和±35度)。
分集接收是无线通信系统常用的抗多径衰落技术方案。事实上,分集技术利用了阵列天线中不同阵元耦合得到空间信号的弱相关性。常用的分集技术有:空间分集、极化分集、频率分集和角度分集。N单元的智能天线实质上也可等效为,由N个空间耦合器按优化合并的准则构成的空间分集阵列。从这个意义上讲,智能天线是传统的分集接收的进一步发展。例如:小区的扇区化技术即可认为是一种简化的固定预分配的智能天线系统。表1对智能天线与分集技术的特点做了详细比较。
无线通信系统常常要求天线具有窄的主瓣宽度、高增益和低的付瓣电平。但是对一定结构的天线而言,上述两个要求是矛盾的。事实上,天线阵列的方向图等于单元方向图和阵列因子的乘积。因此选取适合的阵列图案和单元方向图是智能天线的一个重要研究内容。平面任布阵列是一种具有很强应用背景的实现方案。对于给定阵列单元数量的阵列分布,如果其占据的几何空间越大,则形成尖锐主瓣波束的能力越强。例如,对一个10单元的直线阵列,当主付瓣功率电平差为40dB时,主瓣宽度为40°。
三、智能天线在无线通信系统中的应用
在传统的无线通信系统中,由于无法确定移动用户的位置而不得不采用全向发射天线。实际上只有很小部分的信号被移动用户截获,这不仅造成能量的损失,更为严重是构成对其他用户人为的干扰,从而导致系统容量和信干噪比的下降。采用智能天线的目的,就是要在基台与移动用户之间建立一条能量相对集中的无线链路。为实现上述目标,智能天线系统需完成以下两大任务:
1.能实时感知电磁,包括DOA测向、谱估计、从接收到的信号中分离出直射信号和多径信号;
2.后处理过程,包括信道分离、抗多径干扰和衰落。该处理过程取决于算法的收敛速度和稳定性,以及DSP的处理速度。在此,我们给出表征系统容量的单位:
bit/s/Hz/unit-area。该参数表示在给定发射功率、给定频谱范围内信号的传输速率。系统容量的提高表现在两个方面:(1)对于用户集中的都市区,在给定小区范围内能容纳更多的移动用户;(2)对于用户稀疏的郊区,在保证用户通信质量的前提下,扩大小区的服务范围。智能天线对系统容量的提高有以下两条途径:
1.利用智能天线的波束成形和自适应测向跟踪能力,实时地形成窄的主瓣波束对准所需信号,在其他方向尽量压低付瓣增益。以此来代替传统的全向天线。智能天线提高了接收信号的信干噪比,从而提高了系统容量。此时对应单用户算法。
2.把智能天线等效为空域滤波器,实现空分多址传输,即所谓的SDMA。此时要采用多用户检测算法。需要说明的是,SDMA并不是与FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式,而是附加在上述多址方式上的优化方案。
要精确地计算智能天线对系统容量的提高是十分困难的。首先,必须确定小区用户的分布情况、小区的无线传播模型、智能天线的方案与算法,并结合具体的通信体制加以讨论。目前已有许多文献进行有益的探索。这是智能天线研究的最重要的课题之一。
下面我们来定性地分析SDMA系统的性能。事实上,目前的移动通信体制基本上都是上行受限的系统。也就是说,上行链路与下行链路是不平衡的。这是由于基台和移动台的结构造成的。例如,假设基台发射功率为20W,天线增益17dBi,此时基台为1kWEIRP。而移动台为1W EIRP,天线增益为0dBi,在此假设条件下,上行链路与下行链路的不平衡度为13dB。在900MHz或1800MHz频段,17dBi增益的天线已接近工程应用的上限。因此要缩小上下行链路的不平衡度,唯一的方法是减小基台发射功率。采用智能天线后,能很大程度上缓解上下行链路的不平衡度。对于没有多径传播的理想情况下,采用十单元的阵列天线将使上下行链路的不平衡度减少至3dB。
另一方面,由阵列天线获得的SNR的提高可以等效为基台服务范围的增加。对于m单元的阵列天线与单天线相比,其基台服务范围增加m1/α倍。
当然,上述分析是理想情况下的。但在实际的移动通信系统中,同波道干扰和多径传播与噪声相比,是影响系统性能的更为重要的因素。同时智能天线也能改善系统的SINR。当-90dBm的直射信号与-95dBm的干扰分别以不同角度入射到天线阵列时,假设系统噪声为-120dBm,此时系统SINR大约为5dB。采用十单元的直线阵列天线后,干扰信号将受到抑制,系统的SINR可以提高到40dB。如图3所示。
对于由移动用户附近形成的时间选择性衰落信号,其到达天线阵列的入射角分布较集中。智能天线则很难处理,此时宜采用时域的处理方法,例如RAKE接收机。
对于空间选择性衰 落信号,用智能天线来处理则具有很大的优势。一种简单的算法是将除直射信号以外的多径信号视为干扰加以抑制。另一种更为有效的方法,是分离出各
径信号并按照一定的准则优化合并。当然这是以设备的复杂性为代价的。
因此,在上行链路中应用智能天线可以提高系统的SINR,增加小区服务范围,减小移动台的发射功率。
智能天线既可在上行链路中单独使用,也可在上下行链路中同时使用。在下行链路中采用智能天线的最大优点在于,把基台盲目的、广播式的变为定向的信号传递。采用智能天线以后,一方面可以简化基台的设备,例如:过去基台要发射100W的功率则需要100W的功放,当采用十单元的天线阵列后,每单元只需1W的功放来激励。要知道100W的功放与1W的功放,无论是在价格还是性能上都有很大的区别。另一方面更为重要的是,定向传播将极大地减小基台对其他用户的人为的干扰,净化电磁,从而提高了系统容量。这一点具有十分重要的意义。需要指出的是,由于在FDMA系统中,上下行链路采用不同的频率。因此由上行链路得到的用户空间信息不能简单拷贝到下行链路。这时需要复杂的上下行链路分配方案。因此在下行链路中应用智能天线可以提高系统容量,简化基台设备。
多径衰落是影响无线系统的关键因素之一。对此,人们做了大量的尝试并提出许多有效的方案。例如:分集技术、RAKE接收机、自适应滤波等等。而智能天线则从空间域的角度提供了一条新途径。智能天线能分辨出直射信号与各径多径信号,这是传统的抗多径技术无法得到的。如何与现有的抗多径技术相结合,较好地解决多径传播是智能天线研究的另一个重要的研究课题。
同时智能天线在网络上也有十分突出的特点。由于智能天线具有测向功能,因此利用相邻小区基台得到的方向信息,可以确定用户在小区的位置,为实现正确切换提供更可靠的依据。小区采用智能天线后,可以根据移动用户与基台的距离,自适应调整基台的功率增益来简化移动用户的功率控制和克服远近效应。
四、小 结
智能天线是第三代移动通信(3G)不可缺少的空域信号处理技术。归纳起来,智能天线具有以下几个突出的优点:
1.具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并自适应实时地跟踪信号。同时还能把零响应点对准干扰信号。
2.提高输入信号的信噪比。显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也就是获得阵列增益。
3.能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗多径衰落和同波道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。提高了接收机的载干比。
4.增强系统抗频率选择性衰落的能力。因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。
5.可以利用智能天线,实时监测电磁环境和用户情况来提高网络的管理能力。
6.智能天线能自适应调节天线增益,较好地解决远近效应问题,为移动台的进一步简化提供了条件。越区切换是根据基台接收的移动台功率电平来判断的,而阴影效应和多径衰落常导致错误的跨区转接,增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。在相邻小区应用智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
智能天线的诱人的应用前景在于,以较低的设备复杂性来获取系统容量和抗多径衰落能力的提高。同时,寻找实时高效的快速算法并用DSP或ASIC加以固化是智能天线技术得到广泛应用的前提条件。
参考文献
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