智能天线

  是利用数字信号处理技术产生空间定向波束,使天线的主波束跟踪用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,利用多个天线单元空间的正交性和信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,限度地利用有限的信道资源。它在提高系统通信质量、缓解无线通信业务日益发展与频谱资源不足的矛盾以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面,都具有独特的优点。

分类

  智能天线按照类型可以分为全向智能天线阵和定向智能天线阵。

  对于定向智能天线阵来说,包括以下三类测试参数。

  (1)电路参数。包括垂直面电下倾角预设置值、垂直面电下倾角精度、垂直面机械下倾范围;输入阻抗、各单元端口驻波比、相邻单元端口隔离度、每端口连续波功率容量。

  (2)校准参数。包括校准端口至各单元端口的耦合度、校准端口至各单元端口幅度偏差、校准端口至各单元端口相位偏差、校准端口驻波比、校准通道耦合方向性。

  (3)性能参数。包括各单元端口有源输入回波损耗、垂直面半功率波束宽度、垂直面上部旁瓣抑制和下部零点填充;单元波束水平面半功率波束宽度、增益、前后比交叉极化比(轴向)和交叉极化比(±60°范围内);业务波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、水平面旁瓣电平和前后比、广播波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、视轴增益Φ=±60°处电平下降、半功率波束宽度内的电平波动。

  对于全向智能天线阵来说,也可以分为三类测试参数。

  (1)电路参数。包括垂直面电下倾角预设置值、垂直面电下倾角精度;输入阻抗、各单元端口驻波比、相邻单元端口隔离度、每端口连续波功率容量。

  (2)校准参数。包括校准端口至各单元端口的耦合度、校准端口至各单元端口幅度偏差、校准端口至各单元端口相位偏差、校准端口驻波比、校准通道耦合方向性。

  (3)性能参数。包括各单元端口有源输入回波损耗、垂直面半功率波束宽度、垂直面上部旁瓣抑制和下部零点填充;单元波束水平面半功率波束宽度、增益、前后比交叉极化比(轴向)和交叉极化比(±60°范围内);业务波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、水平面旁瓣电平、广播波束视轴增益、方向图圆度。

结构

  主要包括四部分:天线阵列,模数转换,自适应处理器,波束成型网络。

智能天线的结构图

  1、天线阵列部分

  天线的阵元数量与天线阵元的配置方式对智能天线的性能有着重要的影响。

  2、模数转换

  下行是将模拟信号转换成数字信号,上行时将数字信号转换成模拟信号。

  3、自适应处理部分

  自适应处理器是根据自适应空间滤波器/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值。

  4、波束成型网络

  波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生期望的自适应波束。

算法的实现

  智能天线算法主要分为切换波束算法和自适应算法。在TD-SCDMA系统中,2种算法都有应用。TD-SCDMA通过采用波束赋形算法,形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣对准用户信号DOA,旁瓣或零陷对准干扰信号DOA,因此能充分利用移动用户信号并抵消或地抑制干扰信号,从而能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。

  目前比较常用的波束赋形算法有2种:GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法,对于固定位置的用户,其波束指向是固定的,波束宽度也随天线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时,它通过测向确定用户信号DOA,然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权,将方向图的主瓣指向用户方向,从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法,方向图没有固定的形状,随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率的同时,还要满足对其他用户干扰最小。

  自适应算法与切换波束算法相比较,在很多方面诸如:化期望用户接收功率、减少对非期望用户的发射功率以及灵活适应各种不同天线阵列类型更有优势。同时,自适应算法在波束产生上并不拘于固定方向和形状,因而更加灵活并且可以更准确地对用户所在实际位置进行赋形。在多径环境下,指向用户的波束也可能会有多个,其根本目标是提高期望用户的载干比并避免对其他用户形成干扰。综合来看,自适应算法将会是智能天线波束赋形算法发展的方向。

容错性能测试

  不管是全向智能天线还是平面扇区智能天线,由于阵元数量较多,对天线上下行通路性能的实时状态及天线校准(初始校准及周期性校准)指标有严格要求。在实际网络运行中,有可能发生个别天线通路由于硬件或天馈系统损坏而发生故障的情况,所以有必要考虑8阵元天线阵工作在少于额定数量阵元时的性能。智能天线必须保证在只有部分通路工作时的性能仍能达到现网运行基本要求,至少不能因为个别天线通路出现故障而严重降低整体系统性能。

  对于广播波束来讲,其波束赋形在整个网络运行期间要求保持稳定,因为广播波束覆盖实际反映了整个小区形状与大小。根据网络规划原则,小区的覆盖必须在网络运行中保持稳定。在个别天线通路发生故障时,智能天线系统需要根据故障情况动态调整各工作天线的广播权重因子。保证小区形状和大小不发生过度畸变并对故障通路做定期检测。在广播波束的系统设计中,需要根据具体的某个天线通路发生的问题进行实时检测,设计并存储用于容错判决的相关数据并能根据情况正确做出应对。

  对业务波束来讲,如果采用自适应的EBB算法,智能天线能够限度根据算法来自动优化下行波束赋形。不受限于天线数目。但由于阵元数量的减少,天线的赋形性能会不同程度地降低。所以在实际运行中,保持天线系统的运行稳定性尤为重要。

技术优越性

  在移动通信系统中,由于障碍物的反射作用,信号会在发射机和接收机之间多次反射辗转传播从而形成多径传播,被称为时延扩展。由于多径信号到达接收机的时间不同,将导致符号间干扰,将会严重地影响通信链路的质量。

  智能天线对信号的多径传播具有很好的抑制作用。智能天线通过调整不同天线上信号的幅度和相位,使与参考信号强相关的信号增强,抑制与参考信号不相关的信号。智能天线通过抑制信号的多径传播可以改善链路的质量,并通过减小相互干扰来增加系统的容量,并且允许不同的天线发射不同的数据。智能天线还可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益,在干扰源的方向降低增益,增加覆盖范围改善建筑物中的信号接收质量;并且对高速率用户进行波束跟踪,起到空间隔离,消除干扰的作用。采用智能天线还可以提高系统设计时的灵活性。

技术的发展前景

  未来无线系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术,因此未来智能天线设计的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。

  首先,在物理层的可重配置性方面,为了使无线通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中,需要在收发机中采用可重新配置的自适应技术来调节结构,从而获得的性能。

  其次,在不同层之间的优化中,通过由OSI模型定义的高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。可以通过结合物理层、链路层、网络层的参数来设计智能天线,使其具有一定的兼容性。

  智能天线技术在通信系统中的应用逐渐广泛,技术日益成熟,已经成为移动通信系统中有吸引力的技术之一,将在未来的通信发展中发挥更巨大的作用。

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