3G之智能天线
智能天线
刘林南 博士
智能天线技术
引言
智能天线的形式
智能天线的结构
智能天线的信号模型
智能天线的赋形
智能天线在3G中的应用
智能天线的现状及展望
引言
智能天线的基本思想；
空分多址的概念；
智能天线和自适应天线的区别。
智能天线的基本思想
天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户；
接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制；
发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小；


空分多址的概念
与传统的频分多址（FDMA）、十分多址（TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分不同用户；
在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路径来区分；
空分多址的概念
SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空时－码分多址（SD-CDMA）；
智能天线与传统天线在概念上的区别，智能天线理论支撑是信号统计检测与估计理论，信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
智能天线和自适应天线的不同
智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统，其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收，还包括智能发射；
智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。
智能天线的形式
根据工作方式的不同：
欲多波束或切换波束系统；
自适应阵列系统；
根据波束形成的不同：
阵元空间处理方式；
波束空间处理方式；
切换波束系统

自适应阵列系统

阵元空间处理方式
阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各种阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。
波束空间处理方式
包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束；
第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理；
计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能，是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
智能天线的结构
典型阵列；
结构原理；
系统组成。
典型阵列
均匀线阵；
随机分步线阵；
十字阵；
圆阵；
面阵，等。
结构原理图

智能天线的系统组成
天线阵列：
天线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；
模数转换：
接收链路：模拟信号 → 数字信号
发射链路：数字信号 → 模拟信号
智能处理：
天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化而自适应地进行调整，包括：
以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数：
以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
智能天线的信号模型

智能天线的信号模型

智能天线的赋形
波束形成技术：
使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高阵列输出所需信号的强度；
零点技术：
使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干扰信号的强度；
空间谱估计技术：
处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction of Arrival）的问题；


智能天线的常用准则
最大信干噪比准则：
最佳加权使得阵列输出信号的信号干扰噪声比最大；
最小均方误差准则：
最佳加权使得阵列输出和有用信号的均方误差最小；
最小方差准则：
最佳加权使得阵列输出噪声的方差最小；
最大似然准则：
经过空时加权后的估计信号与期望信号有最大可能的相似；
智能天线在3G中的应用
欧洲
欧洲通信委员会(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，1995年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。
日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。
中国
ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。
中国的TD-SCDMA是3G中比较明确使用智能天线的方案
智能天线的发展状况
我国已将智能天线技术列入国家863-317通信技术主课题研究中的个人通信技术分项；
我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电技术作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的
美国Metawave公司，ArrayComm公司对智能天线进行了大量研究；
智能天线的研究方向
论证智能天线对通信系统的功效：
对通信系统容量的提高；
抗多径干扰的性能；
提出优化方案和快速算法；



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