智能天线的发展及在TD-SCDMA中的应用

2007-08-03 11:06:48来源: 网络与通信
1、智能天线的提出

智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的,是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。它利用信号传输的空间特性,从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号,从而控制天线阵的方向图,达到增强所需信号、抑制干扰信号的目的;同时它还能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化,自动调整天线阵的方向图,实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的,达到最佳收发信号,实现动态“空间滤波”的效果。采用智能天线的目的主要有以下3点:a)通过提供最佳增益来增强接收信号。b)通过控制天线零点来抑制干扰。c)利用空间信息增大信道容量。

最早的智能天线是出现在20世纪50年代的旁瓣对消天线,这种天线包含一个用于接 收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。将几个这样的环路组合成阵列天线,就构成自适应天线。随着阵列信号处理技术的发展,与智能天线有关的术语也越来越多,如智能天线(intelligent antenna)、相控阵(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空间处理(spatial processing)、数字波束形成(digital beam forming)、自适应天线系统(adaptive antenna system)等,反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。但总的来说,智能天线主要包含两类:开关波束系统和自适应阵列系统。两者中,只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时,识别、跟踪和最小化干扰信号。

2、智能天线的发展现状

早期智能天线的研究主要集中在军事领域,尤其是雷达领域,目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后,智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者,日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划,这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。

2.1 日本的智能天线发展

日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年,研究人员已经指出基于最小均方误差(MMSE)准则的自适应天线能够减小多径衰落,因而可以用于高速移动通信应用中。自此,日本学者展开了大量的针对移动通信环境的智能天线研究,包括自适应处理算法、数字波束形成方案、WCDMA 中的多址干扰抑制方法,以及基站和移动终端上分别适用的智能天线类型等。其中,较早的有日本邮政电信部通信研究实验室的智能天线系统和NTT- DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA体制的智能天线实验系统。前者工作于1.5 GHz,针对TDMA方式采用GMSK调制,数码率可达256 kbps。系统利用4阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落,权值更新采用恒模(CMA)算法在东京进行的实验表明:自适应天线技术在无线高速数据传输和存在选择衰落的情况下仍能很好地对消多径时延信号。后者则采用2D-RAKE接收机结合MMSE自适应波束形成算法进行处理。实验系统有3个小区基站用以评估切换和其他的网络功能。实验结果表明,就平均误码率(BER)而言,智能天线比空间分集有明显改善。

此外,日本ATR光电通信研究所也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。阵元组件接收信号在经过低噪声放大、下变频和模数变换后,进行快速傅氏变换(FFT)处理,形成正交波束后分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集(MRC)算法。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用最大比值合并算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。在此基础上,ATR的研究人员提出了基于智能天线的软件天线概念:根据用户所处环境不同,影响系统性能的主要因素(如噪声、同信道干扰或符号间干扰)也不同,利用软件方法实现不同环境应用不同算法。比如当噪声是主要因素时,则使用多波束MRC算法,而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束 CMA算法,以此提供算法分集,利用FPGA实现实时天线配景,完成智能处理。

随后,ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨,最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合,在天线处实现了空间滤波。

2.2 欧洲的智能天线发展

欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术研究,称为TSUNAMI。实验评测了采用MU-SIC算法判别用户信号方向的能力,同时,通过现场测试,表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用,而市区环境则更适合采用简单的直线阵。

此后,欧洲通信委员会(CEC)又在ACTS计划中继续进行了第二阶段智能天线技术研究,即TSUNAMIⅡ,旨在考察第三代移动通信中采用智能天线系统的可行性和具体优势。通过大量宏蜂窝和微蜂窝的实验,用以验证智能天线系统在商用网络中的工作情况。通过对两套系统收发性能的比较,证实了实际的智能天线方向图与理论方向图的一致性,实际所能达到的干扰抑制能力与理想的干扰抑制能力相差通常在2dB以内。实验结果同时也说明,智能天线系统在郊区宏蜂窝环境下的干扰抑制水平比较理想,而在市区微蜂窝环境下的干扰抑制能力则与环境杂波有关。

2.3 其他国家的智能天线发展

ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司也研制出应用于无线本地环路(WLL)的智能天线系统。该产品采用可变阵元配置,有 12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用,在日 本进行的现场实验表明,在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高4倍。此外,ArrayComm公司还研制出用于GSM、PHS和无线本地环路的IntelliCell天线,目前该天线已经在全球多个国家投入实用。除ArrayComm以外,美国 Metawave公司、Raython公司以及瑞典Ericsson公司都有各自的智能天线产品,这些智能天线系统都是针对移动通信开发的,用于GSM、 TDMA或者CDMA。由我国提出的具有自主知识产权的3G标准之一的TD-SCDMA之中就明确规定要采用智能天线。

3、智能天线的分类

智能天线是通过反馈控制自动调整自身天线波束的自适应天线,主要用途是自适应抗干扰,是其它抗干扰方法不能取代的有效的空域抗干扰措施。只要干扰与有用信号来向有所不同,自适应天线系统就能有效地发挥作用。按实现形式智能天线可分为3类。

1)自适应调零智能天线

它是以自适应天线技术为基础,采用自适应算法形成方向图。自适应调零智能天线的基本原理就是根据天线的输入、输出特性,按一定的算法准则自动地调节天线阵元的幅度和相位加权,在干扰方向上形成零陷,而在信号入射方向上增益最大,从而大幅度降低干扰电平,提高系统的信噪比。从空间响应看,其自适应天线阵列是一个空间滤波器,在通信中天线的物理位置不作改变,但信号检测与处理系统却可以判断出干扰与信号的来向,自适应地改变天线的方向图,并将零陷方向对准干扰,主瓣对准要接收的信号。但因系统方向图主瓣宽度是由天线阵列口径决定的,所以自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。

2)等旁瓣针状波束智能天线

它也是以自适应天线技术为基础,但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图,且方向图的加权值是预先计算好的。系统工作时,首先通过测向确定信号的到达方向(DOA),选取合适的加权,然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向,从而提高接收信噪比。这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰,可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制,但对处于主瓣区域内的干扰,采用此类智能天线将无法抑制,不及自适应智能天线。但等旁瓣智能天线无需迭代,而且响应速度快。

3)数字波束形成智能天线

它运用数字波束形成(DBF)技术,将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。系统需要有一个基准信号,工作时利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号,当基准信号到达波束形成自适应天线阵时,便给信号处理器提供一个方向信息,将各阵元的接收信号转换到基带,由A/D转换器转换成数字信号,然后根据方向信息对数字信号进行加权处理,从而在此方向上形成所需的波束。

4、智能天线的优点

在移动通信系统中,由于障碍物的反射,信号会在发射机和接收机之间多次传播从而形成多径传播。这是移动通信中存在的主要问题,被称为时延扩展(delay spread)。由于多径信号到达接收机的时间不同,因此多径传播将导致符号间干扰,将会严重地影响通信链路的质量。另一方面,共信道干扰是无线系统容量的主要限制因素,它将影响用户对有效网络资源(频率、时间)的重用。

智能天线对信号多径具有抑制作用。在CDMA中,当信号的多径时延大于一个码长时,这条多径就与原信号不相关。智能天线的原理是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,即智能天线把与主径不相关的多径当作干扰进行抑制。智能天线通过利用多径可以改善链路的质量,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。智能天线的优点可以归纳如下。

1)增加覆盖范围

在接收端由于天线阵列对信号进行相干接收,这样就会产生阵列或波束成形增益,该增益与接收天线的数目成正比;增加覆盖范围可以改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量。

2)降低功率/减小成本

智能天线可以对特定用户的传输进行优化,这样就会使发射功率降低,从而降低放大器的成本,也可以延长移动台的使用寿命。

3)改善链路质量/增加可靠性

由于通过独立的衰落路径可以接收到独立的信号副本,而在这些信号副本中一般会有一个或者多个副本没有受到衰落,这样多个独立的维数就会减小信号波动的影响,产生分集。分集的形式包括时间分集、频率分集、码分集和空间分集等。当用智能天线对空间域进行抽样时就会产生空间分集。在非频率选择性衰落的多输入多输出(MIMO)信道中,最大的空分集阶数等于发射天线数目和接收天线数目的乘积。多个发射天线通过采用 特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集,而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。这样可以提高信号接收质量降低掉话率从而提高语音质量。

4)增加频谱效率

通过不同方法精确地控制发射功率就会降低干扰,从而增加使用同样资源的用户数目,大大增加系统容量。通过波束成形技术可以产生一种新的多址接入方式——空分多址(SDMA)。SDMA可以实现资源的重用,增加数据速率,从而增加频谱效率,该增益也被称为空间复用增益。通过利用多个独立的空间维数来同时传送数据,在MIMO系统中,这种独立的空间维数被称为MIMO信道特征模式。在不相关瑞利衰落MIMO信道中,其信道容量与收发天线数目的最小值成正比。

5、智能天线的工作原理及在3G中的应用

5.1 智能天线的组成及工作原理

天线主要由高频处理部分、中频处理部分、波束形成部分组成。天线接收的信号经过高频/中频处理放大,以满足A/D变换的要求,然后进入专用数字处理器即数字调谐器,变换为窄带信道的零中频复包络信号,此信号经过数字波束形成器处理,计算出所需信号和干扰信号的到达时间(TOA)、角度,完成信号合成。发送信号可根据接收信号得到的参数,进行相反的处理。

由于天线有发射和接收两种工作状态,所以智能天线包括智能发射和智能接收两部分,它们的工作原理基本相同。智能接受时,自适应天线阵能在干扰方向未知的情况下对阵列中各个阵元的信号输入进行自适应的加权调整,使阵列天线方向图的零点对准干扰方向调零,以减小甚至抵消干扰信号,从而达到从混合的接收信号中解调出期望得到的信号的目的。即使在干扰和信号同频率的情况下,也能成功地抑制干扰。如天线的阵元数增加,还可增加零点数来抑制不同方向上的几个干扰源,实际效果可达25dB~30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动目标,同时抑制来自窄波束以外的干扰和噪声,使系统处于最佳状态。智能发射时,根据从接收信号中获取的UE信号方位图,自适应地调整每个辐射阵元输出的幅度和相位,使得他们的输出在空间叠加,产生指向UE的赋形波束。

5.2 智能天线在TD-SCDMA中的应用

WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术,但由于其算法复杂度高,目前在IMT-2000家族中,只有TD-SCDMA 技术明确表示将在基站端使用智能天线。对于系统基站而言,智能天线技术在3G中的应用主要体现在两个方面,即基站的收和发,具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早,因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中,可根据一定的自适应算法对空、时域处理的各组权值系数进行调整,并与当前传输环境进行最大限度的匹配,从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值,但在实际工程中,由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时,更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式。因为波束切换中的各权值系数只能从预先计算好的几组中挑选,因此计算量、收敛速度等方面较全自适应方式有优势。然而在这种方式下由于智能天线的工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择,因而它不能完全实现自适应性的任意指向,在理论上并不是最优的。实现基站智能天线下行发射难度相对较大,主要因为智能天线在设计波束时很难准确获知下行信道的特征信息。目前在这方面主要有下述两种方案。

a)利用类似第二代移动通信的IS-95中的上行功率控制技术形成闭环反馈测试结构形式,也就是说基站通过正向链路周期性地向移动台发射训练序列,而移动台通过反向链路反馈信号,从而估计最佳正向链路加权系数。

b)利用上行信道中提取的参数估计下行信道。这种方法实际上就是智能天线依靠从上行链路中提取的参数来对下行波束赋形,对于FDD方式,由于上下行频率间隔相差较大,衰落特性完全独立因而不能使用。但对于TDD方式,上下行时隙工作于相同频段,只要上下行的帧长较短完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。TD-SCDMA系统将一个10ms的帧分裂成两个5ms的子帧,缩短了上、下行的转换时间。

TD-SCDMA系统综合了FDMA、TDMA、CDMA以及TDD模式中联合检测与智能天线等先进技术。其基本技术特征之一是在TDD模式下,采用周期性重复的时间帧传输基本的TDMA突发脉冲,通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输,在保证高频谱效率的同时,又获得了经济效益。

6、结束语

智能天线技术的发展日益加快,应用前景日益广阔是不争的事实。在未来3G网络建设引入智能天线技术,将增加系统在空间上的分辨能力,从更高层次上提高系统对于无线频谱的利用率,提高网络容量。但是智能天线也有一些本身无法解 决的问题,主要是当时延超过码片宽度时产生的多径干扰和高速移动时产生的多普勒效应造成的信道恶化。因此,在多径干扰严重的高速移动的情况下,智能天线必须和其他抗干扰的数字信号处理技术同时使用,才可能达到最佳效果。

关键字:入射  干扰  信道  增益

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