第九章--智能天线与软件无线电技术.docVIP

第九章 智能天线与软件无线电技术 9.1 智能天线技术 9.1.1 智能天线基本概念与发展过程 智能天线（Smart Antenna）可定义为：天线阵+智能算法。其中，智能算法的作用是根据不同的无线电传播环境，调整天线波束，以达到提取期望信号、抑制干扰和滤除噪声的目的。智能天线的本质是一种自适应空分多址技术（SDMA），智能天线+软件无线电（Software radio）技术是未来无线通信的发展方向。智能天线的发展过程如下： （1）智能天线的概念最早源于雷达和声纳系统中采用的阵列天线。 （2）阵列天线根据波束形成方式的不同，又可分为模拟波束成形和数字波束成型两种。模拟波束成形一般可用于中频、射频直接成形，实现难度大、精度低，而数字波束成形一般在中频以下，实现方便、精度高。现阶段移动通信中的智能天线就属于这一类。数字波束成形的发展方向是在射频实现。 （3）智能天线技术中，将中频和射频看作是一个线性系统的信道，为了实现在基带数字信号处理与最终的射频调整的一致性和等效性，要求中频和射频系统有较高的线性度。 （4）自1959年Van Atta提出自适应天线阵列的概念以来，到目前已经历了45年发展历程，可分为5个阶段： a.1964年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在自适应波束的控制上。例如，自适应相控制阵列天线和自适应波束操纵天线等。 b.1976年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在自适应零陷控制上。例如，自适应滤波、自适应调零、自适应旁瓣对消和自适应杂波控制等。 c.1986年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在空间谱估计上。例如，最大似然谱估计、最大熵谱估计和空间正交谱估计等。 d.1997年Godara对智能天线在移动通信中的应用进行了综述。 e.2002年Reed出版了专著，首次从无线电工程的角度全面介绍了软件无线电设计方法学，提出了图9.1所示的软件无线电模型，明确了智能天线在未来无线通信发展中的作用。 图9.1 软件无线电模型图 9.1.2 智能天线提高移动通信的性能 智能天线能够通过波束形成、空时均衡或分集处理来提高移动通信的性能。 1.波束形成 智能天线通过波束形成能够降低同信道干扰，并且增大对期望信号的增益，从而获得比传统天线更好的性能。 图9.2清楚地表明，智能天线使用波束形成来改变阵列的方向性，能够获得比全向天线更有效的抑制同信道干扰的能力。图9.2 波束形成天线抑制通信道干扰示意图图9.3b表明，智能天线由于天线的分集作用，减少了来自相邻小区的干扰。图9.3c表明，智能天线采用SDMA技术，在同一小区可采用相同载频分别向4个独立方向辐射不同的波束, 这些不同波束分别支持相同小区的4图9.3 智能天线减弱来自相邻小区的干扰 图9.2 波束形成天线抑制通信道干扰示意图 个用户，增加了移动通信系统的容量。利用4单元天线和功率控制技术增加CDMA网络容量的仿真结果见图9.4。 图9.4 智能天线技术增加CDMA网络的容量 2.空时均衡 频率选择性衰落是限制无线通信系统数据传输速率提高的一个主要因素。当无线电波在多径环境中传播时，接收信号会引入频率失真，这种失真将产生码间干扰（ISI）。信道均衡能够减少ISI，但是随着多径延时的增加，信道均衡变得更困难。但是, 通过空时处理，天线阵能够在空间上和时间上同时分离多径信号，从而提高均衡性能。图9.5给出了一个通用二维RAKE接收机的结构框图，它可以更好地抗多径衰落。上图中只用一副天线，去掉波束形成器就是传统的一维RAKE接收机。 3.分集 多径衰落是降低无线通信系统可靠性的一个主要因素。当使用单个天线，并且出现多径现象时，接收信号的幅度将随时间发生波动，如果进入深度衰落，传输就不可靠。虽然采用前向纠错（FEC）编码技术可以克服衰落，但这种技术降低了信息传输速率。另一方面，通过简单地将阵列天线单元间隔排列得足够远，每个单元天线经历的衰落过程就变得不相关了，阵列天线输出的信号无深度衰落，无线电传输的可靠性增强了。 图9.5 二维RAKE接收机9.1.3 智能天线在移动通信中的应用 图9.5 二维RAKE接收机 1.智能天线在2G中的应用 由于2G在制定规范时没有考虑采用智能天线，所以前述的智能天线无法直接应用于2G中，但可采用开关波束天线、扇区赋形天线和扇区深赋形天线等技术来改善目前2G网络的覆盖质量和提高系统容量。 开关波束天线阵系统的结构见图9.6。开关波束天线阵具有多个固定波束，这些波束能自动跟踪手机位置变化，并能在多个波束之间进行切换。假定将每个扇区用4个窄波束来覆盖，此时系统的干扰会降低四分之一。开关波束天线只适用于GSM，不适用于CDMA。主要原因是：同步问题难以解决；波束切换会产