论文天线研究的新进展

智能天线采用空分复用(SDMA)方式,利用信号在传播路径方向上的差别,将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低,将同频率、同时隙信号区别开来,和其他复用技术结合,最大限度的利用频率资源。智能天线基于自适应天线阵原理,利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束,并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户,达到提高信号SINR(最大信噪比)、增加系统容量的目的。采用智能天线技术实际上是通过数字信号处理使天线阵为每个用户自适应地进行波束赋形,相当于为每个用户形成了一个可跟踪的高增益天线。因此天线的增益不再与用户所处的位置有直接关系,用户所在方向上的增益总是最强而其他方向上的增益大大减小。由于其体积及计算复杂性的限制,目前仅适用于在基站系统中的应用。智能天线包括两个重要组成部分一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角AOA(AngleOfArrival)的估计,并进行空间滤波,抑制其他移动台的干扰;二是对基站发送信号进行波束成型,使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台,也就是信号在有限的方向区域发送和接收。充分利用了信号的发射功率,从而降低发射功率,减少对其他移动台的干扰。从需求的角度，随着全球移动用户数量的快速增长，对于移动通信系统的需求越来越大，甚至出现容量不足的问题。增加系统容量的需求推动了数字蜂窝的开发。在数字移动通信系统中有三种基本的多址接人方式：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。它们分别在频域、时域和码域上实现用户的多址接入，而空域资源尚未得到充分的利用。智能天线正是致力于空域资源的开发，是一种解决目前频谱资源匮乏，无线系统容量不足的有效途径。从技术发展的角度，随着电磁学和信号处理技术的发展，近20年来自适应阵列的研究工作取得了很大进展。20世纪90年代以来，阵列处理被引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点——智能天线(smartantenna)。智能天线是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，达到提高信号干扰噪声比SlNR(Signal—to—InterferenceandNationRatio)，增加系统容量的目的。采用智能天线技术，实际上是通过数字信号处理，使天线阵为每个用户自适应地进行波束赋形，相当于为每个用户形成了一个可跟踪他的高增益天线，从而既可以进行全方位通信，又可以用较小的发射功率覆盖相同的范围。对于移动通信系统，一般只考虑在基站使用智能天线。这主要是因为CDMA系统的反向链路是弱链路，基站接收的每个用户信号不仅受到本小区的前向链路使用用户受到的干扰较小。在基站用智能天线的另一个原因是基站对天线阵列的功率、体积等没有严格的限制，而移动用户则不然。通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号的发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。具体而言，智能天线将在以下几个方面提高未来移动通信系统的性能：第一，扩大系统的覆盖范围；第二，提高系统容量；第三，提高频谱利用率；第四，降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。在CDMA系统中能够比较容易的产生与期望信号密切相关的参考信号，这是许多智能算法实现所必须的，因此，智能天线技术比较适用于CDMA移动通信系统。测信号的强度，从一个波束切换到另一个波束，通过区域选择来实现对用户的大致跟踪。可以认为预多波束系统是对移动通信环境在波束空间的部分自适应。而自适应阵列系统则实现了对移动通信环境在空间域上的完全自适应。自适应天线技术通过自适应信号处理算法，使天线阵实时地产生定向波束准确地指向移动用户，从而实现对各移动用户的自动跟踪和定位，有效地抑制了干扰信号，同时增强了对有用信号的接收。自适应天线系统不用预先形成固定波束，而是根据信号环境的改变实时地调整波束方向，这显然比波束切换系统的性能要好，但是实现上的复杂度也相对较高。而预多波束系统与阵元空间的完全自适应相比尽管有一定的性能损失，但由于其实现的简单而受到了一定的重视。 智能天线主要用途和应用进展 智能天线可以多址干扰，而且受到相邻小区用户的干扰，相比之下明显改善无线通信系统的性能，提高系统的容量。具体体现在下列方面：一、提高频谱利用率 采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。二、迅速解决稠密市区容量瓶颈 未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。三、抑制干扰信号 智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统，信干比的提高还意味着系统容量的提高。四、抗衰落高频 无线通信的主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。五、实现移动台定位 采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。