智能天線研究論文
時間：2022-01-28 09:01:00
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智能天線綜合了自適應(yīng)天線和陣列天線的優(yōu)點,以自適應(yīng)信號處理算法為基礎(chǔ),并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元,它已成為一個具有智能的系統(tǒng)。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎(chǔ),在取得電磁信息之后,使用人工智能的方法進行處理,對電磁環(huán)境做出分析、判斷,并自動調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達到最佳。依據(jù)天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態(tài)相控陣列和自適應(yīng)陣列3類?？勺儾ㄊ炀€依據(jù)接收功率最大原則,在幾個預設(shè)陣列波束中進行切換;動態(tài)相控陣列使用測向算法,能夠連續(xù)追蹤用戶的方向而改變天線的波束,使接收功率達到最大;自適應(yīng)陣列既對用戶進行測向,又對各種干擾源進行測向,在形成波束時,不僅使接收功率最大,而且使噪聲降到最低,從而使接收信噪比最高。
智能天線的發(fā)展可分成3個階段:第1階段是應(yīng)用于上行鏈路,通過使用智能天線增加基站的接收增益,從而使接收機的靈敏度和接收距離大大增加;第2階段是將智能天線技術(shù)同時應(yīng)用于下行鏈路,在智能天線應(yīng)用于下行鏈路后,能夠控制波束的發(fā)射方向,從而有助于頻率的復用,提高系統(tǒng)的容量;最后一個階段是完全的空分多址,此時在一個蜂窩系統(tǒng)中,可以將同一個物理信道分配給不同的用戶,例如,在TDMA中,可以將同一小區(qū)內(nèi)同一時隙同一載波同時分配給兩個用戶。
2智能天線的組成和關(guān)鍵技術(shù)
智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數(shù)據(jù)采集、信息處理3部分。在移動通信系統(tǒng)中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關(guān)鍵。天線單元不僅要達到本身的性能指標,還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點。目前微帶天線使用較多。
接收通道及數(shù)據(jù)采集部分主要完成信號的高頻放大、變頻和A/D轉(zhuǎn)換,以形成數(shù)字信號。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對高射頻信號和微波信號進行采樣,必須對信號進行下變頻處理,降低采樣速率。
信息處理部分是智能天線的核心部分,主要完成超分辨率陣列處理和數(shù)字波束形成兩方面的功能。進行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號的參數(shù),這些參數(shù)主要包括信號的數(shù)目、信號的來向、信號的調(diào)制方式及射頻頻率等,其中信號的來向?qū)τ趯崿F(xiàn)空分多址和自適應(yīng)抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率測向算法中,MUSIC算法及其改進算法一直占據(jù)主導地位,它不受天線陣排陣方式的影響,只需經(jīng)過一維搜索就能實現(xiàn)對信號來向的無偏估計,并且估計的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法來解決移動通信中的測向問題也得到了廣泛的研究。數(shù)字波束形成主要通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來達到增強有用信號和抑制干擾的作用,它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據(jù)所需先驗知識的不同,目前的波束形成算法主要有3類:以信號來向為先驗知識,如LCMV算法;以參考信號為先驗知識,包括LMS算法及其改進算法NLMS、RLS等;不需要任何先驗知識,如CMA算法。由于移動通信環(huán)境復雜,各種算法也有各自的優(yōu)缺點,因此系統(tǒng)中必須對多種算法取長補短,才能達到最佳效果。
3智能天線的特點和優(yōu)勢
(1)提高系統(tǒng)容量
在蜂窩系統(tǒng)中,用戶的干擾主要來自其他用戶,而智能天線將波束零點對準其他用戶,從而減少了干擾的影響。由于系統(tǒng)提高了接收信噪比,因此減少了頻譜資源的復用距離,從而獲得了更大的系統(tǒng)容量。
(2)擴大小區(qū)覆蓋距離和范圍
使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率,進一步擴大基站的通信距離,減少功率損失,從而延長電池的壽命,減小用戶的終端。
(3)減少多徑干擾影響
智能天線使用陣列天線,通過利用多個天線單元的接收信息和分集技術(shù),可以將多徑衰落和其他多徑效應(yīng)最小化。
(4)降低蜂窩系統(tǒng)的成本
智能天線利用多種技術(shù)優(yōu)化了信號的接收,從而能夠顯著降低放大器成本和功率損耗,提高系統(tǒng)的可靠性,實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本。
(5)提供新服務(wù)
智能天線在使用過程中必須對用戶進行測向,以確定用戶的位置,從而為用戶提供基于位置信息的服務(wù),如緊急呼叫等。目前,美國聯(lián)邦通信委員會已準備實施用戶定位服務(wù)。
(6)更好的安全性
使用智能天線后,竊聽用戶的通話將會更加困難,因為此時盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。
(7)增強網(wǎng)絡(luò)管理能力
利用智能天線可以實時檢測電磁環(huán)境和用戶情況,從而為實施更有效的網(wǎng)絡(luò)管理提供條件。
(8)解決遠近效應(yīng)問題和越區(qū)切換問題
智能天線可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線增益,較好地解決了遠近效應(yīng)問題,為移動臺的進一步簡化提供了條件。在蜂窩系統(tǒng)中,越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動臺的功率電平來判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑衰落的影響常常導致越區(qū)轉(zhuǎn)接,增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負荷和用戶呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線技術(shù),可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度,為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。
4智能天線的技術(shù)現(xiàn)狀
在分析智能天線理論的同時,國內(nèi)外一些大學、公司和研究所分別建立了實驗平臺,將智能天線應(yīng)用于實踐中,并取得了一些成果。
(1)美國
在智能天線技術(shù)方面,美國較其他國家更加成熟,已開始投入實際應(yīng)用中。美國的ArrayComm公司發(fā)展了針對GSM標準和日本PHS標準的智能天線系統(tǒng)。該公司已將智能天線應(yīng)用于基于PHS標準的無線本地環(huán)路中,并投入了商業(yè)運行。該方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同的環(huán)境選用,現(xiàn)場實驗表明,在PHS基站采用智能天線技術(shù)可使系統(tǒng)容量增加4倍。
(2)歐洲
歐洲通信委員會在RACE計劃中實施了第一階段的智能天線技術(shù)研究,稱為TSUNAMI,由德國、英國、丹麥和西班牙共同合作完成。它采用DECT標準,射頻頻率為1.89GHz,天線由8個微帶貼片組成。陣元距離可調(diào)、組陣方式可變,有直線型、圓環(huán)型和平面型3種形式。數(shù)字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,它在軟件上分別由MUSIC算法、NLMS、RLS完成測向和求得最佳的加權(quán)系數(shù)。在典型的市區(qū)環(huán)境下進行實驗表明,該智能天線能有效跟蹤的方向分辨率大約為15°,BER優(yōu)于10-3。
(3)日本
ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率為1.545GHz。陣元組件接收信號在A/D變換后,進行快速傅氏變換,形成正交波束后分別采用恒模算法或最大比值合并分集算法,數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線概念。
(4)其他國家
我國的信威公司也將智能天線應(yīng)用于TDD方式的WLL系統(tǒng)中。該智能天線采用8陣元的環(huán)形自適應(yīng)陣列,射頻工作于1785~1805MHz,采用TDD工作方式,收發(fā)間隔為10ms,接收機靈敏度最大可提高9dB。此外,愛立信公司與德國運營商也將智能天線應(yīng)用于GSM基站上,但該天線的智能化程度不高。韓國、加拿大等國也開展了智能天線方面的研究。
(5)用于衛(wèi)星移動通信的智能天線
上文主要介紹了基于蜂窩系統(tǒng)的智能天線,另外還有一種用于L衛(wèi)星移動通信的智能天線。該天線采用了由16個環(huán)形微帶貼片天線組成的一個4×4的方形平面陣,它的射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A/D變換器的采樣速率和分辨率分別為128kHz和8位。在數(shù)字信號處理部分,選用了10個FPGA芯片,其中8個用于16個天線支路的準相干檢測和快速傅里葉變換,另外2片則起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應(yīng)算法則選擇了CMA。系統(tǒng)的外場測試表明,它能產(chǎn)生16個波束來覆蓋整個上半空間,并且不需要借助于任何傳感器,就能用最高增益的波束來自動捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號,從而在各種復雜的環(huán)境下均能提供比采用其他天線要高得多的通信質(zhì)量。
5智能天線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向
智能天線系統(tǒng)在改善性能的同時,也增加了收發(fā)機的復雜度。因為要對每個用戶進行定位,并且波束形成的計算量很大,所以智能天線系統(tǒng)中有多個計算單元和控制單元。在實施SMDA時,資源管理也成為一個必須關(guān)注的問題。作為一種新的多址方式,在頻譜分配和移動性管理上也提出了新的問題,將會對網(wǎng)絡(luò)管理提出更多的需求。此外,目前智能天線的物理尺寸較大,不利于構(gòu)建更小的基站。
智能天線形成下行波束較為困難,因為對下行鏈路的信道響應(yīng)缺少短時先驗知識,而無線信道的信道狀況變化極快,使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號的變化。接收和發(fā)送鏈路中器件的線性特性對系統(tǒng)的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運算量很大,對器件、時間和功率的要求比較高,因此研究高效的優(yōu)化算法對提高系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
到目前為止,還沒有一個完整的智能天線系統(tǒng)理論,而智能天線今后的研究必須同一些相關(guān)技術(shù)聯(lián)系,如與多用戶檢測、多用戶接收和功率控制等結(jié)合在一起。目前的智能天線多用于基站系統(tǒng),今后還可以研究基于移動臺的智能天線。在信號處理部分,目前多采用自適應(yīng)信號處理算法,尚未將人工智能方法應(yīng)用于其中,同時還可嘗試將智能計算的一些方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和進化計算等用于智能天線系統(tǒng)中。
論文關(guān)鍵詞：智能天線空分多址自適應(yīng)天線陣列
論文摘要：主要介紹了智能天線的提出背景、基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)點以及國外的研究進展情況,最后指出了智能天線的發(fā)展方向。