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智能天線及其在無線通信中的應用
論文關鍵詞：智能天線 無線 應用
論文摘要：智能天線是近年發展起來的,用于提高無線通信系統的容量和抗干擾能力的新技術。本文全面地闡述了智能天線的概念、特點、實現方案和應用前景,同時還給出了智能天線的最新發展動態。
一、引 言
近年來,蜂窩移動通信的發展十分迅速,用戶量呈指數律上升。但是隨著用戶量的大幅度地增長,目前的通信系統正面臨著許多亟待解決的問題。尤其突出的是:信道容量的限制、多徑衰落、遠近效應、同頻道干擾、越區切換、移動臺由于電池容量的功率受限等等。這就迫切需要一種能夠提高系統容量和通信質量的新技術。這就是智能天線得以提出和發展的客觀。
通過分析,我們不難發現頻分多址(FD-MA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CD-MA)分別是在頻域、時域和碼組上實現用戶的多址接入,而空域資源尚未得到充分的利用。智能天線則致力于空間資源的開發,是一條解決目前頻譜資源匱乏的有效途徑。
一般地,智能天線被定義為:具有測向和波束成形能力的天線陣列。實際上,智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關系,也就是利用了信號的相位關系,這是與傳統分集技術本質上的區別。智能天線能識別信號的入射方向( DOA - Direction ofArrival),從而實現在相同頻率、時間和碼組上用戶量的擴展。因此可以把智能天線看作SDMA(Spatial Division Multi-Access)。從技術發展的角度來看,智能天線系統還可以認為是自適應天線在現代移動通信系統中的進一步發展。而早在60年代,自適應天線就開始應用于諸如目標跟蹤、抗信號阻塞等軍事領域中。
智能天線系統致力于提高移動通信系統的系統容量,這在無線電頻譜資源日益擁擠的今天,具有十分重要的現實意義。同時智能天線系統還能提高移動通信系統的通信質量,是一種具有良好的應用前景,但還沒有被人們充分開發的新的技術方案。相對其他技術方案而言,具有省、見效快等優點。目前,世界上許多著名的大學與公司都競相致力于智能天線的開發,例如:Stanford, Erics-son, Northern Telecom, BellSouth, BellAtlantic及ArrayComm。歐洲電信委員會( ETSI - European TelecommunicationsStandards Institute)在其第三代移動通信系統標準中(UMTS - Universal MobileTelecommunication System),明確提出智能天線系統是第三代移動通信系統必不可少的關鍵技術之一。并制定相應的開發計劃,即:TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastruc-ture)。
二、智能天線及其與傳統技術的比較
首先,我們給出智能天線的典型結構,如圖1所示。
智能天線由以下三部分構成:天線陣列,信號合成通道和自適應控制單元。其中,天線陣列是由按某種規律排列的單元天線構成的。常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。信號合成通道則將來自每個單元天線的空間感應信號加權相加,其中的權系數為復數。也就是說,每路信號的幅度與相位均可改變。自適應控制單元是智能天線的核心。該單元的功能是根據一定算法和優化準則主動地去適應周圍電磁環境的變化。
進一步地,我們來推導窄帶假設條件下(信號帶寬的倒數遠小于電磁波波前跨越天線陣列的時間)智能天線的矢量模型。對由m個陣元構成的陣列天線,信號在第i個陣元的響應可表示如下:
其中,L為多徑信號的數目,gi(θl)為以θl角度入射到天線陣列的第l徑信號在第i個陣元上的響應。αl(t),τl分別為第l徑信號的復包絡和時延。u(·)表示經過調制后的信源。定義m維復矢量x(t)和a(θl):
因此天線陣列的輸出響應可以表示為：
其中,αl(t)遵從Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定義為陣列綜合因子,該參數由陣列的幾何結構、各單元的方向圖、單元之間的互耦、鄰近散射體對陣列天線的影響等諸多因素共同決定。u(t)代表發射信號的瞬時結構,在GMSK調制制式中,該函數有如下的表達式:
式中,φ(t)為MSK信號通過Gaussian濾波器后的相位函數。當考慮同波道干擾和熱噪聲時,天線陣列接收到的信號表示如下:
上式第二項為Q-1個干擾源產生的同波道干擾。第三項為零均值加性高斯白噪聲。智能天線的算法直接影響著智能天線的性能。一般地,智能天線的算法可分為單用戶算法和多用戶算法兩大類。在單用戶算法中,把其他用戶產生的干擾等效為加性高斯噪聲。而在多用戶算法中,則需要同時分辨出其他用戶產生的同波道信號,因此多用戶算法是實現SDMA的基礎。智能天線的算法若按照其優化的目標函數可分為基于最大似然序列估計準則的MLSE(Maximum LikelihoodSequence Estimation)算法和基于最小均方誤差準則的MMSE(Minimum Mean SquareError)算法兩類。對GSM或IS-54系統,由于在突發的數據流中包含訓練序列,宜采用有導師的學習算法(Training Signal Method),該算法可以實時反映信道的變化,但卻是以降低頻譜利用率為代價的。而對于非Gaussian信號、恒包絡信號(ConstantModulus)可采用無導師的自學習算法(BlindMethod)。
智能天線 與自適應天線并沒有本質上的區別,但是由于其使用的場合不同而具有顯著的差異:自適應天線主要應用于雷達系統的干擾抵消,一般地,雷達接收到的干擾信號具有很強的功率電平,并且干擾源數目與天線陣列單元數相當。而在無線系統中,由于多徑,到達天線陣列的干擾數目遠大于天線陣列單元數,同時其功率電平一般都小于直射信號。圖2顯示了典型的十單元半波長均勻直線陣列,在不同的應用場合中方向圖的比較(圖中干擾源分別位于±75度和±35度)。
分集接收是無線通信系統常用的抗多徑衰落技術方案。事實上,分集技術利用了陣列天線中不同陣元耦合得到空間信號的弱相關性。常用的分集技術有:空間分集、極化分集、頻率分集和角度分集。N單元的智能天線實質上也可等效為,由N個空間耦合器按優化合并的準則構成的空間分集陣列。從這個意義上講,智能天線是傳統的分集接收的進一步發展。例如:小區的扇區化技術即可認為是一種簡化的固定預分配的智能天線系統。表1對智能天線與分集技術的特點做了詳細比較。
無線通信系統常常要求天線具有窄的主瓣寬度、高增益和低的付瓣電平。但是對一定結構的天線而言,上述兩個要求是矛盾的。事實上,天線陣列的方向圖等于單元方向圖和陣列因子的乘積。因此選取適合的陣列圖案和單元方向圖是智能天線的一個重要研究內容。平面任布陣列是一種具有很強應用背景的實現方案。對于給定陣列單元數量的陣列分布,如果其占據的幾何空間越大,則形成尖銳主瓣波束的能力越強。例如,對一個10單元的直線陣列,當主付瓣功率電平差為40dB時,主瓣寬度為40°。
三、智能天線在無線通信系統中的應用
在傳統的無線通信系統中,由于無法確定移動用戶的位置而不得不采用全向發射天線。實際上只有很小部分的信號被移動用戶截獲,這不僅造成能量的損失,更為嚴重是構成對其他用戶人為的干擾,從而導致系統容量和信干噪比的下降。采用智能天線的目的,就是要在基臺與移動用戶之間建立一條能量相對集中的無線鏈路。為實現上述目標,智能天線系統需完成以下兩大任務:
1.能實時感知電磁,包括DOA測向、譜估計、從接收到的信號中分離出直射信號和多徑信號;
2.后處理過程,包括信道分離、抗多徑干擾和衰落。該處理過程取決于算法的收斂速度和穩定性,以及DSP的處理速度。在此,我們給出表征系統容量的單位:
bit/s/Hz/unit-area。該參數表示在給定發射功率、給定頻譜范圍內信號的傳輸速率。系統容量的提高表現在兩個方面:(1)對于用戶集中的都市區,在給定小區范圍內能容納更多的移動用戶;(2)對于用戶稀疏的郊區,在保證用戶通信質量的前提下,擴大小區的服務范圍。智能天線對系統容量的提高有以下兩條途徑:
1.利用智能天線的波束成形和自適應測向跟蹤能力,實時地形成窄的主瓣波束對準所需信號,在其他方向盡量壓低付瓣增益。以此來代替傳統的全向天線。智能天線提高了接收信號的信干噪比,從而提高了系統容量。此時對應單用戶算法。
2.把智能天線等效為空域濾波器,實現空分多址傳輸,即所謂的SDMA。此時要采用多用戶檢測算法。需要說明的是,SDMA并不是與FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式,而是附加在上述多址方式上的優化方案。
要精確地計算智能天線對系統容量的提高是十分困難的。首先,必須確定小區用戶的分布情況、小區的無線傳播模型、智能天線的方案與算法,并結合具體的通信體制加以討論。目前已有許多文獻進行有益的探索。這是智能天線研究的最重要的課題之一。
下面我們來定性地分析SDMA系統的性能。事實上,目前的移動通信體制基本上都是上行受限的系統。也就是說,上行鏈路與下行鏈路是不平衡的。這是由于基臺和移動臺的結構造成的。例如,假設基臺發射功率為20W,天線增益17dBi,此時基臺為1kWEIRP。而移動臺為1W EIRP,天線增益為0dBi,在此假設條件下,上行鏈路與下行鏈路的不平衡度為13dB。在900MHz或1800MHz頻段,17dBi增益的天線已接近工程應用的上限。因此要縮小上下行鏈路的不平衡度,唯一的方法是減小基臺發射功率。采用智能天線后,能很大程度上緩解上下行鏈路的不平衡度。對于沒有多徑傳播的理想情況下,采用十單元的陣列天線將使上下行鏈路的不平衡度減少至3dB。
另一方面,由陣列天線獲得的SNR的提高可以等效為基臺服務范圍的增加。對于m單元的陣列天線與單天線相比,其基臺服務范圍增加m1/α倍。
當然,上述分析是理想情況下的。但在實際的移動通信系統中,同波道干擾和多徑傳播與噪聲相比,是影響系統性能的更為重要的因素。同時智能天線也能改善系統的SINR。當-90dBm的直射信號與-95dBm的干擾分別以不同角度入射到天線陣列時,假設系統噪聲為-120dBm,此時系統SINR大約為5dB。采用十單元的直線陣列天線后,干擾信號將受到抑制,系統的SINR可以提高到40dB。如圖3所示。
對于由移動用戶附近形成的時間選擇性衰落信號,其到達天線陣列的入射角分布較集中。智能天線則很難處理,此時宜采用時域的處理方法,例如RAKE接收機。
對于空間選擇性衰 落信號,用智能天線來處理則具有很大的優勢。一種簡單的算法是將除直射信號以外的多徑信號視為干擾加以抑制。另一種更為有效的方法,是分離出各
徑信號并按照一定的準則優化合并。當然這是以設備的復雜性為代價的。
因此,在上行鏈路中應用智能天線可以提高系統的SINR,增加小區服務范圍,減小移動臺的發射功率。
智能天線既可在上行鏈路中單獨使用,也可在上下行鏈路中同時使用。在下行鏈路中采用智能天線的最大優點在于,把基臺盲目的、廣播式的變為定向的信號傳遞。采用智能天線以后,一方面可以簡化基臺的設備,例如:過去基臺要發射100W的功率則需要100W的功放,當采用十單元的天線陣列后,每單元只需1W的功放來激勵。要知道100W的功放與1W的功放,無論是在價格還是性能上都有很大的區別。另一方面更為重要的是,定向傳播將極大地減小基臺對其他用戶的人為的干擾,凈化電磁,從而提高了系統容量。這一點具有十分重要的意義。需要指出的是,由于在FDMA系統中,上下行鏈路采用不同的頻率。因此由上行鏈路得到的用戶空間信息不能簡單拷貝到下行鏈路。這時需要復雜的上下行鏈路分配方案。因此在下行鏈路中應用智能天線可以提高系統容量,簡化基臺設備。
多徑衰落是影響無線系統的關鍵因素之一。對此,人們做了大量的嘗試并提出許多有效的方案。例如:分集技術、RAKE接收機、自適應濾波等等。而智能天線則從空間域的角度提供了一條新途徑。智能天線能分辨出直射信號與各徑多徑信號,這是傳統的抗多徑技術無法得到的。如何與現有的抗多徑技術相結合,較好地解決多徑傳播是智能天線研究的另一個重要的研究課題。
同時智能天線在網絡上也有十分突出的特點。由于智能天線具有測向功能,因此利用相鄰小區基臺得到的方向信息,可以確定用戶在小區的位置,為實現正確切換提供更可靠的依據。小區采用智能天線后,可以根據移動用戶與基臺的距離,自適應調整基臺的功率增益來簡化移動用戶的功率控制和克服遠近效應。
四、小 結
智能天線是第三代移動通信(3G)不可缺少的空域信號處理技術。歸納起來,智能天線具有以下幾個突出的優點:
1.具有測向和自適應調零功能,能把主波束對準入射信號并自適應實時地跟蹤信號。同時還能把零響應點對準干擾信號。
2.提高輸入信號的信噪比。顯然,采用多天線陣列將截獲更多的空間信號,也就是獲得陣列增益。
3.能識別不同入射方向的直射波和反射波,具有較強的抗多徑衰落和同波道干擾的能力。能減小普通均衡技術很難處理的快衰落對系統性能的影響。提高了接收機的載干比。
4.增強系統抗頻率選擇性衰落的能力。因為天線陣列本質上具有空間分集的能力。
5.可以利用智能天線,實時監測電磁環境和用戶情況來提高網絡的管理能力。
6.智能天線能自適應調節天線增益,較好地解決遠近效應問題,為移動臺的進一步簡化提供了條件。越區切換是根據基臺接收的移動臺功率電平來判斷的,而陰影效應和多徑衰落常導致錯誤的跨區轉接,增加了網絡管理的負荷和用戶的呼損率。在相鄰小區應用智能天線技術,可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度,為越區切換提供更可靠的依據。
智能天線的誘人的應用前景在于,以較低的設備復雜性來獲取系統容量和抗多徑衰落能力的提高。同時,尋找實時高效的快速算法并用DSP或ASIC加以固化是智能天線技術得到廣泛應用的前提條件。
參考文獻
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