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一、概述

天線是實現電磁波傳播的必備器件:信號發射端利用天線實現電磁波輻射,信號接收端利用天線實現電磁波感應。因此,不論何種通信系統,只要它采用無線傳輸方式,就必須使用天線,而不論該系統采用的工作頻率是多少,屬于何種頻段,也不論采用什么多址技術或者什么調制技術。

隨著通信的發展和技術的進步,對所用器件、部件的要求也越來越高。智能天線正是適應通信發展而產生的新事物——在無線接入系統、衛星通信系統和移動通信系統(不論在公眾通信網中,還是在專用通信網中)以及軍事通信等系統中,均有其重要應用,并由此而帶來諸如抗干擾能力、頻率利用率等性能大幅度提高的一系列優點。

盡管智能天線還是起著電磁波的輻射和感應作用,但是,智能天線是一個嶄新的概念。

二、常規天線與智能天線

按照分類方法不同,常規天線(下文稱天線)有眾多的分類。例如,若按振子形狀分類,天線可分為線狀天線和面狀天線:后者有拋物面天線,卡什格侖賦形天線等(用于微波頻段);前者有布朗天線、J形天線、折合振子天線、八木天線、鞭狀天線、螺旋天線、菱形天線等(常用于特高頻、甚高頻、短波頻段)。若按方向性圖分類,天線又可分為無方向性天線(即全向性天線)和定向性天線:前者如外露偶極子天線、共軸天線等,其特點是當它們用于信號發射時,不論收信用戶位于何處,發射能量通過天線能作3600均勻分布;諸如角反射天線、角形反射器天線等則屬于定向性天線。此類天線在一定方向上形成信號的發射或接收,能量的有效性較高。若按材料分,又有金屬天線和介質天線之分。若按電場強度方向分類,天線又有垂直極化、水平極化等之分。當然,天線還有其它的分類方法,我們不一一例舉。但無論怎么說,通信天線的構成比較簡單,即使將用于與發射機、接收機相連的饋線算入,構成“天饋線系統”,但是,它依然是一個簡單系統。

智能天線則是一個復雜的系統,而且隨著性能要求的提高,智能天線也越加復雜。可以認為智能天線是從自適應天線發展起來的,但是二者之間有著顯著的差異:自適應天線主要用于雷達系統的干擾抵消,而且是干擾信號強度特大,數量又不多的場合。在無線通信系統中,主要基于多徑傳播的干擾,其幅度一般較小,但數量往往很大,尤其是電波在城市地面傳播時更是如此。這些差異導致在方向性圖的形成上,或者說在信號的處理上有著各自的特色。既然智能天線從自適應天線發展而來,所以智能天線有著與自適應天線相類似的結構,用于信號接收時的智能天線結構圖見圖1。就是說,智能天線是由一個天線陣列和一組波束形成網絡(亦稱聚束網絡)聯合構成的系統。所以,從硬件構成來看,將智能天線稱為“智能天線系統”是可以理解的。

用于收、發信側的智能天線結構是相仿的,其工作原理也一致。這里以發送用智能天線為例,說明其波束形成原理。將待發射的各路信號S1(t),S2(t)……SM(t)組合成M維信號集合:S(t)=[S1(t),S2(t)…SM(t)]T,再在N×M矩陣網絡中實現復數加權系數W加權,得到一個N維的陣列輸出信號:

X(t)=W×S(t)(1)

其中,X(t)=[X1(t),X2(t)…XN(t)]T。

若智能天線的天線陣列的方向性函數為fN(θ),且當天線陣列選定以后,它就為定值。則X(t)將在天線遠區場產生的場強

E(θ,t)=∑XN(t)·fN(θ)(2)

若要將信號SM(t)發向接收方,只需修改加權網絡加權系數W為WNM即可實現該信號的輻射方向性圖。即E(θ,t)可進一步寫成

顯然,只要調節WNM就能獲得所需方向波束。智能天線的天線陣列是由多個(例如5、6個甚至更多)單元天線排列成一定形式形成的,常用形式有平面形、圓環形、直線形。從工程上考慮,這些單元天線方向性圖常是無方向性的,其相互間距也需滿足一定要求。例如在移動通信中使用時,各單元天線間距常取為λ2(λ為工作波長)。

智能天線波束形成網絡的作用是在天線陣列支援下,形成一系列極窄的信號傳輸通路——空間波道,又稱波束(Beam),即在收、發兩端之間形成一條極窄的信號通道。例如,當智能天線用于無線接入系統時,可以在基站(或中心站、轉發站)和用戶之間形成極窄的無線電波束通道。當智能天線用于移動通信和個人通信中時,這個極窄的波束能隨著用戶移動而移動。顯然,極窄波束的應用能提高發信功率的有效性,還能提高信號傳輸的信號干擾比。或者說,在保證接收端信號干擾比不變的條件下,發信端功率可以大幅度降低。

這個極窄波束的實用,也形成了多址技術的第四種概念——空分多址(SDMA),而且這個SDMA可以和其它多址技術以及它們的混合聯合使用。即在采用智能天線后,系統能在相同時隙、相同頻率、相同地址碼情況下,用戶仍可以根據信號不同的空間波束——空間傳播路徑加以區分。

值得重提的是,形成一定指向的空間波束是眾多的無方向性天線和波束形成網絡的聯合作用,而且空間波束的指向依據用戶的不同空間傳播方向而決定。這個具有一定指向的空間波束等同于信號有線傳輸的線纜如光纜、同軸電纜。

智能天線能實用于無線通信系統,而不論它們是公眾網還是專用網,也不論該系統采用何種技術標準。智能天線能適用于幾乎所有移動通信協議和標準的情況,見表1。有些協議或標準甚至至今還未正式形成產品,例如cdma2000、TD-SCDMA,這種情況說明智能天線適用范圍很廣。

SDMA的實用也促使了系統頻率利用率的提高以及頻率管理、頻率配置難度的降低。例如在移動通信中,同一基站范圍內的相同載頻可以多次復用而不必慮及同頻干擾(這就大大地降低了頻率配置的難度)。而且不同指向的波束越窄,同頻復用系數可以越大,系統的頻率利用率就越提高,系統容量越大。同一小區兩個手機用戶同時占用同一頻道時,智能天線形成的方向性圖見圖2。圖中,智能天線形成的兩個主波束分別對準這兩個用戶(而不會產生同頻干擾),其它方向的增益卻很小,這就保證了主波束增益可以做得很高,周圍的干擾(包括同頻干擾、鄰頻干擾、近端對遠端比干擾等)和噪聲的影響可以降低到很小。

采用智能天線后,同無線區不僅可以安排相鄰或鄰近頻率,甚至還可實現同頻復用,這極大地降低了無線電管理部門在頻率配置和干擾管理上的難度,所以無委力主智能天線早日投入使用。

智能天線的應用還可以極大地增強設備供應商的競爭能力,并且智能天線不受調制方式和空中接口協議的限制,它們能與現有的空中接口方式相適應。智能天線的核心技術是波束形成,并主要由波束形成網絡實現。

當智能天線為某個具體用戶服務時,利用天線陣列發射或接收無線電波,利用波束形成網絡中的某些部分對用戶形成極窄的波束指向,而在其它方向上,智能天線能自適應地控制其方向性圖為零,這種性能又稱為自適應調零功能。正是利用這種功能,可以將智能天線的副瓣或零信號區(也稱零陷區)的幅度基本抑制掉,這也造就了智能天線有極好的抗干擾性能。

只要能把主波束做得極細,同一基站(或中心站)主波束數能做得足夠多,副瓣也能完全被抑制掉,那么,智能天線的應用至少在理論上解決了眾多無線通信頻率資源不足的難題。因此,不論在歐日聯合提出的第三代移動通信方案W-CDMA中,或是我國提出的第三代移動通信方案TD-SCDMA方案中都把智能天線作為特征技術闡述在內,這是有道理的。就是在專用通信網中,這個特點也有著重要意義。我們以815~821MHz(移動臺發)和860~866MHz(基站發)這一集群系統專用頻段為例說明這一問題。這一頻段雖可劃分成240個雙向通,但由于集群系統性能優越,特別是它的調度功能強大,因而該系統特別受專用通信網歡迎,許多系統諸如電力、人防、交通、港口、民航等都想發展該系統,從而導致頻譜緊張。但是,一旦集群系統采用智能天線以后,頻譜緊張這一問題將迎刃而解。

三、智能天線系統的構成

智能天線之所以能具備這些優良性能,這同其系統構成有關,特別是波束形成網絡。波束形成網絡構成復雜,大體上可分為網絡處理系統和網絡控制系統兩部分,依照網絡處理和網絡控制的工作原理、結構不同,智能天線可分成波束切換型和自適應陣列兩種類型。

波束切換型是指,智能天線能形成多少個空間波束一空間信道事先就已確定,這個確定既包括波束指向,也包括數量。確切地說,這類天線的波束數量有限。當智能天線服務于某用戶時,系統能自動從有限波束中選擇一個或幾個的組合以服務于該用戶,而不管所選波束的最大指向是否對準用戶,也就是說用戶雖處在所選波束作用范圍,卻有可能不在最大方向上。而且,當用戶在移動時波束卻是固定的,在用戶移動到這種另一波束上時,系統會由此波束切換到另一波束上。基于相同原因,另一波束也不保證其最大指向隨時指向用戶,這些特點構成了這類智能天線的缺點,但是這類天線結構簡單。

自適應陣列型智能天線能形成無限多波束,并能使用戶始終得到波束的最大指向。當用戶移動時,波束也能作自適應改變。顯然,這種類型的智能天線性能最佳,但其網絡控制系統相當復雜,還要求系統的實時性好,即要求處理網絡在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應算法,以能快速調整波束的復數加權參數W。

目前,智能天線網絡系統使用的算法有最小、最大信號比、最小偏差等。它們又各有特點,因而在實際系統中常需要并用,以取長補短,特別是在移動通信和個人通信中。這是因為在這兩種通信系統中,電波傳播主要在地面,而地面的電波傳播環境很惡劣。基于智能天線性能極大地依賴于網絡系統軟件特性,因此智能天線也被稱作“軟件天線”。

早期智能天線的波束形成網絡用模擬電路,但調試難度大、性能穩定性和可靠性差,目前都主張采用數字電路。較為一致的意見是采用高速率的數字信號處理芯片來實現。實際使用的芯片主要有兩種:一種是DSP通用芯片,如TMS320系列等。另一種則為專用集成電路(ASIC器件),其中最典型的器件是能進行大規模并行處理的門陣列電路FPGA,以C6x調處理器為基礎的DSP系統見圖3。波束形成網絡平臺應提供充分模塊以支持多個C6x,而且要采用高效率的I/O結構。

天線小型化和微帶天線的使用,使得天線陣列結構得以簡化。軟件方面值得注意的發展是,基于特征值分解的自適應數字波束形成算法格外受到重視,因為這種算法能和高分辨率的測向算法統一起來,還能克服眾多因素造成的波束誤差。但是,此種算法的計算量大。

四、智能天線在無線通信中的應用

智能天線能用于很多種無線通信系統中,以提高系統性能。未來專用移動通信網將向公眾移動通信網方向發展,或者說二者之間關系更加密切。還應注意:移動通信蜂窩小區正在向微型化、智能化方向發展,站距將更小,分布也更廣泛,波束跟蹤也更需智能化、實時化,基站配置也將更靈活,智能天線的波束形成技術將在改善地面電波傳播質量和降低成本上發揮重要作用。由于智能天線的使用,不論在專用移動通信系統,例如集群系統、無線本地環路,還是在公眾蜂窩系統,一改控制信道的發射方式——由全小區(或全扇區或全無線區)范圍內的輻射為跟蹤性的極窄波束輻射,全區內同頻可以多次復用,從而形成了智能無線區(智能小區、智能扇區)的新概念。因為智能天線具有跟蹤功能的固有性,無需通信系統另設“定位功能”,從而使采用智能天線的移動通信系統、個人通信系統的越區切換產生了“智能切換”的又一個新概念。而且,智能天線的應用也降低了成本。目前國內在公眾移動通信系統中雖然使用了性能優良的單極化全向天線ANTELBCD-87010、單極化定向天線ANTELRWA-87027、雙極化天線DPS60-16RSX和先進的遙控電子傾角天線MTPA890-D4-RXY-Z,尤其是后者給日常的移動通信網絡優化提供了方便,人們根據需要可以方便地調節天線傾角,以改善覆蓋和干擾,但是它們遠不能和智能天線相比。智能天線用于移動通信系統時,主要用于基站的發和收。

應該承認,移動通信和個人通信應用智能天線的難度較大,其原因在于移動的多用戶、電波傳播的多路徑等因素造成了信號動態捕獲與跟蹤的難度,所以移動通信和個人通信中智能天線應用較晚,而無線接入系統尤其是固定式無線接入系統卻較早應用。智能天線工作于TDD雙工方式的無線接入系統時,可以把上、下行鏈路的加權系數統一。但在上、下行頻率不同時,即采用FDD雙工方式時,則下行鏈路的加權系數在上行鏈路的加權系數基礎上,還需作適當處理。智能天線有望用于移動市話,以改善其頻率配置的難度和提高網絡的容量,以及提高網絡的抗干擾能力。

智能天線也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等體制的無繩電話系統,都能改善它們的系統性能。

智能天線還可用于衛星移動通信系統,例如用于L波段的衛星移動系統的智能天線就是用16單元、環形分布的微帶天線陣列和一個波束形成網絡構成,采用左旋園極化。而波束形成網絡則采用10塊FPGA芯片,其中2塊用于波束選擇、控制和接口,8塊用于天線陣列的準相干檢測和快速傅立葉變換。

智能天線還用于各種專用通信網和軍事通信等無線通信系統,以改善系統性能。正是由于智能天線具有重要的應用價值,所以國內外許多大學、研究所、通信公司等單位投入巨資,潛心研究,并已見碩果。

五、結語

智能天線對提高專用網和公眾網通信系統容量、抗干擾能力,提高通信質量以及實現同一地址的各專用網的頻率共享等具有巨大潛力,近年來備受關注。但是由于波束自適應形成的難度大,影響因素多,因此智能天線雖已用于固定式無線接入、衛星通信、軍事通信等系統中,并獲益匪淺。但用于移動通信、個人通信中還存在有一些難度。不過近來已傳來樂觀消息。例如某國外公司已2000年6月在上海移動通信網絡中進行智能天線實用試驗。所用天線類型為波束切換型。試驗結果表明,確實提高了網絡的整體性能。另據廣東消息稱,該省移動通信網絡將在充分試驗的基礎上,引入智能天線,以大幅度提高網絡服務質量等級和滿足用戶數量劇烈增長的要求。

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論文關鍵詞:智能天線無線通信空分多址自適應天線應用

論文摘要:采用數字信號處理技術形成定向波束的智能天線,引起了無線通信工程技術人員的極大重視。作者在對天線傳統認識的基礎上闡述了智能天線的基本概念、特點、實現方法和應用前景。