第5卷第3期太原師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年9月JOURNAL OF TAIYUAN NORMAL UNIVERSITY(Natural Science Edition)2006智能天線技術(shù)及應(yīng)用林祥德趙俊梅王代華(中北大學(xué),山西太原030051)〔摘要〕當(dāng)前,3G技術(shù)業(yè)已成熟,商用在即,其中智能天線是第三代移動通信系純中的關(guān)鍵技術(shù)之一,文章簡要地介紹了智能天線的基本原理和系統(tǒng)組成,同時分析了智能天線技術(shù)的優(yōu)點和它在3G中的應(yīng)用關(guān)鑣詞〕智能天線;3G;自適應(yīng)算法;應(yīng)用〔文章編號〕1672-2027(2006)03-0084-04〔中圖分類號)TN929〔文獻標(biāo)識碼〕A0前言當(dāng)前,通信技術(shù)和產(chǎn)品已滲透到人們生活的每一個角落,特別是個人移動通信更是以不可阻擋的勢頭蓬勃發(fā)展,用戶數(shù)量迅速增加頻譜資源隨之變得越來越緊張同時人們對個人通信服務(wù)的內(nèi)容和質(zhì)量要求也越來越高所以如何提高頻譜利用率,如何消除多址干擾(MAI)、共信道干擾(CCI)和多徑衰落的影響以提高通信質(zhì)量,如何滿足市場的需求已成為個人移動通信領(lǐng)域函待解決的問題智能天線( Smart Antenna)技術(shù)的引入使問題得到滿意解決智能天線最初應(yīng)用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域.20世紀(jì)90年后,民用移動通信系統(tǒng)逐步開始采納智能天線.數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的迅速發(fā)展及計算機處理能力的不斷提髙使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束變?yōu)楝F(xiàn)實,從而促使智能天線技術(shù)在無線通信中得以廣泛應(yīng)用1智能天線的原理Y收下下[控制部分智能天線技術(shù)是在微波技術(shù)、自動控制理論、自接收/下行轉(zhuǎn)適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號處解調(diào)理技術(shù)和軟件無線電技術(shù)等多學(xué)科基礎(chǔ)上綜合發(fā)展可而成的一門新技術(shù),它的主差信號接收/下行轉(zhuǎn)A、0要任務(wù)是研究如何獲取和換利用接收信號中包含的空自適應(yīng)天線陣列算法間方向信息,并通過陣列信波束成型網(wǎng)絡(luò)號處理技術(shù)改善接收信號的質(zhì)量,從而提高系統(tǒng)的性圖1典型的智能天線接收系統(tǒng)示意圖能口.一個典型智能天線接ig. 1 A typical sketch-map of smart antenna yeceiving system收系統(tǒng)(如圖1所示)包括三部分:實現(xiàn)信號空間過采樣的天線陣列;對各陣元輸出進行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò);更新合并權(quán)值的控制部分21.1智能天線的天線陣列智能天線的天線陣列是由多個天線單元排列成一定形式后形成的各天線陣亓間距一般取半個波長,因為陣元間距過大會使接收信號彼此相關(guān)程度降低,太小則會中國煤化工鑒按目前的水平,CNMHG收稿日期:2006-07-20作者簡介:林祥德(1977)男江蘇連云港人,中北大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事無線通信研究第3期林祥德等:智能天線技術(shù)及應(yīng)用天線元的數(shù)量約在6~16之間智能天線通常形式有平面型圓環(huán)形、直線型直線型和平面型容易實現(xiàn)基站的定向覆蓋,并且在基站選址的問題上也更加靈活,直線型和平面型天線陣列可以很容易安置于建筑物的側(cè)面或桿狀建筑物上;而圓環(huán)型天線陣列更適于安置于鐵塔或樓房頂部,這樣更方便提供全面覆蓋,缺點是圓環(huán)型天線陣列的天線校準(zhǔn)難度比直線型和平面型要大1.2智能天線的波束形成波束形成技術(shù)關(guān)系到智能天線能否實現(xiàn)波束形成就是將天線陣列上接收到的信號變換到基帶,然后進行相應(yīng)的空間譜處理,獲得該信號的空間特征矢量和矩陣以及信號的功率估值和波達方向(DOA)估值.在此基礎(chǔ)上,依據(jù)相應(yīng)準(zhǔn)則計算信號在各個天線陣元的加權(quán)矢量,生成多個高增益的動態(tài)窄波束來跟蹤多個期望用戶,目的是從期望信號、干擾和噪聲混在一起的輸入信號中提取期望信號智能天線所形成的波束可實現(xiàn)空間濾波作用,它對在特定方向入射的信號具有高增益,而對在其他方向入射的信號具有衰減作用在接收模式下,抑制來自窄波束之外的信號;而在發(fā)射模式下,使期望用戶接收的信號功率最大,同時使窄波束范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小,降低用戶間的共信道干擾根據(jù)波束形成的不同可將實現(xiàn)智能天線的方式分為陣元空間處理方式和波束空間處理方式其中陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣進行加權(quán)求和處理,形成陣列輸出,使陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號DOA,各個陣元均參與自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整.這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處理;另外波束空間處理方式分兩級處理過程,第一級對各陣元信號進行固定加權(quán)求和,形成多個指向不同方向的波速率第二級對第一級的波束輸出進行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出,此方案僅對其中的部分陣元作自適應(yīng)處理,屬于部分自適應(yīng)陣列處理.這種結(jié)構(gòu)的特點是計算量小、收斂快,并且具有良好的波束賦形性能,是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向1.3智能天線的自適應(yīng)算法自適應(yīng)信號處理是智能天線智能體現(xiàn)的一個重要方面它以自適應(yīng)算法為核心,主要體現(xiàn)在算法控制器上.自適應(yīng)算法決定瞬時響應(yīng)速率和電路實現(xiàn)的復(fù)雜程度,因此重要的是選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制.日前針對自適應(yīng)陣列天線所提出的各類自適應(yīng)算法很多,按照是否需要利用系統(tǒng)的導(dǎo)頻信息可以將算法分成三類:非盲算法、盲算法和半盲算法1.3.1非盲算法是指需要借助參考信號(導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道)來計算和更新加權(quán)適量的箅法.此時收端知道發(fā)送的是什么按一定準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)最常用的相關(guān)準(zhǔn)則是最小均方誤差(MMSE),MMSE的代價函數(shù)為:J(v)=E[|u(t)-d(t)|2]式中d(t)為參考信號對上式求偏導(dǎo),令式:()=0求解上式可得到MMSE準(zhǔn)則下的最優(yōu)解,即v=R-p上式中R=E[x(t)x"(t)],p=E[x(t)d*(t)]其他各種常用準(zhǔn)則如最小均方(LMS)和最小二乘(LS)等均可看作是MMSE準(zhǔn)則的某種變形非盲算法相對盲算法而言,通常誤差較小,收斂速度也較快,但需浪費一定的系統(tǒng)資源1.3.2盲算法無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號,他一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征,如恒?？?、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性,常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法1.3.3半盲算法將非盲算法與盲算法相結(jié)合,又提出了一種半盲算法,他權(quán)適量值再用盲算法進行跟蹤調(diào)整用戶和信道變化,這樣做H中國煤化工法確定初始化加CNMHG太原師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)第5卷智能天線的優(yōu)點智能天線可以顯著改善無線通信系統(tǒng)的性能,并提高天線系統(tǒng)的靈活性口,具有諸多優(yōu)點具體體現(xiàn)在下列方面:1)提高頻譜利用率,擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域,增加通信距離(如圖2所示).在城市,采用智能天線技術(shù),提高小區(qū)內(nèi)頻譜利用率,可以降低城區(qū)對基站數(shù)量的要求;在農(nóng)村,智能天線的方向性可使無線覆蓋范圍增加倍,無線覆蓋范圍的增長可使在主要業(yè)務(wù)覆蓋地區(qū)所需的基站數(shù)量降至通常情況的1/4左右可在不新建或少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量2)增加系統(tǒng)容量,解決稠密市區(qū)容量瓶頸智能天線技術(shù)允許任一無線信道與任一波束配對,這樣可以按需動態(tài)分配信道保證高業(yè)務(wù)密度地區(qū)獲得較多信道資源,等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量)抑制干擾信號.智能天線對來自各個方向的波束進行空間濾波它通過對各天線陣元的激勵進行調(diào)整優(yōu)化天線全向天線智能天線陣列方向圖,將零點對準(zhǔn)干擾方向,抑制接收方向以外的信統(tǒng)可靠性降低了小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的于擾同時減少電磁環(huán)?/◆能天擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)城示意圖號,大大提高陣列的輸出信噪比,改善了系統(tǒng)質(zhì)量提高了系圖2sketch-map of spreading area coveredby smart antenna system境污染.4)抗衰減信號衰減是高頻無線通信面臨的主要問題.采用智能天線控制接收方向,自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性,可以使延遲波方向的增益最小,降低信號衰減的影響另外智能天線還可用于分集接受技術(shù)以減少信號衰減5)降低基站發(fā)射功率節(jié)省系統(tǒng)成本,延長移動臺電池壽命3智能天線在3G中的應(yīng)用智能天線技術(shù)是第三代移動通信不可缺少的空域信號處理技術(shù),是3G區(qū)別于2G系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)志之我國即將投人商用的三種3G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)采用了多種新技術(shù),其中智能天線技術(shù)是的這些新技術(shù)的重中之3.1在 WCDMA和CDMA2000中的應(yīng)用WCDMA系統(tǒng)采用自適應(yīng)天線陣列技術(shù),極大地增加系統(tǒng)容量.在 WCDMA中,自適應(yīng)陣列天線技術(shù)和多用戶檢測(MUD)成為 WCDMA下階段最重要的技術(shù),愛立信公司在其 WCDMA基站中就提供了自適應(yīng)陣列智能天線由于CDMA系統(tǒng)采用的是自干擾的工作方式,基站信號的波形和劃分不受頻率再利用格式的限制,而是由本小區(qū)和相鄰小區(qū)通話手機受干擾的積累來決定因此在基站的布放方式上應(yīng)首先保證本小區(qū)的需要以及減少對相鄰小區(qū)的干擾這就要求極化的信號波形要隨移動臺位置的變化而變化,最好的方法就是使基站能定向地產(chǎn)生比較狹長的波束,用以覆蓋高密度用戶的地區(qū),并能追蹤移動臺的活動在這方面智能天線就成了這種靈活基站技術(shù)的核心,與時分多址(TDMA)系統(tǒng)相比,CDMA系統(tǒng)的反向鏈路不需要同步,因此智能天線更適合在CDMA系統(tǒng)中應(yīng)用3.2智能天線在 TD-SCDMA中的應(yīng)用TD-SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典范 TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的.同全方向天線相比,他可獲得高增益,提高信號的載干比,降低發(fā)射功率等由于用戶在小區(qū)內(nèi)的位置是不同的,這就要求天線具有多向性,另一方面則要求在每一獨立的方向上系統(tǒng)都可以跟蹤多個用戶.每用戶的跟蹤通過到達角進行測V凵中國煤化工線子幀的長度是5ms,至少每秒可測量200次通過智能天線的方向性和跟蹤CNMHTD-SCDMA系統(tǒng)采用TDD方式使上下行射頻信道完全對稱,其高效率就是基于這種對稱性而獲得第3期林祥德等:智能天線技術(shù)及應(yīng)用的.它可同時解決諸如天線上下行波束賦形,抗多徑干擾和抗多址干擾等問題. TD-SCDMA中智能天線的應(yīng)用可降低運營商投資并提高經(jīng)濟效益帶有智能天線聯(lián)合檢測,具有對稱、非對稱業(yè)務(wù)和自適應(yīng)無線資源分配能力的 TD-SCDMA技術(shù)的先進設(shè)計是邁向軟件無線電的重要的一步4結(jié)束語智能天線技術(shù)帶給第三代移動通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是其他技術(shù)都難以取代的,智能天線技術(shù)不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中,也完全可以使用到FDD系統(tǒng)中.因此爭取具有先進智能天線技術(shù)、能提供多種全新業(yè)務(wù)的3G系統(tǒng)的牌照,是移動運營商尋求利潤增長點、加強自身競爭力的必然.智能天線技術(shù)未來將向著數(shù)字化、集成化,適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個干擾的方向發(fā)展.目前,國際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一,未來幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)參考文獻1]吳偉陵移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)[M]北京:北京郵電大學(xué)出版社,200[2]吳偉,牛凱移動通信原理[M]北京:電子工業(yè)出版社,2005[3] Agee B. Blind separation and capture of communication signals using a multi-target constant modulus beamformer[M].IEEEMilcomm. boston, MA, Qct, 1989Smart Antenna Technology And applicationLin Xiangde Zhao Junmei Wang Daihua( North University of China, Taiyuan 030051, ChirCAbstract) At present, 3G has some ripe technologies and will enter a age of businessapplication. Smart antenna is one of the main key technologies of the third generation mobilecommunication system. This paper gives an introduction to the principle and system componentsof the smart antenna At the same time, some advantages of smart antenna and some applications(Key words) smart antenna 3G ;adaptive algorithm; application【責(zé)任編輯:張麗萍】(上接第83頁)Experimental Research LCD Control CPLDWu JunhaoDepartment of the Physics and Electronic Engineering, Hanshan Teachers'Colllege, Chaozhou 521041, China)[Abstract] The purpose of this subject is to control the liquid crystal to show throughCPLD, Mainly including utilize Protel to design the systematic circuit, Visual c +t writes andcontrols interface bunches of communication that the liquid crystal show, Utilize VHDLlanguage to write and control the liquid crystal to show, This text has introduced the designprocess of the systematic circuit mainly, How to realize bunches of communication, Datatransmission between one-chip computer and CPLD, Recommended the module characteristicand CPLD of liquid crystal to realize the liquid crystal shows the course finally, Realize finallyhat shows through the serial configuration liquid crystal display of control points with the中國煤化工CKey words] CPLD; bunches of communication;CNMH Guter LiquidCrystal Display賈仕緗輯:王映苗】