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1、智能天线及其在无线通信中的应用论文.freel。欧洲电信委员会(ETSI-EuropeanTelemunicationsStandardsInstitute)在其第三代移动通信系统标准中(UMTS-UniversalMobileTelemunicationSystem),明确提出智能天线系统是第三代移动通信系统必不可少的关键技术之一。并制定相应的开发计划,即:TSUNAMI(TechnologyinSmartAntennasforUniversalAdvancedMobileInfrastruc-ture)。二、智能天线及其与传统技术的比较首先,我们给出智能天线的
2、典型结构,如图1所示。智能天线由以下三部分构成:天线阵列,信号合成通道和自适应控制单元。其中,天线阵列是由按某种规律排列的单元天线构成的。常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。信号合成通道则将来自每个单元天线的空间感应信号加权相加,其中的权系数为复数。也就是说,每路信号的幅度与相位均可改变。自适应控制单元是智能天线的核心。该单元的功能是根据一定算法和优化准则主动地去适应周围电磁环境的变化。进一步地,我们来推导窄带假设条件下(信号带宽的倒数远小于电磁波波前跨越天线阵列的时间)智能天线的矢量模型。对由m个阵元构成的阵列天线,信号在第i个阵元的响应可表示如下:其中,L为多
3、径信号的数目,gi(θl)为以θl角度入射到天线阵列的第l径信号在第i个阵元上的响应。αl(t),τl分别为第l径信号的复包络和时延。u(·)表示经过调制后的信源。定义m维复矢量x(t)和a(θl):因此天线阵列的输出响应可以表示为：其中,αl(t)遵从Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定义为阵列综合因子,该参数由阵列的几何结构、各单元的方向图、单元之间的互耦、邻近散射体对阵列天线的影响等诸多因素共同决定。u(t)代表发射信号的瞬时结构,在GMSK调制制式中,该函数有如下的表达式:式中,φ(t)为MSK信号通过Gaussian滤波器后的相位函数。当考虑
4、同波道干扰和热噪声时,天线阵列接收到的信号表示如下:上式第二项为Q-1个干扰源产生的同波道干扰。第三项为零均值加性高斯白噪声。智能天线的算法直接影响着智能天线的性能。一般地,智能天线的算法可分为单用户算法和多用户算法两大类。在单用户算法中,把其他用户产生的干扰等效为加性高斯噪声。而在多用户算法中,则需要同时分辨出其他用户产生的同波道信号,因此多用户算法是实现SDMA的基础。智能天线的算法若按照其优化的目标函数可分为基于最大似然序列估计准则的MLSE(MaximumLikelihoodSequenceEstimation)算法和基于最小均方误差准则的MMSE(Min
5、imumMeanSquareError)算法两类。对GSM或IS-54系统,由于在突发的数据流中包含训练序列,宜采用有导师的学习算法(TrainingSignalMethod),该算法可以实时反映信道的变化,但却是以降低频谱利用率为代价的。而对于非Gaussian信号、恒包络信号(ConstantModulus)可采用无导师的自学习算法(BlindMethod)。智能天线与自适应天线并没有本质上的区别,但是由于其使用的场合不同而具有显著的差异:自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目与天线阵列单元数相当
6、。而在无线通信系统中,由于多径传播,到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,同时其功率电平一般都小于直射信号。图2显示了典型的十单元半波长均匀直线阵列,在不同的应用场合中方向图的比较(图中干扰源分别位于±75度和±35度)。分集接收是无线通信系统常用的抗多径衰落技术方案。事实上,分集技术利用了阵列天线中不同阵元耦合得到空间信号的弱相关性。常用的分集技术有:空间分集、极化分集、频率分集和角度分集。N单元的智能天线实质上也可等效为,由N个空间耦合器按优化合并的准则构成的空间分集阵列。从这个意义上讲,智能天线是传统的分集接收的进一步发展。例如:小区的扇区化技术即可认
7、为是一种简化的固定预分配的智能天线系统。表1对智能天线与分集技术的特点做了详细比较。无线通信系统常常要求天线具有窄的主瓣宽度、高增益和低的付瓣电平。但是对一定结构的天线而言,上述两个要求是矛盾的。事实上,天线阵列的方向图等于单元方向图和阵列因子的乘积。因此选取适合的阵列图案和单元方向图是智能天线的一个重要研究内容。平面任布阵列是一种具有很强应用背景的实现方案。对于给定阵列单元数量的阵列分布,如果其占据的几何空间越大,则形成尖锐主瓣波束的能力越强。例如,对一个10单元的直线阵列,当主付瓣功率电平差为40dB时,主瓣宽度为40°。三、智能天线在无线通信系统中的应用在传
8、统的无线通
