关于智能天线及其在移动通信中的应用的论文

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1、关于智能天线及其在移动通信中的应用的论文　　论文关键词：智能天线　移动通信　空分多址　　论文摘要：智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。文章对天线的基本概念、关键技术、系统性能的改善及国外研究状况等进行了阐述,指出了研究过程中存在的问题及发展方向。　　1　智能天线的基本概念及组成　　1.1　基本概念及工作原理　　在移动通信中,智能天线是天线阵在感知和判断自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天线吸取了自适

2、应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。由于天线有发射和接收两种状态,所以智能天线包含智能化发射和智能化接收两个部分,它们的工作原理基本相同。图1所示的是处于接收状态的智能天线结构图。现以发射状态的智能天线为例,说明波束的形成。将m维信号矢量s(t)=(s1(t),s2(t),...sm(t))t与一个n×m阶加权矩阵fn(θ)表示单路信号sm(t)的辐射方向图。.一旦天线阵确定下来后,它的方向性函数fn(θ)也随之确定,于是只要通过改变就可形成所需要的辐射方向图。　　1.2　组成及关键技术　　(1)

3、射频部分　　射频部分包括阵列天线和高频处理。在移动通信系统中,天线阵通常采用直线阵和平面阵两种方式。阵的形式确定下来后,天线单元的选择非常关键,除了必须满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标外,在实际中还要做到单元间的互耦小、一致性好和加工方便等,微带天线凭借自身特有的优势,已经在这方面得到广泛的应用。高频处理主要是指对接收或发射信号进行放大,以满足a/d变换或发射功率的要求。考虑到智能天线对误差非常敏感,还要保证射频部分各个支路幅度和相位的一致性。　　(2)中频部分　　目前受数字器件水平的限制,还不能直接对来自天

4、线单元的微波信号进行采样。较为常用的办法是:先利用下变频器将微波高频信号变到中频,然后使该支路的模拟信号经过滤波和放大等中频处理,最后对它进行采样,典型的实现方法有两种,分别如图2(a)、(b)所示。　　图2(a)所示的是双下变频接收机,通过两级混频器,完成高频信号到中频的变换。这种接收机的优点是降低了对a/d变换器采样速率的要求,而且整个接收机的增益分配也有一定的灵活性。图2(b)为直接采样接收机,它借助于更快速度的a/d变换器和其他一些辅助的数字器件,在中频直接对信号进行采样,避免了信道中i和q两路信号的匹配问题。图中均

5、衡器的作用是补偿各支路间幅度和相位的不一致。　　(3)数字波束形成部分　　数字波束形成(dbf)是智能天线的核心部分,在硬件上需要有高速率的数字信号处理芯片支持。目前能用于该领域的数字器件主要有两种:一种是通用的dsp芯片,如tms320系列;另一种是专用集成电路(asiu),其中最为典型的是能进行大规模并行处理的fpga。数字波束形成在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法,以调整加权系数。目前在通信领域研究得较多的算法主要有:lms及其改进算法rls、smi和cma等。值得注意的是基于特征值分解的自适应数字波束形成算

6、法越来越受到重视,它不仅能很好地与超分辨测向算法统一起来,而且能自动校正通道不匹配、阵元位置偏差等许多因素所产生的误差,具有很强的鲁棒性(robust),缺点是计算量大。由于移动通信环境非常复杂,各种算法都有其优缺点,需要相互并用才能取长补短,使系统的性能最佳。　　　　2　移动通信系统采用智能天线的好处　　2.1　提高系统容量和频谱效率　　智能天线通过以下途径来提高系统容量和频谱利用率:(1)产生多个窄波束来对准移动用户,以致处于发射状态时能减少对附近小区移动用户的共信道干扰,处于接收状态时各种干扰信号因落入方向图零点而被抑

7、制;(2)具有空分多址性能。假设智能天线形成n个波束来跟踪移动用户,那么在理论上,该小区内相同的频率就可重复利用n次,系统的容量增加n倍,或者在容量不变的情况下,服务的小区面积可增加n1r倍(r是电波传播损耗因子,通常为4);(3)智能天线还能明显提高接收信号的信噪比,改善系统的服务质量,意味着在不提高服务质量的条件下可增加用户数量。研究表明,现有蜂窝移动通信系统的每个基站都使用四单元的智能天线后,系统的容量可提高7倍,而在同样条件下,采用四个固定波束的天线只能增加1倍的容量。以上结果都是与全向天线相比而言。　　2.2　智能

8、化的信道分配和越区切换　　智能天线采用数字信号方式将各支路的有用信号保留到a/d变换之后,借助于阵列信号处理,可对各种信号(包括通信信号和干扰信号)的参数(如信号个数、频率、到达角等)进行估计,对移动用户进行定位和跟踪。有了这些重要信息,智能天线就能打破传统按固定边界小区分配信道数的思路,