智能天线的工作原理是什么？智能天线技术发展简介【图片】

智能天线，智能天线的工作原理是什么？

背景: 随着移动用户数量的快速增长，特别是在中国人口稠密的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源和频率资源短缺的巨大挑战. 已经成为继续发展的瓶颈，并且随着用户数量的不断增加，这个问题将变得越来越严重. 面对挑战，人们提出了不同的解决方案，并且有两种方法被广泛认可: 首先，移动运营公司调整基本网络的组成以增加基站和小区的数量. 这种方法需要相当大的资金投​​入，干扰问题也很突出. 二是扩展频谱带宽，这种方法需要较高的频率资源成本，而且频率资源有限，频谱带宽无法无限扩展. 基于这种现实，智能无线技术应运而生. 智能无线技术的最大优点是可以大大增加现有无线网络的容量，所需的经济成本也相对合理.

基本原理: 智能天线采用空分多址技术（SCDMA），利用信号传输方向上的差异来区分具有相同频率或相同时隙和相同码道的信号，从而最大限度地利用信号. 有限的渠道资源. 无线基站中的智能天线由天线阵列和基带数字信号处理技术组成.

下图描述了具有在TDD模式下工作的智能天线的CDMA基站的示意框图. 与没有智能天线的传统基站相比，其硬件由天线阵列和一组单元组成，以形成其射频部分，而基带信号处理部分的硬件基本相同. 必须注意，这组将使用相同的本地振荡器源，以确保这组相干工作.

每个RF都有一个ADC和DAC，它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号. 将要发送的数字信号转换为模拟基带信号. 并且所有接收和发送的数字信号都通过一组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器进行连接.

来自多个用户终端的信号是由多址干扰，衰落，多通传播和多普勒频移引起的，并且存在其他干扰和白噪声. 图中的第n时间的第i个的输出由S i（n）表示. 通过解扩和相应的数字信号处理，可以获得每个代码通道的接收数据. 如果X j i（∫）表示第j码信道的第∫符号的数据，则在基带中执行上行链路波束成形（合成）之后，智能天线的总接收数据将为:

其中: W是上行波束成形矩阵，其矩阵元素是W ij（∫）.

智能天线的下一步是实现其下行链路波束成形. 该用户在第j个代码通道上的∫符号可以表示为Y j（∫）. 通过智能天线的下行波束成形（调整基站中每个发射机发射的信号的幅度和相位），第i个天线阵元发射的信号可以表示为:

其中: U是U j i（∫）下行链路波束成形矩阵的元素. 显然，为了获得最佳的接收效果，我们必须找到一种好的上行波束成形算法，即获得W矩阵的方法. 为了使这个用户得到最好的信号，必须找到一个好的下行波束成形算法，即求U矩阵的方法. 必须注意的是，当寻找该波束成形矩阵时，仅知道天线阵列的几何形状以及由各种接收机接收的信号. 在这方面，学术界已经做了很多工作，并且可以使用多种算法. 主要限制是基带信号处理能力和系统的实时要求.

作为简化的特殊情况，可以使用最大功率合成算法，即W = X，以获得整形. 在TDD系统中，如果构成智能天线系统的RF是全向的，则由于它们的上行和下行波传播条件相同，您可以直接将此上行波束成形矩阵用于下行链路，即让U = W.

TD-SCDMA天线使用环形天线阵列，将8个相同的天线元件均匀分布在半径为r的圆上. 智能天线的功能由天线阵列和与其连接的基带数字信号处理部分完成. 智能天线在仰角方向上的辐射方向图与每个天线元件的方向图相同. 为了消除干扰，可以在360°范围内任意设置形状，也可以在波束形成期间存在干扰的位置设置零点. 在此零点处的天线辐射水平比最大辐射方向低约40 dB.

现状与发展方向: 在日本，您可以看到许多智能天线的例子. 一些运营公司已经采用了这项技术，网络容量甚至增加了六倍. 该技术也适用于3G网络. 在一些国家的WCDMA网络中，智能无线技术的使用使城市无线网络的容量增加了3倍，郊区无线网络的容量增加了6倍. 无线网络容量的增加对于运营公司尤其是我国非常重要，因为我国大城市的人口密度通常很高. 在增加无线网络的容量的同时，覆盖范围也得到了相应的改善. 由于采用了智能无线技术，提高了小区的信号质量，减少了相邻小区的干扰，因此覆盖范围也得到了扩展. 根据测试数据，如果在WCDMA系统中使用智能无线技术，则城市的覆盖范围可以扩大一倍，郊区可以扩大三倍. 智能无线技术的干扰缓解机制也具有优势: 由于整体噪声水平的降低，信号功率可以集中在特定的用户终端上，基站和用户终端只需要很小的发射功率即可实现. 相同的信号质量水平. 尽管智能无线技术需要配置多个天线，从而增加了功率放大器的数量，但更重要的是，功率放大器的发射功率已大大降低，功率放大器的单价已大大降低. 由于大功率宽带放大器的制造工艺复杂，成本较高，因此使用多个低功率放大器可以节省大量投资，同时还可以提高整个功率放大器子系统的可靠性.

智能天线

智能天线（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初用于雷达，声纳和军事通信领域. 近年来，随着现代数字信号处理技术的飞速发展，DSP芯片处理能力的不断提高以及芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带中形成天线波束成为可能，从而推动了智能天线的使用. 无线通信技术. 由于智能天线可以显着提高系统的性能和容量并增加天线系统的灵活性，因此，将来几乎所有高级移动通信系统都将使用该技术.

在移动通信系统中，天线在发送和接收空间电磁斜率中起着重要作用. 天线的性能直接影响移动通信系统的性能.

智能天线系统具有提高容量，质量和减少移动通信系统干扰的功能. 现在的移动通信系统正处于大力发展移动数据通信业务并逐步过渡到第三代移动通信的阶段，因此有必要解决提高载波干扰比（称为载波干扰）的问题. 比率C / 1）来实现更高的目标这两个目标是提高数据传输速率和增加系统容量. 智能天线系统的应用将在实现上述两个目标中发挥重要作用.

智能天线是先进技术的应用，将信号定向到特定的方向，从而使频谱的利用率更高，信号传输效率更高. 所谓先进技术，主要是指波束转换技术和自适应空间数字处理技术. 智能天线有两种类型: 波束切换智能天线和自适应智能天线. 智能天线分为两类: 多波束天线和自适应天线阵列. 多波束天线使用多个平行波束来覆盖整个用户区域. 每个波束的方向是固定的，波束宽度也由天线元件的数量确定. 当用户在小区中移动时，基站会在不同的相应波束之间进行选择，以使接收到的信号最强. 由于用户信号不一定位于光束中心，因此当用户位于光束边缘且干扰信号位于光束中心时，接收效果最差，因此多光束天线不能获得最佳的信号接收，并且通常仅用作接收天线. 但是，与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单，无需确定用户信号到达方向的优点. 自适应天线阵一般采用4-16天线阵元结构，阵元间距为波长的一半. 天线阵列元件以线性，圆形和平面类型分布. 自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号的接收和发送. 自适应天线阵列系统使用数字信号处理技术来识别用户信号到达的方向，并在该方向上形成天线主波束. 以下是这两种智能天线的简要介绍:

1. 波束切换智能天线智能天线是基于分区传输路径的概念而开发的. 这种类型的天线将当前的全向天线或1200定向天线更改为具有多个区域的窄波束（通常为15°-30°）天线. 因为现在移动通信系统的基站天线系统的覆盖区域很大，所以天线的大部分功率由于波的低效率传播而损失了. 窄波束天线减小了覆盖区域，因此相对增加了信号强度. 例如，30°窄波束的覆盖面积仅为1200天线的覆盖面积的四分之一（如图1所示），因此在相同信道区域中接收干扰的窗口也减小了到四分之一原则上，窄波束天线接收到的干扰也可以减少到四分之一，这相当于将载波干扰比提高了6 dB.

窄波束天线系统需要使用数字信号处理（DSP）技术为该地区的每部移动电话连续选择最佳波束，以确保其可以在任何时隙内（根据信标准）移动通信系统，“时间”的“间隙”长度为0.57毫秒）. 该技术称为“束波束技术”，该智能天线也称为“波束切换智能天线”.

2. 自适应智能天线实现流量负载均衡的自适应智能天线系统原理如图2-52所示. 它使用自适应空间数字处理技术来测量不同光束的信号强度，并可以动态更改每个扇区的光束宽度和方向角，以适应交通负荷分布的变化. 图2的左图显示了三个扇区的负载非常不平衡，并且区域b的负载最轻，因此自适应地放宽了波束宽度，并假定了原始区域c的负载. 区域c自适应地改变方向. 转向原始区域a的角度，共享区域a中的部分负载，从而支撑区域a中的过大负载，从而实现了交通负载的平衡. 自适应智能天线系统比波束切换智能天线具有更高的系统性能，但是由于技术复杂，成本高的问题，目前实际应用很少.

图1使用四个具有30度半功率角的窄波束天线覆盖传统定向蜂窝的120度区域

图2通过更改每个扇形眼睛的光束宽度和方向角实现交通负载平衡

近年来，智能天线技术已成为移动通信中最具吸引力的技术之一. 智能天线使用空分多址（SDMA）技术，利用信号传输方向上的差异来区分具有相同频率或相同时隙和相同代码信道的信号，从而最大限度地利用有限的信道资源. 与无方向性天线相比，极大地提高了上下行的天线增益，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效克服了信道传输衰落的影响. 同时，由于天线波瓣直接指向用户，因此减少了对该小区中其他用户和相邻小区中用户的干扰，并且还减少了移动通信信道的多径效应. CDMA系统是功率受限的系统. 智能天线的应用达到了增加天线增益和减少系统干扰的两个主要目的，从而大大扩展了系统容量并提高了频谱利用率.

从本质上讲，智能天线使用多个天线单元的正交性，即空分多址复用（SDMA）功能来提高系统容量和频谱利用率. 这样，TD-SCDMA系统充分利用了CDMA，TDMA，FD？的四种多址方式的技术优势. MA和SDMA可以优化系统性能.

智能天线的核心是数字信号处理部分. 根据某些标准，天线阵列会生成指向用户的定向波束，并自动调整系数以实现所需的空间滤波. 智能天线需要解决的两个关键问题是信号方向的识别和数字整形的实现.

TD-SCDMA的智能天线使用环形天线阵列，该阵列由8个相同的天线元件均匀分布在半径为R的圆上. 智能天线的功能由天线阵列和与之连接的基带数字信号处理部分完成. 它. 智能天线在仰角方向上的辐射方向图与每个天线元件的方向图相同. 方位角图案由基带处理器控制，该基带处理器可以同时生成多个波束，并且可以根据通信用户的分布在360°范围内任意成形. 为了消除干扰，还可以在波束成形期间存在干扰的地方设置零点，并且该零点处的天线辐射水平比最大辐射方向低约40 dB. 当N = 8时，TD-SCDMA使用的智能天线比无方向单振动器天线的增益大9dB（用于接收）和18dB（用于发送）. 每个振荡器的增益为8dB，则天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB. 由于基站智能天线的传输增益远大于接收增益，因此非常适合传输非对称IP和其他数据以及下载大量服务信息.

智能天线

智能天线或智能天线是SCDMA无线接入系统的核心技术之一. 它使用时分双工（TDD）来使上下RF通道完全对称，因此在基站中使用智能天线技术非常方便. 通过从每个天线元件及其连接的接收到的来自终端的相干信号的响应，然后进行相应的空间频谱处理天线的工作原理，获得该信号的空间特征向量和矩阵，并获得信号的功率估计. 在到达方向（DOA）估计的基础上，可以计算每个天线阵列元素中下行链路信号的权重，并同时计算天线上下行波束成形，多址干扰消除，抗多径干扰，均衡等问题. 该系统为每个代码信道生成天线波束，并实现空分多址（SDMA）. 结果不仅增加了通信距离，而且简化了信号处理复杂性，大大降低了干扰天线的工作原理，并增加了系统容量.

一开始，智能天线仅用于雷达，声纳和军事通信. 近年来，随着微电子技术的飞速发展，智能天线技术已成功应用于移动通信系统，通过无线数字信号的高速空时处理，频谱使用效率得到了极大的提高.

智能天线的基本思想是: 天线动态跟踪具有多个高增益窄波束的多个预期用户，在接收模式下抑制来自窄波束之外对不希望的用户的干扰降到最低. 智能天线使用不同的用户空间位置来区分不同的用户. 与传统的频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）不同，智能天线引入了第四种多址方法: 空分多址（SDMA）. 也就是说，在相同的时隙，相同的频率或相同的地址码的情况下，仍然可以根据信号的不同中间传播路径来区分.

智能天线分为两类: 多波束天线和自适应天线阵列.

多波束天线使用多个平行波束来覆盖整个用户区域. 每个波束的方向是固定的，波束宽度也由天线元件的数量确定. 当用户在小区中移动时，基站会在不同的相应波束之间进行选择，以使接收到的信号最强. 多波束天线不能实现最佳的信号接收，并且通常仅用作接收天线. 但是，与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单，无需确定用户信号到达方向的优点.

自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号的接收和传输. 自适应天线阵一般采用4-16天线阵元结构，阵元间距为波长的一半. 使用自适应阵列天线技术可以扩大系统覆盖范围，增加系统容量，提高数据传输速率，提高频谱利用率，降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰和电磁环境污染. >

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