智能天线在TD-LTE和4G中的应用
大唐移动
摘要
? 问题的提出 ? 主要内容
– – – – 智能天线技术在TD-LTE中的标准化现状 智能天线技术的主要优势 智能天线技术与MIMO技术结合 智能天线技术在4G中的优化
? 结论和建议
问题的提出
? 智能天线已经在TD-SCDMA系统中得到广泛的应用
– 其技术已经得到充分的验证
? 智能天线已经在TD-LTE中进行标准化
– 在目前TD-LTE产品中具有可行性
? 在4G中，可以进一步对智能天线技术进行增强
– 在未来的技术发展中，智能天线技术还有上升的空间
智能天线技术在TD-LTE中的标准化现状
? TD-LTE定义了专门的传输模式支持波束赋形
– – – – – – – 单天线端口传输（Port 0） 单天线端口传输（Port 5）?波束赋形 传输分集 开环空间复用 闭环空间复用 闭环Rank=1的预编码传输 MU-MIMO
智能天线技术在TD-LTE中的标准化现状
? 波束赋形传输模式的特点
– 下行使用用户专用参考信号 – 上行不需要预编码矩阵（PMI）反馈 – 充分利用TDD系统的信道互易性进行波束赋形权值的 计算
? GOB：支持终端的高速移动 ? EBB：终端移动速度不能过高
智能天线技术在TD-LTE中的标准化现状
? LTE系统中的FDD和TDD模式均支持采用专用导 频实现的波束赋形技术 ? 对于TD-LTE的终端来说，强制要求其支持解调 波束赋形数据的能力
智能天线技术的主要优势
? 提高系统的峰值速率
– 初步分析，在相同条件下8x2的波束赋形相对于2x2的MIMO可以 提高到约1.5倍的系统吞吐量
? 提升边缘用户吞吐量
– 通过波束赋形降低干扰的作用，可以有效的降低小区间干扰
? 提高小区覆盖范围
Wanted UE
Interfering UE
智能天线技术与MIMO技术的结合
? R8仅仅支持单流的波束赋形传输 ? 在R9以及LTE-A中，大唐移动正在积极推动其支持多流波 束赋形
– 实现在智能天线阵列上进行空间复用 – 进一步提升智能天线技术对系统容量的贡献
智能天线技术与MIMO技术的结合
? 多流波束赋形的两种形式
– 单用户波束赋形，单用户获得空间复用增益 – 多用户波束赋形，系统获得多用户分集增益
智能天线技术在4G中的优化
? 基于多流波束赋形，智能天线技术在4G中还可以在如下方 面进行优化
– 干扰避免 – 干扰抑制 – 信号增强
eNodeB
UE Site
基于多小区协作的波束赋形，即一个eNB下控制多个小区，通过多个小区 之间的信息共享，实现一个eNB下的波束赋形优化
智能天线技术在4G中的优化
? 干扰避免
– 多个小区的联合调度 – 相同资源分配给不同方向的 波束 – 相同方向的波束使用不同的 资源
RB 1 RB 2
CELL 1
UE11 UE32
UE12
UE21 UE22 UE31 CELL 2
CELL 3
智能天线技术在4G中的优化
? 干扰抑制
– 多个小区的联合调度 – 单小区赋形时考虑外小区的 被干扰用户，通过零陷的方 法避免对外小区用户的干扰
Balanced gain and interference between UE11 and UE32
智能天线技术在4G中的优化
? 信号增强
– 多个小区同时对一个用户进 行波束赋形，提升其信号强 度 – 进一步可以考虑多个小区之 间的联合赋形
RB 1 RB 2 RB 3 RB 4 CELL 1
UE1 UE2
UE4
CELL 3 UE3 CELL 2
智能天线技术在4G中的优化
? TDD系统实现基于多小区协作的波束赋形的优势
– 利用信道对称性可以精确地获得多个小区的信道信息，通过智能 天线等优势技术，实现基于智能天线的定向波束空、时、频域干 扰的调度和协调； – 利用信道对称性，可以更为准确和方便地获得多个小区的信道信 息，减少测量的复杂度和上报信息所需的资源负荷，便于多个小 区实现联合Precoding（Beamforming），可以获得好于FDD的性 能增益。
结论和建议
? 波束赋形技术在TD-SCDMA系统中已经进行充分的验证， 其技术具有可行性 ? TD-LTE标准中已经支持单流波束赋形，可以充分利用 TDD系统的信道互易性，并且其性能可观 ? 在TD-LTE的演进系统中，可以通过支持多流波束赋形， 提升智能天线技术对系统性能的贡献 ? 在考虑多小区协作的情况下，波束赋形技术可以通过干扰 避免、干扰抑制以及信号增强等方法进一步发挥其优势。 ? 建议对于TD-LTE及其后续演进系统，应大力发展智能天 线技术。
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智能天线技术原理及其应用 一、智能天线技术的原理 智能天线原名自适应天线阵列(AAA,Adaptive Antenna Ar-ray)。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信等，用来完成空间滤波和定位，后来被引入移动通信系统中。智能天线通常包括波束转换智能天线(Switched Beam Antenna)和自适应阵列智能天线(Adaptive Array Antennal。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrlnal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。总之。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。 移动通信信道传输环境较恶劣。实际环境中的干扰和多径衰落现象异常复杂。多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI、FDMATDMA系统(如GSM)由于频率复用引入的同信道干扰、CDMA系统中的MAI等都使链路性能、系统容量下降。使用自适应阵列天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等。自适应阵天线一般采用4-16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低：太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD 中，如美国Ar-rayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线的阵元间距为5个波长。间距宽而波束更窄，而PHS系统中采用TDD模式，因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都比较少，因而不会带来不利的影响。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备，但自适应阵列天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加噪声比最大。 二、智能天线在移动通信中的应用 第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用，因此，在3G标准如WCDMA和CDMA2000中，支持智能天线的条款已经出现，智能天线已成为3G的重要组成部分。
移动通信中的智能天线技术【摘要】对现代移动通信系统中采用的智能天线技术进行了研究。介绍了智能天线技术的概念；阐述了智能天线的工作原理，基本结构，应用技术和类型；列举了智能天线技术采用算法，并重点说明了现今智能天线技术采用较多的几种自适应算法；同时，还叙述了智能天线在TD-SCDMA 中的应用,以及未来的发展前景。 一、概述 智能天线又称为自适应天线阵列，兴起于20世纪60年代。智能天线技术的核心是阵列信号处理，早期应用集中于雷达和声纳检测领域，70年代后期被引入军事通信，而应用于民用蜂窝通信则是近10年的事情。一般而言，智能天线是专指用于移动通信中的自适应天线阵列。在移动通信中引入智能天线技术的目的是为了充分利用空域资源，提高系统的性能和容量。移动通信中信道传输条件较恶劣，信号在到达接收端前会经历衰减、衰落和时延扩展，另外还有来自其他用户的干扰，它们是限制系统通信质量和容量的重要因素。为了对抗这些影响，在第2代系统中广泛采用了诸如调制、信道编码、均衡（TDMA系统）、RAKE接收（CDMA 系统）等时频域信号处理技术，以及分集天线、扇形天线等简单空间处理技术，在发挥各自功效的同时，它们有共同的不足，即无法对空域资源进行有效利用。理论研究和实测结果均表明，有用信号、其延时样本和干扰信号往往具有不同的DOA（波达角）和空间信号结构，利用这一空域信息可以使我们获得附加的信号处理自由度，从而能更有效地对抗衰落和抑制干扰。为了满足人们不断增长的对移动通信质量和容量的要求，越来越多的研究者和工程技术人员将目光投向智能天线技术。 在移动通信中引入智能天线技术后，可以起到空域滤波作用：在用户信号方向形成高的接收增益，而在干扰方向形成“零陷”或较低的接收增益，提高信号噪声干扰比，进而提高系统性能和容量。 二、智能天线的工作原理 移动通信系统中采用的智能天线技术在工作时引入了空分多址的概念，利用用户空间位置的不同来区分用户。系统通过调整天线阵列中各个天线单元上的可编程器件，来改变各个天线单元的权值，从而将天线用于接收信号的波束导向具体某一方向，产生定向的空间波束，产生的天线波束的主波束对准期望信号方向，旁瓣或零陷对准干扰信号，有效地接收了期望信号，并消除了干扰；智能天线系统还利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术，在同一信道上实现了接收和发送多个移动用户信号，而互不干扰的效果，使不同的移动用户可以使用同一段频谱资源，实现了资源共享。 三、智能天线结构 智能天线系统在结构上已经形成了模块化设计，大体分为天线阵列，模/数或者数/模转换，自适应处理，波束成型网络等四大部分。其中天线阵列用于在接收或发送模拟信号时形成期望的波束，主要分为线阵，面阵，圆阵，三角阵，不规则阵和随机阵等；模/数或数/模转换部分在接收信号时将模拟信号转换成数
智能天线技术的工作原理 智能天线技术的工作原理,特征和技术优势分析 智能天线(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初应用于雷达,声纳及军用通信领域.近年来,现代数字信号 处理技术发展迅速,DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降,使得 利用数字技术在基带形成天线波束成为可行,促使智能天线技术开始在.采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束,以取得符合质量要求的信号,在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度.波束赋型算法概况 智能天线技术研究的核心是波束赋型的算法.从是否需要参考信号(导频序列或导频信道)的角度来划分,这些算法可分为盲算法,半盲算法和非盲算法三类.非盲算法是指须借助参考信号的算法.由于发送时的参考信号是预先知道的,对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应,再按一定准则(如著名的迫零准则)确定各加权值,或者直接根据某一准则自适应地调整权值(也即算法模型的抽头系数),以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内.常用的准则有 MMSE(最小均方误差),LMS(最小均方)和RLS(递归最小二乘)等等;而自适应调整则采取最优化方法,最常见的就是最大梯度下降法.盲算法则无须发送参考信号或导频信号,而是充分利用调制信号本身固有的,与具体承载信息比特无关的一些特征(如恒包络,子空间,有限符号集,循环平稳等)来调整权值以使输出误差尽量小.常见的算法有常数模算法(CMA),子空间算法,判决反馈算法等等.常数模算法利用了调制信号具有恒定的包络这一特点,具体又分最小二乘CMA算法,解析CMA算法,多目标LS-CMA算法等;子空间算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的混合空间划分为信号子空间和噪声子空间,对信号子空间进行处理;判决反馈算法则由收端自己估计发送的信号,通过多次的迭代,使智能天线输出向最优结果不断逼近.非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但发送参考信号浪费了一定的系统带宽.为此,学者们又发展了半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整.这样做一方面可综合二者的优点,一方面也是与实际的通信系统相一致的,因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的.智能天线的优点 智能天线可以明显改善无线通信系统的性能,提高系统的容量.具体体现在下列方面: 提高频谱利用率.采用智能天线技术代替普通天线,提高小区内频谱复用率,可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量,降低运营商成本. 迅速解决稠密市区容量瓶颈.未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量. 抑制干扰信号.智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波.它通过对各天线元的激励进行调整,优化天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,改善了系统质量,提高了系统可靠性.对于软容量的CDMA系统,信干比的提高还意味着系统容量的提高. 抗衰落.高频无线通信的主要问题是信号的衰落,普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大.如果采用智能天线
4G系统中多天线技术 由于第三代移动通信系统（3G）还存在一些不足，包括很难达到较高的通信速率，提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，于是人们提出了第四代移动通信系统（4G）的构想。4G的关键技术包括：（1）调制和信号传输技术（OFDM">OFDM）；（2）先进的信道编码方式（Turbo 码和LDPC）；（3）多址接入方案（MC- CDMA和FH-OFCDMA）；（4）软件无线电技术；（5）MIMO 和天线">智能天线技术；（6）基于公共IP 网的开放结构。研究表明，在基于CDMA技术的3G 中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。智能天线技术智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂程度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。1.基本原理和结构智能天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术（switchedbeamtechnology）和自适应空间数字处理技术（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），判断有用信号到达方向（DOA）通过选择适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时将低增益旁瓣或零陷对准干扰信号方向。在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。智能天线引入空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号空间传播路径的不同而区分。实际应用中，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。智能天线系统由天线阵；波束成形成网络；自适应算法控制三部分组成（见图1）。 图 1典型的智能天线系统 2.智能天线的分类智能天线主要分为波束转换智能天线（switchedbeamantenna）和自适应阵列智能天线（adaptivearrayantenna）。（1）波束转换智能天线波束转换智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，它利用多个并行窄波束（15°～30°水平波束宽度）覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元的数目而确定（见图2）。波束转换系统实现比较经济，与自适应天线相比结构简单，无需迭代，响应快、鲁棒性好。但预先设计好的工作模式有限，窄波束的特性将极大地影响系统性能。 图 2波束转换智能天线 （2）自适应阵列智能天线自适应阵列智能天线实时地对用户到达方向（DOA）进行估计，在此方向上形成主波束，同时使旁瓣或零陷对准干扰方向。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为1/2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，可能放大噪声或干扰）。图3对自适应阵列智能天线与波束转换智能天线进行了比较。 图 3自适应阵列智能天线（a）与束转换智能天线（b）的比较 3.智能天线的自适应波束成形技术智能天线技术研究的核心是自适应算法，可分为盲算法、半盲算法和非盲算法。非盲算法需借助参考信号，对接收到的预先知道的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则（如迫零准则）确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值（即算法模型的抽头系数）。常用的准则有最小均方误差MMSE(Minimummeansquareerror)、最小均方 LMS(Leastmeansquare)和递归最小二乘等；而自适应调整则采取最优化方法，最常见的是最陡梯度下降法。盲算法无须参考信号或导频信号，它充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值，以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法CMA(Constantmodulearithmetic)、子空间算法、判决反馈算法等。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。为此，又发展了
第四代移动通信系统中的多天线技术[转] (2008-09-15 15:46:44) 转载 分类：信息论与编码 标签： 杂谈 一、引言 由于第三代移动通信系统（3G）还存在一些不足，包括很难达到较高的通信速率，提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，于是人们提出了第四代移动通信系统（4G）的构想。4G的关键技术包括： （1）调制和信号传输技术（OFDM）； （2）先进的信道编码方式（Turbo码和LDPC）； （3）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）； （4）软件无线电技术； （5）MIMO和智能天线技术； （6）基于公共IP网的开放结构。 研究表明，在基于CDMA技术的3G中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。 二、智能天线技术 智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂程度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。 1.基本原理和结构 智能天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术（switched beam technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），判断有用信号到达方向（DOA）通过选择适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时将低增益旁瓣或零陷对准干扰信号方向。在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。 智能天线引入空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号空间传播路径的不同而区分。实际应用中，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。智能天线系统由天线阵；波束成形成网络；自适应算法控制三部分组成
天线与电波结课论文 题目：智能天线工作原理及其在 现代通信系统中的应用 院系：电气信息工程学院 专业班级：电信12-01 学号：541201030121 姓名：李松霖
智能天线工作原理及其在现代通信系统中的应用论文摘要：介绍了智能天线的基本原理、实现方法及其在现代通信中的应用。 最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。近年来,随着现代通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外,随着移动用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高,要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现,在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。 1 智能天线的基本原理 智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。 基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带
来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。 2 智能天线的实现 智能天线阵系统主要包括天线阵列、自适应处理器和波束形成网络。天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位,提供给各辐射单元,用来确定波束形成网络各部分方向图的增益。波束形成网络利用天线阵元产生的方向图,实现智能天线的各种应用。 自适应处理器产生的各支路幅度和相位调整系数,是波束形成网络工作的重要依据。自适应处理器包括信号处理器和自适应算法器。信号处理器根据所需进行的信号处理,自适应算法器根据均方误差、信噪比、输出噪声功率等性能量度,用适当的算法调整方向图,形成网络的加权系数,使智能天线阵系统性能达到最优化。 最初的智能天线采用复杂的模拟电路,如今采用数字波束形成(DBF)方式,用软件完成算法更新,也可采用数模相结合的处理方法,既保证处理精度,又保证处理速度及灵活性。此外,为了使智能天线具有良好性能,应根据具体的电波传播环境,选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力,提高系统性能。为了尽量减少对现有系统的改动,也可使用多波束智能天线。多波束天线利用多个指向固定的波束覆盖全方向,虽然不能实现信号最佳接收,但结构简单,便于实现,且无需判定所接收信号的方向。 3 智能天线在通信中的用途
智能无线技术简介 智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间 滤波和定位，大家熟悉的相挂阵雷达就是一种较简单的自适应无 线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应无线阵起了一 个较吸引入的名字：智能无线，英文名为smart antenna或Intelligent antenna。 1.基本结构顾名思义自适应天线阵由多 个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器（即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，而在相控阵 雷达中只有相位可调），最后用相加器进行合并。这种结构的智 能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能刀的智能 天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权 网（结构上与时城FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义 是指这些加权系数可以恰当改变自适应调整。上面介绍的其实是 智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。 2.工 作原理假设满足天线传输窄带条件，即某～人射信号在各天线单 元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由人 射信号到达各天线所走路线的长度差决定。若人射信号为平面波（只有一个人射方向），则这些相位差由载波波长、人射角度、 天线位置分布唯一确定。给足～粗加权值，一定的人射信号强度，不同人射角度的信号由于在天线问的相位差不同，合并器后的输 出信号强度也会不同。以人射角为横坐标对应的智能无线输出增 益（dB）为纵坐标所作的图被称为方向图（天线术语），智能天 线的方向图不同于全向（omni－）天线（理想时为一直线），而
智能天线在移动通信中的应用 摘要：介绍了移动通信中关键技术之一的智能天线技术，并就它的结构、算法以及在第三代移动通信中的应用进行了较全面的阐述。 关键词：移动通信；智能天线；天线阵列；自适应算法 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍａｒｔａｎｔｅｎｎａｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｆｏｃｕｓｏｎｉｔｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏ 3Ｇｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｍａｒｔａｎｔｅｎｎａＡｒｒａｙＳｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ 0 前言 随着移动通信的发展，人们不仅从时域和频域的角度来探讨提高移动通信系统数量和质量的各种手段，而且进一步研究信号在空域的处理方法。智能天线技术就是典型的代表。 智能天线技术起源于20世纪40年代的自适应天线组合技术，在当时采用了锁相环技术进行天线的跟踪。1965年，Ｈｏｗｅｌｌｓ提出了自适应陷波的旁瓣对消器技术用于阵列信号处理，之后，又陆续出现了等一系列技术，后来，Ｇａｂｒｉｅｌ将自适应波束形成技术上升到“智能阵列”概念。早在1978年，智能天线就在军事通信中得到了应用，进入20世纪90年代后，才在民用移动通信系统中开始研究应用。该项技术主要应用于以下方面：ａ）信号源定位，确定天线阵列到信号源的方位角； ｂ）信号源分离，确定各个信号源发射信号的波形； ｃ）信道估计，确定信号源与天线阵列间传输信道的参数。 1 智能天线的组成 智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的目的。它主要包括天线阵列部分、模数转换、波束形成网络以及自适应信号处理，其结构框图如图1所示。
移动通信基站天线 移动通信基站天线 移动通信基站天线是手机用户用无线与基站设备连接的信息出(下行、发射)入(上行、接收)口，是载有各种信息的电磁波能量转换器。基站发射时，调制后的射频电流能量经基站天线转换为电磁波能量，并以一定的强度向预定区域(手机用户)辐射出去;手机用户信息经调制后的电磁波能量，由基站天线接收，有效地转换为射频电流能量，传输至主设备。基站天线是电磁波传输的第一道空中闸口，它性能的好坏，严重影响到移动通信的质量。 由于天线是开放的分布参数电路，属于“运动电磁场”范畴，而集中参数元件(电阻、电感、电容、导线等)构成的电路，属于“电路”范畴。电磁场看不见，摸不着，看似简单，但其理论计算及测试手段比电路复杂得多。天线专业的这一特点，以及移动通信的特定覆盖要求，使移动通信基站天线具有高技术特点。加之，基站天线的室外高空使用环境恶劣，对其可靠性又提出了更高的要求。高技术加上高可靠性要求，使进入基站天线制造业的门槛较高，没有强的技术实力和资金实力，是很难进入的。 通信天线的原理 通信天线作为无线通信不可缺少的重要部分，其基本功能是辅射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波:接收时，把电磁波转换为高频电流。 通信天线的种类 按用途可分为基地台天线(base station antenna)和移动天线(mobile and portable antennas);按工作频段可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线;按其方向性可划分为全向和定向天线;按其结构特性可划分为线天线和面天线。
怎样选择通信天线 天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信的质量，用户在选择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面，第一选择天线类型;第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是:所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求;选择天线电气性能的意义是:选择使用天线的频率、带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。因此，用户在选择天线时最好向厂家联系咨询。 通信天线基本的性能指标 天线的增益 增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离就越远。一般基地台天线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。 天线的电压驻波比 天线输入阻抗与馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。它是检验馈线传输效率的依据。电压驻波比与功率关系如下表。本公司产品符合国家标准，在工作频段的电压驻波比小于1.5，在工作频点电压驻波比小于1.2。电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。 电压驻波比 1.0 1.1 1.2 1.5 2.0 3.0 反射功率% 0.0 0.2 0.8 4.0 11.1 25.0 传输功率% 100 99.8 99.2 96 88.9 75 天线的方向性
合肥学院 课程综述 题目：我国基站天线的现状和发展前景___________ 系别：电子信息与电气工程系 _________ 专业： _______________ 班级： ___________ 学号： ____________________ 姓名： ________________________ 导师：郑娟 __________________________ 成绩： _______ 年 4 月 5 日
前言 天线，是用来发射和接收无线电波的一种金属装置。根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、基地台天线、车载天线三大类。基站使用的天线属于基地台天线，主要作用是对电磁波进行分集接收和发送，是移动通信系统无线接入网的重要组成部分。 一．基站天线的概念 在蜂窝移动通信系统中，天线是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，是空间无线通信的桥头堡。基站天线就是用来和终端（手机等）收发数据的天线，一般都在楼顶上。 因此基站天线是移动通信系统的重要组成部分，其特性直接影响整个无线网络的整体性能。移动通信基站天线的发展主要经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线，以及MIMO天线、有源天线等过程。 二．基站天线的技术参数 1.电性能参数 1、工作频段（Frequency Range） 2、输入阻抗 3、驻波比（VSWR） 4、极化方式（Polarization） 5、增益（Gain） 6、水平、垂直波瓣3dB宽度（H/V-Plane Half Power Beam Width） 7、下倾角（Down Tilt） 8、前后比（Front-to-Back Ratio） 9、旁瓣抑制与零点填充（Elevation Upper Side lobes & Null Fill） 10、三阶互调（Third Order Inter modulation） 2.机械性能参数 1、尺寸/重量 2、天线罩材料（Radome Material） 3、外观颜色（Colour） 4、工作温度（Operating Temperature Range） 5、存储温度（Storage Temperature Range ） 6、风载（Wind Load） 7、迎风面积（Flat Plate Area）
Communications Technology ? 通信技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程? 31【关键词】智能天线 未来 5G 移动通信 应用 智能天线所使用的技术是空分复用，也 就是SDMA 但信号传播技术，它在信号传播 方向方面的差别和频率的应用非常细致，能够 将同时间间隙的信号严格的区分开，成倍的进 行扩展信息容量的应用。和其他复用技术相结 合，最大限度的利用有限的频谱资源，就可以 排除一些复杂地形和建筑物的干扰，排除大量 用户之间相互影响的干扰，并且会解决同信道 干扰、信息质量严重减缓的问题。 1 智能天线的基本概述和优点 智能天线技术成为目前移动通讯中非常 具有吸引力的技术，在空分多址技术和信号与 传输方向方面产生极大差别的同事，同频率或 者同时间间隙的信号被严格区分开，它可以最 小的利用有限的信道资源，对于没有方向性的 天线进行比较，因此降低了发射功率的电平， 提高了信噪比，克服信道传输衰落对于信号的 影响。 所谓的智能天线，它的本质是利用多个 天线的单元空间正交性，采用SDMA 功能和 技术来实现系统的容量，提升了频率的利用率， 从而使系统性能达到最佳的优化性，在天线距 阵产生定向波束的时候，能够智能地指向客户， 自动的调整系数，实现对于所在空间的滤波。 智能天线的优点是可以实现移动台的定 位，也就是说，可以获取接收信号的空间特征 矩阵，对于两个基站，可以将用户终端定位到 一个较小的区域之内，尤其是针对传统的蜂窝 移动通讯系统，只能确定移动蜂窝通信系统智 能确定所处移动小区的弊端非常具有优越性。 2 智能天线在移动通信中的应用内容智能天线在未来5G 移动通信中的应用 文/张宏宇 杨永忠 2.1 其应用范围的界定智能天线在未来的应用主要是在5G 网络基站端的收发，是大范围的复杂性信号频率收发的基础。而小规模的移动台，尤其是手机，受到体积和电源等方面限制，因此并不适用智能化的移动天线。2.2 智能天线的上行收技术智能天线的上行，受技术研究起步非常早，能够实现较为容易和成熟的应用，在理论上，由于智能天线是多波束的提醒，因此接受信号的时候，可以将接受的多径信号进行最大比例的优化，这种优化实际上就是一种智能化的计算，可以得到比标准的现象更少的干扰。为了改善上行干扰的目的，与下行干扰改善不同的是，应用时可能更多应用天线到小区范围，而上行干扰的改善，主要是针对应用智能天线的小区。2.3 智能天线的下行束技术智能天线将下行信号强行的集中在有话务的区域，会降低对其它小区的干扰，下行干扰的改善，可以针对整个区域的小区，在实际应用中通过，对于智能天线引入之后的下行信号强度调整，就可以评估整个的下行干扰。这两天先主要是通过减少下行场强度来逐渐降低对于其它小区的干扰。3 智能天线在未来5G移动通信的应用 3.1 智能天线在MIMO系统中的应用智能天线在MIMO 广泛的应用在链路两端，就可以提供多副天线，形成一种典型的时空，处理技术，他可以达成波束成形，空时编码空间复用，在智能天线的关键性技术中，能够对准期望客户提高性价比，抗干扰。尤其是可以最大化的提升数据率，因此空时编码方案能够成倍的提高分集增益。慢慢还将出现更加趋于信道之间正交的MassiveMIMO 技术耗费一定的时耗号资源，基于导频的信道估计，就可以达到更好的连接效果。3.2 智能天线在TD中的成功应用智能天线技术在TD-SCDMA 系统中的成功应用成为未来移动通信技术和模式的亮点，在常规的智能天线采取多径传播的情况之下，具有更强的抗衰落能力，在未来宽带无线移动技术和通讯普及之后，智能天线可以搭乘强大 的网络和资源的互通有无。3.3 智能天线的多天线技术智能天线的多天线技术，经历了从无缘到有缘的阶段，慢慢的由高阶多输入和多输出到大规模阵列的输出和发展。采用智能天线的发展技术，可以支持多用户的波束智能赋型，减少用户之间的干扰，加上毫米波和技术性的优势，可以进一步的改善无线信号的覆盖性能，在针对大规模的无线信道测量和建模之后，可以提升其反馈机制和基础性的研究问题，实现绿色节能和环保的总体覆盖能力显著提升。4 结论综上所诉，可以发现，智能通信技术的发展离不开器件的发展，智能天线技术是其中一个非常重要的方面，智能天线被应用到5G 网络连接应用之后，就可以把通信技术的，频率和效率成倍提升，移动通信技术得到了有效的应用，完善了整个移动体系，避免了移动通信技术的应用出现各种各样潜在的问题。参考文献[1]张龙.MIMO 系统中智能天线阵列研究[D].华中科技大学,2012.[2]京移通信设计有限公司 晁文杰.智能天线在未来移动通信中的应用[N].人民邮电,2005-01-16.[3]曹恺,裘正定.智能天线技术在未来移动通信系统中的应用[J].电子工程师,2001(01):32-34.[4]裴小燕,胡健栋.智能天线在未来移动通信系统中的应用[J].通讯世界,2000(11):21-22.[3]潘红娜,蔡振兴.智能天线在移动通信中的应用[J].无线互联科技，2013(02):50.作者简介张宏宇（1980-），男，吉林省长春市人。大学本科学历。就职于吉林吉大通信设计院股份有限公司。工程师。主要研究方向为无线通信。杨永忠(1971-），男，吉林省长春市人。研究生学历。就职于吉林吉大通信设计院股份有限公司。高级工程师。主要研究方向为光通信。作者单位吉林吉大通信设计院股份有限公司 吉林省长春市 130012
文章编号:1006-7043(2000)06-0051-06 智能天线综述 肖炜丹,楼 吉吉,张 曙 (哈尔滨工程大学电子工程系,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:智能天线技术作为ITM -2000(International Mobile Telephone -2000,2000年全球移动电话)的核心技术之一,受到国内外移动通信业的高度重视.本文对智能天线的基本概念、基本原理和国内外研究现状等进行了综合论述,并讨论了其相关技术及应用和发展前景,最后对智能天线技术研究中的难点和应注意的问题发表了看法.① 关 键 词:智能天线;软件无线电;移动通信;ITM -2000;第二代移动通信系统;第三代移动通信系统中图分类号:TN911.25 文献标识码:A Summ arization of Sm art Antennas XIAO Wei-dan ,LOU Zhe ,ZAN G Shu (Dept.of Electronic Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China ) Abstract :Great attention is paid to the application of smart antennas by mobile communication trade both here and abroad as one of the key techniques for ITM -2000(International Mobile Telephone -2000).The paper presented basic concepts and principles of the smart antennas ,including its research situation at home and abroad ,and then discussed correlated technologies and potential applications.Finally ,the authors ’opinions were presented about the difficulties and the problems that should be considered in the research of smart antennas. K ey w ords :smart antenna ;software radio ;mobile communication ;ITM -2000;2G;3G 近年来全球通信事业飞速发展,通信业务的需求量越来越大,特别是第三代移动通信等新概念的出现,对通信技术提出了更高的要求.第三代移动通信系统的理想目标是有极大的通信容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率.在复杂的移动通信环境和频带资源受限的条件下达到这一目标,主要受3个因素的限制:1)多径衰落;2)时延扩展;3)多址干扰.为克服这些限制,仅仅采用目前的数字通信技术是远远不够的.近几年开始研究的移动通信的智能技术,即智能移动通信技术,包括智能天线、智能传输、智能接收和智能 化通信协议等,为克服和减轻这些限制,达到或接近第三代移动通信系统的理想目的,提供了最有力的技术支持,已成为第三代移动通信系统最重要的技术保证.而其中的智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力,不仅是目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段,也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势,成为第三代移动通信系统的核心技术.为便于广大通信爱好者能够对智能天线技术有所了解,本文将从智能天线的概念、原理、相关技术及其应用做一简要介绍. ①收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-11-15 作者简介:肖炜丹(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工程大学电子工程系硕士研究生,主要研究方向:通信与信息系统. 第21卷第6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.21,№.62000年12月 Journal of Harbin Engineering University Dec.,2000
移动通信系统中的智能天线技术 移动通信系统中的智能天线技术 随着移动通信的蓬勃发展，用户数量迅速增加，频谱资源越来越紧张，如何利用现有频谱资源进一步扩展容量已成为移动通信发展的关键问题。智能天线技术利用阵列天线替代常规天线，能够降低系统干扰，提高系统容量和频谱效率，因此智能天线技术受到业界的广泛关注。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳相控阵天线，完成空间滤波和定位等。近年来，随着现代数字信号处理技术的发展，数字信号处理芯片处理能力的提高和价格的降低，以及ASIC技术的日益成熟，智能天线技术不久即将应用于移动通信系统。一、智能天线原理从方向图来区分，天线主要有全向天线和定向天线两种：全向天线在各个方向的发射和接收均相同，应用于360°覆盖小区；当采用小区分裂技术后，应采用仅覆盖部分小区的定向天线。后者与前者相比，提高了信道复用率。上述两种方式的覆盖区域形状是固定的。智能天线可以产生多个空间定向波束，动态改变覆盖区域形状，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，并且自动跟踪用户和应用环境的变化，从而有效抑制干扰，提取用户信号，提高链路性能和系统性能。与时分多址、频分多址或码分多址相对应，智能天线为一种空分多址SDMA技术。它与其他的多址方式相配合，增加了自由度，因此可以有效地增加系统容量、减小干扰和衰落、降低系统成本。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。二、智能天线分类波束形成是智能天线的关键技术，是提高信干比、增加用户容量的保证。波束形成对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置进行控制，在期望方向保证高增益波束指向的同时，在干扰方向形成波束零点，并通过调节各阵元的加权幅度和加权相位来改变方向图形状。智能天线可以分为预多波束和自适应波束两大类。1．预多波束形成预多波束预先生成多个固定波束覆盖某个小区。根据接收到的用户信号，确定用户所在的波束，用户在小区内移动时，实现用户和波束的切换。下行波束采用与上行波束相对应的权值。预多波束切换类的关键在于确定与用户对应的波束。预多波束对于处于非主瓣区域内的干扰，可以通过控制旁瓣来抑制。对于处于主瓣区域内的干扰，系统将无法抑制。在TDMA和FDMA系统中的计算和模拟显示，利用30°的预多波束智能天线系统平均有7.6dB的增益，系统频率复用系数为4时可达到频率复用系数为7的容量。波束处理系统由预多波束形成子系统和预多波束切换子系统组成。传统基带处理部分包括：Rake合并、功率控制指令产生、解交织、信道解码等等。2．自适应波束形成自适应波束形成通过调节各阵元的加权幅度和加权相位，来改变阵列的方向图，使阵列天线的主瓣对准期望用户；同时阵列天线的零点和副瓣对准其他用户，从而提高接收信噪比，满足某一准则下的最佳接收。它同预多波束的区别在于：某一用户的波束要随着用户移动而移动。自适应波束的结构有许多种。主要的自适应算法有如下几种：a．基于波达方向估计经典DOA估计方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改进算法，还有最大似然估计、基于高阶累计量、基于特征值分解的次最优估计等方法。该类算法要解决的问题是计算复杂、自由度小、矩阵分解等等。b．非盲自适应处理自适应处理中的期望信号对自适应处理结果影响很大。在CDMA系统中，由于提供了导频信道，因此完全有条件进行非盲自适应处理。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是该算法的具体实例。c．盲自适应波束形成盲自适应是无法提供自适应算法中要求的期望信号，只能利用传输信号的特性进行波束形成，实现盲自适应算法。这种方法不是最优估计，典型的代表有CMA 恒模算法。CMA有许多变形，如MT-LSCMA、MT-DD等。三、智能天线对移动通信系统的影响1．智能天线的优点智能天线对系统性能的改善如下：a．提高系统容量智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。b．增大覆盖范围波束形成是多根天线的矢量叠加，等效为天线增益的增加，也就是提高了基站接收机的灵敏度和
4.1 天线高度的调整 天线高度直接与基站的覆盖范围有关。一般来说，我们用仪器测得的信号覆盖范围受两方向因素影响： 一是天线所发直射波所能达到的最远距离； 二是到达该地点的信号强度足以为仪器所捕捉。 900MHz移动通信是近地表面视线通信，天线所发直射波所能达到的最远距离（S）直接与收发信天线的高度有关，具体关系式可简化如下： S=2R(H+h) 其中：R-地球半径，约为6370km； H-基站天线的中心点高度； h-手机或测试仪表的天线高度。 由此可见，基站无线信号所能达到的最远距离（即基站的覆盖范围）是由天线高度决定的。 GSM网络在建设初期，站点较少，为了保证覆盖，基站天线一般架设得都较高。随着近几年移动通信的迅速发展，基站站点大量增多，在市区已经达到大约500m 左右为一个站。在这种情况下，我们必须减小基站的覆盖范围，降低天线的高度，否则会严重影响我们的网络质量。其影响主要有以下几个方面： a. 话务不均衡。基站天线过高，会造成该基站的覆盖范围过大，从而造成该基站的话务量很大，而与之相邻的基站由于覆盖较小且被该基站覆盖，话务量较小，不能发挥应有作用，导致话务不均衡。
b. 系统内干扰。基站天线过高，会造成越站无线干扰（主要包括同频干扰及邻频干扰），引起掉话、串话和有较大杂音等现象，从而导致整个无线通信网络的质量下降。 c. 孤岛效应。孤岛效应是基站覆盖性问题，当基站覆盖在大型水面或多山地区等特殊地形时，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆盖范围不变的基础上，在很远处出现”飞地”，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到，这样就造成”飞地”与相邻基站之间没有切换关系，”飞地”因此成为一个孤岛，当手机占用上”飞地”覆盖区的信号时，很容易因没有切换关系而引起掉话。 4.2 天线俯仰角的调整 天线俯仰角的调整是网络优化中的一个非常重要的事情。选择合适的俯仰角可以使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于天线垂直方向图中增益衰减变化最大的部分，从而使受干扰小区的同频及邻频干扰减至最小；另外，选择合适的覆盖范围，使基站实际覆盖范围与预期的设计范围相同，同时加强本覆盖区的信号强度。 在目前的移动通信网络中，由于基站的站点的增多，使得我们在设计市区基站的时候，一般要求其覆盖范围大约为500M左右，而根据移动通信天线的特性，如果不使天线有一定的俯仰角（或俯仰角偏小）的话，则基站的覆盖范围是会远远大于500M的，如此则会造成基站实际覆盖范围比预期范围偏大，从而导致小区与小区之间交叉覆盖，相邻切换关系混乱，系统内频率干扰严重；另一方面，如果天线的俯仰角偏大，则会造成基站实际覆盖范围比预期范围偏小，导致小区之间的信号盲区或弱区，同时易导致天线方向图形状的变化（如从鸭梨形变为纺锤形），从而造成严重的系统内干扰。因此，合理设置俯仰角是保证整个移动通信网络质量的基本保证。 一般来说，俯仰角的大小可以由以下公式推算：