智能天線及其在無(wú)線通信中的應(yīng)用論文

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1、智能天線及其在無(wú)線通信中的應(yīng)用論文.freel。歐洲電信委員會(huì)(ETSI-EuropeanTelemunicationsStandardsInstitute)在其第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中(UMTS-UniversalMobileTelemunicationSystem),明確提出智能天線系統(tǒng)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。并制定相應(yīng)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃,即:TSUNAMI(TechnologyinSmartAntennasforUniversalAdvancedMobileInfrastruc-ture)。二、智能天線及其與傳統(tǒng)技術(shù)的比較首先,我們給出智能天線的

2、典型結(jié)構(gòu),如圖1所示。智能天線由以下三部分構(gòu)成:天線陣列,信號(hào)合成通道和自適應(yīng)控制單元。其中,天線陣列是由按某種規(guī)律排列的單元天線構(gòu)成的。常用的陣列形式有直線陣列與圓形陣列。信號(hào)合成通道則將來(lái)自每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號(hào)加權(quán)相加,其中的權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù)。也就是說(shuō),每路信號(hào)的幅度與相位均可改變。自適應(yīng)控制單元是智能天線的核心。該單元的功能是根據(jù)一定算法和優(yōu)化準(zhǔn)則主動(dòng)地去適應(yīng)周圍電磁環(huán)境的變化。進(jìn)一步地,我們來(lái)推導(dǎo)窄帶假設(shè)條件下(信號(hào)帶寬的倒數(shù)遠(yuǎn)小于電磁波波前跨越天線陣列的時(shí)間)智能天線的矢量模型。對(duì)由m個(gè)陣元構(gòu)成的陣列天線,信號(hào)在第i個(gè)陣元的響應(yīng)可表示如下:其中,L為多

3、徑信號(hào)的數(shù)目,gi(θl)為以θl角度入射到天線陣列的第l徑信號(hào)在第i個(gè)陣元上的響應(yīng)。αl(t),τl分別為第l徑信號(hào)的復(fù)包絡(luò)和時(shí)延。u(·)表示經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信源。定義m維復(fù)矢量x(t)和a(θl):因此天線陣列的輸出響應(yīng)可以表示為：其中,αl(t)遵從Rayleigh或Rician分布;a(θ)被定義為陣列綜合因子,該參數(shù)由陣列的幾何結(jié)構(gòu)、各單元的方向圖、單元之間的互耦、鄰近散射體對(duì)陣列天線的影響等諸多因素共同決定。u(t)代表發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu),在GMSK調(diào)制制式中,該函數(shù)有如下的表達(dá)式:式中,φ(t)為MSK信號(hào)通過(guò)Gaussian濾波器后的相位函數(shù)。當(dāng)考慮

4、同波道干擾和熱噪聲時(shí),天線陣列接收到的信號(hào)表示如下:上式第二項(xiàng)為Q-1個(gè)干擾源產(chǎn)生的同波道干擾。第三項(xiàng)為零均值加性高斯白噪聲。智能天線的算法直接影響著智能天線的性能。一般地,智能天線的算法可分為單用戶算法和多用戶算法兩大類。在單用戶算法中,把其他用戶產(chǎn)生的干擾等效為加性高斯噪聲。而在多用戶算法中,則需要同時(shí)分辨出其他用戶產(chǎn)生的同波道信號(hào),因此多用戶算法是實(shí)現(xiàn)SDMA的基礎(chǔ)。智能天線的算法若按照其優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可分為基于最大似然序列估計(jì)準(zhǔn)則的MLSE(MaximumLikelihoodSequenceEstimation)算法和基于最小均方誤差準(zhǔn)則的MMSE(Min

5、imumMeanSquareError)算法兩類。對(duì)GSM或IS-54系統(tǒng),由于在突發(fā)的數(shù)據(jù)流中包含訓(xùn)練序列,宜采用有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法(TrainingSignalMethod),該算法可以實(shí)時(shí)反映信道的變化,但卻是以降低頻譜利用率為代價(jià)的。而對(duì)于非Gaussian信號(hào)、恒包絡(luò)信號(hào)(ConstantModulus)可采用無(wú)導(dǎo)師的自學(xué)習(xí)算法(BlindMethod)。智能天線與自適應(yīng)天線并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別,但是由于其使用的場(chǎng)合不同而具有顯著的差異:自適應(yīng)天線主要應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消,一般地,雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的功率電平,并且干擾源數(shù)目與天線陣列單元數(shù)相當(dāng)

6、。而在無(wú)線通信系統(tǒng)中,由于多徑傳播,到達(dá)天線陣列的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣列單元數(shù),同時(shí)其功率電平一般都小于直射信號(hào)。圖2顯示了典型的十單元半波長(zhǎng)均勻直線陣列,在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中方向圖的比較(圖中干擾源分別位于±75度和±35度)。分集接收是無(wú)線通信系統(tǒng)常用的抗多徑衰落技術(shù)方案。事實(shí)上,分集技術(shù)利用了陣列天線中不同陣元耦合得到空間信號(hào)的弱相關(guān)性。常用的分集技術(shù)有:空間分集、極化分集、頻率分集和角度分集。N單元的智能天線實(shí)質(zhì)上也可等效為,由N個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并的準(zhǔn)則構(gòu)成的空間分集陣列。從這個(gè)意義上講,智能天線是傳統(tǒng)的分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。例如:小區(qū)的扇區(qū)化技術(shù)即可認(rèn)

7、為是一種簡(jiǎn)化的固定預(yù)分配的智能天線系統(tǒng)。表1對(duì)智能天線與分集技術(shù)的特點(diǎn)做了詳細(xì)比較。無(wú)線通信系統(tǒng)常常要求天線具有窄的主瓣寬度、高增益和低的付瓣電平。但是對(duì)一定結(jié)構(gòu)的天線而言,上述兩個(gè)要求是矛盾的。事實(shí)上,天線陣列的方向圖等于單元方向圖和陣列因子的乘積。因此選取適合的陣列圖案和單元方向圖是智能天線的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。平面任布陣列是一種具有很強(qiáng)應(yīng)用背景的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于給定陣列單元數(shù)量的陣列分布,如果其占據(jù)的幾何空間越大,則形成尖銳主瓣波束的能力越強(qiáng)。例如,對(duì)一個(gè)10單元的直線陣列,當(dāng)主付瓣功率電平差為40dB時(shí),主瓣寬度為40°。三、智能天線在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在傳

8、統(tǒng)的無(wú)線通