1、智能天线技术摘 要介绍了智能天线的关键技术与特点,并从如何解决无线通信系统的问题方面分析了智能天线技术的应用。着重讲述了智能天线的设计,以及智能天线的美化设计，解决环境美化、选址等问题并提出设计方案。智能天线技术为无线通信系统提供了方便。关键词:智能天线;无线通信系统;美化设计;AbstractThe smart antenna is introduced the key technology and characteristics,and how to solve the problem of wireless communication system analysis of the sma
2、rt antenna technology application. The emphasis on the design of smart antenna and the landscape design of smart antenna .Landscaping,solve the problem and put forward the design scheme selection. Smart antenna technology for wireless communication system provides a convenient.Keywords:intelligent a
3、ntenna;wireless communicationsystem;landscapedesign 目录摘 要 1Abstract 21 绪 论 52.智能天线的概述 62.1智能天线的起源 62.2智能天线的概念 62.3智能天线的实现原理 72.4智能天线的分类 72.4.1自适应天线 72.4.2切换波束天线 82.4.3两种智能天线的比较 82.5智能天线与常规天线的比较 92.6智能天线的特点 92.6.1智能天线的优势 92.6.2智能天线的缺点 103.智能天线技术 113.1智能天线的实现 113.1.1组件空间处理方式 113.1.2波束空间处理方式 113.2智能天线的
4、关键技术 113.2.1智能化接收技术 113.2.2智能化发射技术 123.2.3动态信道分配 124.智能天线在无线通信系统中的应用 134.1提高频谱利用率 134.2迅速解决稠密市区容量瓶颈 134.3抑制干扰信号 134.4抗衰落 134.5实现移动台定位 135.智能天线的测试 155.1测试参数 155.2测试方法 156.智能天线的美化 176.1智能天线美化需求 176.2美化智能天线产品分类 176.2.1一体化美化天线 176.2.2加罩美化天线 176.2.3高杆类美化天线 186.3一体化美化天线和加罩美化天线的比较 186.3.1成本比较 186.3.2性能比较 1
5、86.4智能天线美化与伪装的应用 18总 结 20致谢 21参考文献 22附录 231 绪 论随着无线通信产业的高速发展、多媒体信息的交流急剧增加,市场对无线通信技术的不断改进和更新提出了更高的要求。未来的无线通信技术将向着高速率、高容量、高质量与高弹性的趋势发展。要满足这些应用需求,必须借助高效率的频谱应用技术来支持。其中,频谱资源势必成为日益宝贵的资源之一。因此,无线通信系统应特别考虑到无线接入能力的提升,以达到最佳的频谱利用效率。智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，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，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信
6、号的目的。智能天线的特点智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列,最初广泛应用于雷达、声纳和军事通信领域,近年来由于数字信号处理技术的迅速发展、IC处理速度的提高和价格的下降,使智能天线技术在商用无线通信系统中的应用可能性大幅度提高。与其他日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。智能天线技术在无线通信系统中的应用逐渐广泛，技术日益成熟，已经成为移动通信系统中最具有吸引力的技术之一，将在未来的通信发展中发挥更巨大的作用。但随着居民的环保意识增强，景观美化、提高天馈系统稳定性的要求以及选址困难等因素要求对智能天线进行美化。2.智能天
7、线的概述对于CDMA系统，为了使一个扇区中能够容纳更多的用户就必须降低系统的总噪声水平。CDMA系统容量直接取决于总噪声水平。对于一个用户来说，其他用户的信号都是干扰信号，只有降低每一个用户的信号或降低此用户对其他用户的干扰信号，才能大大提高系统容量。智能天线系统的目的正在于此。智能天线系统主要包括天线设备和计算机系统。通过计算机系统的复杂运算，是天线形成非常窄的特定波束，这个特定波束直接到达特定的用户，这样就可以使这个用户对其他用户的干扰降低到最低。因为系统中同时会有多个用户同时通信，所以只能天线系统要形成多个非常窄的特定波束，并且这些特定波束要随着用户的增减而实时变化，因此智能天线系统非常
8、复杂。2.1智能天线的起源随着通信需求的不断扩展，对数据传输速率和网络容量的要求也不断提高，传统的天线已经不能满足需求。智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰，提高了载干比，从而提供更高的数据传输速率和更大的网络容量。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不
9、断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数目增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。2.2智能天线的概念智能天线定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号和多径干扰信号，智能天线示意图如图1所示。 图1 智能天线示意图不同于常
10、规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：(1)扩大系统的覆盖区域；
11、(2)提高系统容量；(3)提高频谱利用效率；(4)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2.3智能天线的实现原理智能天线阵列由多个阵元组成，每个阵元都是全向辐射元，通过一系列的算法控制各个阵元的幅度、相位，使它们在某个方向某点进行空中叠加。以同相增强，反相抵消的干涉原理叠加，空中每一点的叠加结果都不一样，形成在某个方向很强，某个方向很弱的信号。控制阵元的幅度、相位，可以再天线射频处实现，也可以在基带部分实现。通过基带算法改变各个阵元的幅度、相位，就可以形成任意波束，对准特定的用户进行接收或发射（收发互易）。智能天线在广播信道和业务信道分别工作于两种模式，业务信道时的波束较
12、窄，增益较大，这样一方面可以节省移动台和基站发射功率，另一方面可以减小干扰。2.4智能天线的分类智能天线包括自适应天线和切换波束天线2.4.1自适应天线自适应天线是一种控制反馈系统，他利用多个天线阵元接收信号的加权组合进行信号处理。它采用数字处理技术,根据一定的准则形成天线阵列的加权向量,通过对各天线阵列接收信号进行加权合并,在期望用户的方向形成主波束,在干扰方向上形成零陷,同时,自适应天线能根据期望用户和干扰的空间位置改变自动调整接收和发射方向图,将天线的主波束对准期望用户,而将零陷对准干扰用户，从而达到提高信干噪比（SINR）的目的。自适应天线阵列的阵元接收的信号首先下变频到基带，然后每路
13、信号用复扰码分离同相和正交分路，通过利用上行链路发送的导频信号，可以对每路信号的时延和相位进行较准确的估计。导频符号对信道的估计可以对波束形成加权矢量进行控制.自适应天线阵列的方向图无固定的形状,可以随着信号及干扰的变化动态自适应变化.2.4.2切换波束天线实际的通信系统中总是存在有用信号和干扰信号,通过多个波束可以减少干扰,通过选择性联通含有有用信号的波束可以进一步的抑制来自相邻区域的干扰,这就是波束切换的基本思路.为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。切换
14、波束天线首先利用波束形成网络形成有限数目的,固定的,预定义的多波束图覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束的宽度也随着天线数目而确定.系统从几个预定义的,固定波束中选择使输出功率最大的波束.当移动台从一个扇区移动到另一个扇区使,系统从一个波束切换到另一个波束,从而在特定的方向上提高灵敏度,提高通信容量和质量.2.4.3两种智能天线的比较自适应天线阵列在信干噪比和信道容量放面有很好的改善。并且当同时通话的移动台数量小于天线单元数时，将产生比切换波束天线更优的性能，通过指向波束提高了期望用户增益，降低了噪声和干扰的影响，其信干噪比改善优于切换波束天线，大大增加了容量和频谱的利用率。但是，自适
15、应天线算法较复杂，运算量和存储量一般较大，对硬件的处理速度和存储单元要求较高。切换波束天线结构简单，复杂度较低，运算量小，易于实现，无须判定用户信号到达方向。但是，切换波束天线不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差。对靠近期望信号的多径分量没有采取有效措施，对多径信号的角度更为敏感，并且还不能区别主瓣里的有用信号和干扰信号。2.5智能天线与常规天线的比较智能天线与常规天线的比较如表1所示常规天线智能天线能量分布在整个小区能量只是指向有移动用户活动的小区区域在没有移动用户活动的区域，干扰不会下降手机用户在整个小区被跟踪最小化对其他用户的干扰最大程度改善期望用户的信号 表1智能天线与常规天线的比较2.
16、6智能天线的特点2.6.1智能天线的优势（1）智能天线波束赋形的结果等效于增大天线的增益，提高接收灵敏度：（2）智能天线波束赋形算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无线通信系统性能恶化，还可利用多径的能量来改善性能；（3）智能天线波束赋形后，只有来自主瓣和较大旁瓣方向的才会对有用信号形成干扰，大大降低了多用户干扰问题，同时波束赋形后也大大减少了小区间的干扰；（4）智能天线获取的DOA提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位；（5）智能天线系统虽然使用了多部发射机，但可以用多只小功率放大器来代替大功率放大器，这样可降低基站的成本，同时，多部发射机增加了设备的冗余，提高了设备的可
17、靠性；（6）采用智能天线可以使发射需要的输入端信号功率降低，同时也意味着能承受更大的功率衰减量使得覆盖距离和范围增加；（7）智能天线具备定位和跟踪用户终端能力，从而可以自适应地调整系统参数以满足业务要求，这表明使用智能天线可以改变小区边界，能随着业务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道，即实现信道的动态分配；（8）智能天线获得的移动用户的位置信息，可以实现接力切换，避免了软切换中宏分集所占用的大量无线资源及频繁的切换，提高了系统容量和效率；（9）在TD-SCDMA系统中，智能天线结合联合检测和上行同步，理论上系统能工作在满码道情况。2.6.2智能天线的缺点当然，智能天线在公众陆地移动通信系统
18、中应用也有一些缺点，比如智能天线只能克服一个码片间隔内的多径干扰、在高速移动环境下的性能方面不太理想。TD-SCDMA系统中采用结合联合检测技术的解决方案，仿真和外场测试表面性能有很大改善，满足ITU的商用要求。另外，智能天线对无线资源管理也产生一定的影响。3.智能天线技术3.1智能天线的实现根据天线波束形成的不同过程，实现智能天线的方式分为两类：组件空间处理方式与波束空间处理方式。3.1.1组件空间处理方式组件空间处理方式直接对阵元接收信号支路加权，调整信号振幅与相位，使天线输出方向图主瓣方向对准用户信号到达方向。因为是阵元组件信号，模数转换(ADC)后不经其它处理直接加权，故又称组件空间处
19、理方式。3.1.2波束空间处理方式与组件空间处理方式的不同之处在于，信号从阵元组件接收并模数转换(ADC)后，需经相应处理(如快速付立叶变换)，得到彼此正交的一组空间波束，再经过波束选择，从中根据需要选取部分或全部波束合成阵列输出方向图。因为用户信号往往深埋于噪声信号与干扰信号中，不易得到阵元接收信号的最佳加权。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，这样可以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。3.2智能天线的关键技术3.2.1智能化接收技术 应用智能天线CDMA系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的多址干扰（MAI）和多
20、径信道带来的码间干扰（ISI）会使到达基站的用户信号产生畸变，所以必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复（即多用户检测MUD）。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。 另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量，如DOA、空域特征（SS，Spatial Signature）等，它们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。目前，完成智能化接收的方法主要有基于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。前一类方法又分子空间方法和基于参数估计准则的方法两大类。后一类方法主要利用信号的时域信息和先验特征进行空域处理。 3.2.2智能
21、化发射技术 在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量的要求，发射信号功率一定要动态控制，在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下（各小区干扰基本稳定），满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发给它的下行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于反馈和基于上行链路参数估计两种方法。前一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号，估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。基于上行链路参量估计的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。TDSCD
22、MA采用后一种方法。 在时分双工（TDD）系统中，上、下行链路使用同一载波频率，在信道特征变化相对较慢的情况下，可以近似认为上、下行链路的信道特征相同，可使用对上行信道的估计设置下行链路参数。在频分双工（FDD）系统中，由于上、下行链路载频不同，上、下行链路的信道特性差异很大，要分别估计上、下行链路特征，所以在FDD系统中使用智能天线比在TDD系统中使用要复杂得多，这也是TDD系统较FDD系统的优势所在。 3.2.3动态信道分配 在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。在空分信道引入系统后，空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的
23、，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道分配不同。在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户，可分享同一时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题，且随着用户空间位置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配。空分信道分配必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种高效算法，以适应用户的移动性。对于CDMA系统，由于其容量是软容量，信道分配相对简单。智能天线本身具有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制技术。同时基站间的越区切换也将更为灵活。4.智能天线在无线通信系统中的应用使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需
24、要。智能天线可以从以下几个方面明显改善无线通信系统的性能，提高系统的容量。 4.1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。 4.2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。4.3抑制干扰信号智能天线可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（direction of arrinal），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用
25、移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的，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。4.4抗衰落高频无线通信的主要问题是信号的衰落，由于移动用户与基站的相对运动，每条多径都会有一个明显的频率移动，一起时间选择性衰落，即信号幅度随着时间变化，失真比较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线可用分集技术，减少衰落。 4.5实现移动台定位采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此
26、方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。智能天线能用于很多种无线通信系统中,以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公 众移动通信网方向发展,或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝小区正在向 微型化、 智能化方向发展,站距将更小,分布也更广泛,波束跟踪也更需智能化、 实时化,基站配 置也将更灵活,智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要 作用。而且,智能天线的应用也降
27、低了成本。目前国内在公众移动通信系统中虽然使用了性能 优良的单极化全向天线单极化定向天线、双极 化天线和先进的遥控电子倾角天线,尤其是后者给日常 的移动通信网络优化提供了方便,人们根据需要可以方便地调节天线倾角,以改善覆盖和干扰, 但是它们远不能和智能天线相比。智能天线可用于卫星移动通信系统，各种专用通信网以及军事通信等无线通信系统,以改善系统性能。正是由于智能天线具有重要的应用价值,所以国内外许多大学、研究所、通信公司等单位投入巨资,潜心研究,并已见硕果。5.智能天线的测试随着无线通信系统的商用化的脚步越来越近，作为无线通信系统的关键技术之一的智能天线技术也越来越得到大家的重视，因此智能天线
28、的测试方法也就显得至关重要。5.1测试参数不论是定向智能天线还是全向智能天线都可以分为三类测试参数。电路参数。包括垂直面电下倾角预设置值、垂直面电下倾角精度；输入阻抗、各单元端口驻波比、相邻单元端口隔离度、每端口连续波功率容量。校准参数。包括校准端口至各单元端口的耦合度、校准端口至各单元端口幅度最大偏差、校准端口至各单元端口相位最大偏差、校准端口驻波比、校准通道耦合方向性。性能参数。包括各单元端口有源输入回波损耗、垂直面半功率波束宽度、垂直面上部第一旁瓣抑制和下部第一零点填充；单元波束水平面半功率波束宽度、增益、前后比交叉极化比和交叉极化比；业务波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、水平面旁瓣电
29、平、广播波束视轴增益、方向图圆度。5.2测试方法图2a 智能天线测量示意图图2b 智能天线连接示意图如图2智能天线测量示意图所示，智能天线测试是将智能天线放在无回波的暗室中，连接网络分析仪进行测试，通过观察智能天线的驻波和交调来判断天线的好坏，并且不断地敲打天线的振子，观察波形的形状，以确定天线的稳定性。如果出现问题，应该检查是否有漏焊、虚焊的地方，接头与振子的好坏、移相器的安装是否正确以及上下垫片是否掉落等。6.智能天线的美化统计表明，人们对电磁波辐射问题越来越敏感，为了减少城市环境中智能天线安装给城市居民带来的布舒适感，天线的美化与伪装是一种有效的解决方案。天线的美化与伪装是指将智能天线与
30、美化造型的外壳结合在一起，设计出不同形态的与周围环境相适应的美化天线产品；或者将天线喷涂上与环境协调的颜色，达到美化伪装的效果。如图3所示图3 天线的美化与伪装6.1智能天线美化需求（1）、直接进行美化设计（2）、勘查环节、设计环节、采购环节进行美化考虑（3）、不超过3种类型，5中颜色6.2美化智能天线产品分类6.2.1一体化美化天线一体化美化天线指电磁辐射单元、辐射边界与美化外罩一体化设计的具有美化外观的天线。主要包括方柱型、圆柱型、烟囱型、空调外机型和变色龙型等。6.2.2加罩美化天线加罩美化天线指为了达到美化目的，对常规天线外加装的美化外罩。主要包括变色龙型、方柱型、圆柱型、烟囱型、水箱
31、型、水塔型、空调室外机型、栅栏型、围墙型和围栏型等。6.2.3高杆类美化天线高杆类美化天线指高度超过10米以上的天线，天线或美化外罩一般通过大型钢杆就行 。包括集束（避雷杆）型、单管塔（景观塔）型、高杆灯型和仿生树型等。6.3一体化美化天线和加罩美化天线的比较6.3.1成本比较表2是一体化美化天线与加罩美化天线的成本比较表，一体化美化可节省成本约15%。同时，其在网络优化和网络调整过程中的整体优势，势必随着网络中美化天线的大规模使用显得更加明显。产品勘测运输施工架设维护加罩美化天线外形不规则、采购费用高多次勘测体积大、不可分解，运输费用高架设个性化、难度大需分拆调试一体化美化天线标准化、易批量采购性能可控、不需后期勘测体积较小、易拆解和安装架设标准化、安装人性化电调、调试准确度高、简单节省费用约5%约50%约30%约50%约20%表2 一体化美化天线与加罩美化天线的成本比较表6.3.2性能比较采用传统的加罩美化方式，盲区区域的明显增大，同频干扰的点相应增多。由于在高频部分加罩美化使方向图产生崎变；前后比变差（813dB）；增益随频率的增高，损耗会增大，影响智能天线的智能化。而一体化美化天线和单天线指标值差异较少。经过分析可以看出，由于加罩类美化产品对电气指标影响较大，特别在3G频段，尤其
