1、山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文蕪湖職業技術學院蕪湖職業技術學院 電氣工程系畢業論文題目：談智能天線在移動通信中的應題目：談智能天線在移動通信中的應用用 姓 名： 邢玉豪 專 業： 應用電子技術 班 級： 電子 2 班 學 號： 1303020214 指導教師： 沈璐 2015 年 11 月山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文2 目目 錄錄摘摘 要要.3 關鍵詞關鍵詞.31 1 智能天線的基本原理智能天線的基本原理.32 2 智能天線的實現智能天線的實現.43 3 智能天線在移動通信中的用途智能天線在移動通信中的用途.43.13.1 抗抗衰衰落落 . 4 43 3. .

2、2 2 抗抗干干擾擾 .5 53 3. .3 3 增增加加系系統統容容量量 .5 53.43.4 實現移動臺定位實現移動臺定位.5 54 4 智智能能天天線線的的應應用用 .64.14.1 用于用于 FDMA 系統系統 6 64.24.2 用于用于 TDMA 系統系統 6 64.34.3 用于用于 CDMA 系系統統 6 64.44.4 用于無線本地環路系統用于無線本地環路系統 6 64.54.5 用于用于 DECT、PHS 等系統等系統 6 64.64.6 用于第三代移動通信用于第三代移動通信 6 65 智能天線技術的研究動向智能天線技術的研究動向 7 7山西職業技術學院 2008 級電子信

3、息畢業論文3致致 謝謝.8參考文獻參考文獻.9摘要介紹了智能天線的基本原理、實現方法及其在移動通信中的應用。 最初的智能天線技術主要用于軍事抗干擾通信和定位等。近年來,隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入,智能天線開始用于具有復雜電波傳播環境的移動通信。此外,隨著移動用戶數迅速增長和人們對通話質量要求的不斷提高,要求移動通信網在大容量下仍具有較高的話音質量。經研究發現,在不增加系統復雜度的情況下,使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。關鍵詞：智能天線移動通信容量覆蓋 AbstractThis paper introduces the basic

4、principle of smart antenna, the realization method and its application in mobile communication.In recent years, with the development of mobile communication and mobile communication technology, smart antenna has been used in the mobile communication, which has the high quality of service quality and

5、 network expansion, which is based on the research findings, which can meet the needs of service quality and network expansion without increasing the system complexity.山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文4Key words: smart antenna, mobile communication, capacity, coverage一、智能天線的基本原理 智能天線包括多波束天線陣列和自適應天線陣列,后者是智能天線的

6、主要形式。智能天線技術主要基于自適應天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權值調整算法組成的反饋控制系統,根據一定的算法分析該信號,判斷信號及干擾到達的方位角度,將計算分析所得的信號作為天線陣元的激勵信號,調整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應及其它參數。利用天線陣列的波束合成和指向,產生多個獨立的波束,自適應地調整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號的載干比,改善無線網基站覆蓋質量,增加系統容量。 基站使用智能天線,可為用戶提供窄定向波束,在一定的方向區域內收發信號。這樣既充分利用信號發射功率,又可降低發射信號帶來的電磁干擾。智能天線引入空分多址

7、(SDMA)方式,根據信號的空間傳播方向不同,區分用戶。 二、智能天線的實現 智能天線陣系統主要包括天線陣列、自適應處理器和波束形成網絡。天線陣列是收發射頻信號的輻射單元。自適應處理器把有一定規律的激勵信號轉換成與各波束相對應的幅度和相位,提供給各輻射單元,用來確定波束形成網絡各部分向圖的增益。波束形成網絡利用天線陣元產生的方向圖,實現智能天線的各種應用。 自適應處理器產生的各支路幅度和相位調整系數,是波束形成網絡工作的重要依據。自適應處理器包括信號處理器和自適應算法器。信號處理器根據所需進行的信號處理,自適應算法器根據均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度,用適當的算法調整方向圖,形成網絡

8、的加權系數,使智能天線陣系統性能達到最優化。 山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文5最初的智能天線采用復雜的模擬電路,如今采用數字波束形成(DBF)方式,用軟件完成算法更新,也可采用數模相結合的處理方法,既保證處理精度,又保證處理速度及靈活性。此外,為了使智能天線具有良好性能,應根據具體的電波傳播環境,選擇相應的智能算法。采用軟件無線電技術使系統具有良好的改善能力,提高系統性能。為了盡量減少對現有系統的改動,也可使用多波束智能天線。多波束天線利用多個指向固定的波束覆蓋全方向,雖然不能實現信號最佳接收,但結構簡單,便于實現,且無需判定所接收信號的方向。 三、智能天線在移動通信中的用途

9、(一)抗衰落 在陸地移動通信中,電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成,隨著移動臺移動及環境變化,信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速,且不規則,造成信號衰落。采用全向天線接收所有方向的信號,或采用定向天線接收某個固定方向的信號,都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向,天線自適應地構成波束的方向性,使得延遲波方向的增益最小,減小信號衰落的影響。智能天線還可用于分集,減少衰落。電波通過不同路徑到達接收天線,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自適應接收天線,將這些分量隔離開,然后再合成處理,即可實現角度分集。 (二)抗干擾 用高增益、窄波束智能天線陣代替現有 FD-MA 和 T

10、DMA 基站的天線。與傳統天線相比,用 12 個 30波束天線陣列組成 360全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于 CDMA 基站,可減少移動臺對基站的干擾,改善系統性能。抗干擾應用的實質是空間域濾波。智能天線波束具有方向性,可區別不同入射角的無線電波,可調整控制天線陣單元的激勵“權值”,其調整方式與具有時域濾波特性的自適應均衡器類似,可以自適應電波傳播環境的變化,優化天線陣列方向圖,將其“零點”自動對準干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統可靠性。 (三)增加系統容量 為了滿足移動通信業務的巨大需求,應盡量擴大現有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網絡所需的基站數量,必須通過各

11、種方式提高頻譜利用效率。方山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文6法之一是采用智能天線技術,用多波束板狀天線代替普通天線。由于天線波束變窄,提高了天線增益及 C /I 指標,減少了移動通信系統的同頻干擾,降低了頻率復用系數,提高了頻譜利用效率。使用智能天線后,毋需增加新的基站就可改善系統覆蓋質量,擴大系統容量,增強現有移動通信網絡基礎設施的性能。 未來的智能天線應能允許任一無線信道與任一波束配對,這樣就可按需分配信道,保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多信道資源,等效于增加了此類地區的無線網容量。采用智能天線是解決稠密市區容量難題既經濟又高效的方案,可在不影響通話質量情況下,將基站配置成全向

12、連接,大幅度提高基站容量。 當前我國正考慮大規模引入 CDMA 移動通信系統,但部分省市模擬系統占用了 CDMA 頻段,必須采用清頻手段解決此問題。使用智能天線,可大大改善模擬系統小區復用方式,增加模擬系統容量,即使清頻也不會導致模擬系統資源匱乏,為CDMA 系統留出頻段。 (四)實現移動臺定位 目前蜂窩移動通信系統只能確定移動臺所處的小區,如果增加定位業務,則可隨時確定持機者所處位置,不但給用戶和網絡管理者提供很大方便,還可開發出更多的新業務。 在陸地移動通信中,如果基站采用智能天線陣,一旦收到信號,即對每個天線元所連接收機產生的響應作相應處理,獲得該信號的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號的

13、功率估值和到達方向,即用戶終端的方位。通過此方法,用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區域。 四、智能天線的應用 (一)用于 FDMA 系統 據研究,與通常的三扇區基站相比,C /I 值平均提高約 8dB,大大改善了基站覆蓋效果;頻率復用系數由 7 改善為 4,增加了系統容量。在網絡優化時,采用智能天線技術可降低無線掉話率和切換失敗率。 (二)用于 TDMA 系統 無線能量在時間和空間上都受到限制,智能波束切換規則可提高 C /I 指標。據研究,用 4 個 30天線代替傳統的 120天線,C /I 可提高 6dB,提高了服務質量。在滿足 GSM 系統 C /I 比最小的前提下,提高頻率復用系

14、數,增加了系統容量。 山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文7轉(三)用于 CDMA 系統 在 CDMA 系統中,智能天線可進行話務均衡,將高話務扇區的部分話務量轉移到容量資源未充分利用的扇區;通過智能天線靈活的輻射模式和定向性,可進行軟/更軟切換控制;智能天線的空間域濾波可改善遠近效應,簡化功率控制,降低系統成本,也可減少多址干擾,提高系統性能。 (四)用于無線本地環路系統 在無線本地環路系統中,基站對收到的上行信號進行處理,獲得該信號的空間特征矢量,進行上行波束賦形,達到最佳接收效果。由于本系統采用 TDD 方式,可將上行波束賦形數據直接用于下行發射信號,實現對下行波束的賦形。天線

15、波束賦形等效于提高天線增益,改善了接收靈敏度和基站發射功率,擴大了通信距離,并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。 (五)用于 DECT、PHS 等系統 DECT、PHS 都是基于 TDD 方式的慢速移動通信系統。歐洲在 DECT 基站中進行智能天線實驗時,采用和評估了多種自適應算法,并驗證了智能天線的功能。日本在 PHS 系統中的測試表明,采用智能天線可減少基站數量。近期受移動“本地通”業務的啟發,我國一些地方提出利用 PHS 等技術建設“移動市話”,期望與蜂窩移動網爭奪本地移動用戶群。由于 PHS 等系統的通信距離有限,需要建立很多基站,若采用智能天線技術,則可降低成本。 (六)用于第三代移

16、動通信 采用智能天線技術可提高第三代移動通信系統的容量及服務質量,W-CDMA系統就采用自適應天線陣列技術,增加系統容量。在第三代移動通信系統中,我國SCDMA 系統是應用智能天線技術的典型范例。SCDMA 系統采用 TDD 方式,使上下射頻信道完全對稱,可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統具有精確定位功能,可實現接力切換,減少信道資源浪費。 五、智能天線技術的研究動向 我國早已將研究智能天線技術列入了國家 863-317 通信技術主題研究中的個人通信技術分項,許多專家及大學正在進行相關的研究。中國的第三代移動通山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文8

17、信系統基于同步碼分多址技術,廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術。作為系統根基的 SCDMA-WLL 的現場運行結果,足以證明基于 TD-SCDMA 技術的第三代移動通信系統是可行和成熟的。 歐洲在進行了基于 DECT 基站的智能天線技術研究后,繼續進行諸如最優波束形成算法、系統性能評估等研究。日本某研究所提出了基于智能天線的軟件天線概念,即用戶所處環境不同,影響系統性能的主要因素亦不同,可通過軟件采用相應的算法。 美國的 Metawave 公司對用于 FDMA、CD-MA、TDMA 系統的智能天線進行了大量研究開發;ArrayComm 公司也研制了用于無線本地環路的智能天線系統;美國德州大學建

18、立了智能天線試驗環境;加拿大 McMaster 大學也對算法進行了研究。 當前對智能天線的研究包括智能天線的接收準則及自適應算法;寬帶信號波束的高速波束成形處理;用于移動臺的智能天線技術;智能天線實現中的硬件技術;智能天線的測試平臺及軟件無線電技術研究等方面。 通過智能天線進行空分多址,將基站天線的收發限定在一定的方向角范圍內,其實質是分配移動通信系統工作的空間區域,使空間資源之間的交疊最小,干擾最小,合理利用無線資源。 傳統的全向或者定向天線效果并不理想,主要是由于空間資源分割是基于設計人員的經驗知識,盡管可以在系統建成后,采取某些優化措施改進系統性能,但由于種種原因,這種優化的余地不大,而且工程量很大。與之相比,智能天線的優越性在于自身可以分析到達天線陣列的信號,靈活、優化地使用波束,減少干擾和被干擾的機會。這就是自適應天線陣列的智能化,它體現了自適應、自優化和自選擇的概念,對當前移動通信系統的完善起到重大的推動作用。山西職業技術學院 2008 級電子信息畢業論文9致謝致謝在論文完成之際，我要特別感謝我的指導老師楊老師的熱情關懷和悉心指導。在我撰寫論文的過程中，楊老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方