1第四章自適應天線的應用

4.1

無線移動通信系統中的自適應天線

4.2智能天線(SmartAntenna)

4.3

MIMO天線技術

4.4

自適應天線在雷達中的應用2[1]龔耀寰,《自適應濾波》第11、12、13章，電子工業出版社，2003.

[2]

J.C.Liberti,T.S.Rappaport,《SmartAntennasforWirelessCommunications

》,PearsonEducation,2002。(中譯本：無線通信中的智能天線，機械工業出版社)[3]劉鳴,袁超偉等《智能天線技術與應用》，機械工業出版社，2007.

[4]IEEE上相關文獻資料。

References34.1.1概述4.1

無線移動通信系統中的自適應天線無線移動通信的發展進程：TD-SCDMA452G系統主要性能：6不同代的主要功能：789

雙工方式

多址方式10

多徑、多址信道；存在著信號衰落，時延擴展，多普勒頻率擴展，共道干擾，多址干擾等問題；已采用的辦法：調制解調，信道編碼，均衡，普通分集聯合等技術；日益成熟；但進一步解決上述問題的能力有限；自適應天線技術－智能天線：TheLastFrontier。

由于在無線移動通信頻段內的頻譜資源非常有限，如何在有限的可用頻譜范圍盡可能提高頻譜利用率（每Hz帶寬可能傳輸的比特率，bps/Hz）就成為目前無線移動通信的基本任務。無線移動通信信道的特點：1112

智能天線采用指向期望用戶的定向波束，增加了有用信號功率；窄定向波束降低了主波束外的干擾；自適應波束零點指向強干擾用戶；上述措施均使SINR增加，從而擴展了系統容量，提高了頻譜利用率。4.1.2采用智能天線后無線通信系統的性能改善

增加信號對干擾噪音比(SINR)1.提高頻譜利用率和系統容量，降低誤碼率及出界概率13

減輕時延擴展及多徑衰落

能實現空分多址(SDMA)

傳統多址技術：FDMA、TDMA、CDMA；智能天線采用多個固定波束或自適應波束對服務空間進行劃分---空分多址(SDMA)；

SDMA能夠在不增加所用頻帶的條件下用多波束創造更多信道，從而大大提高頻率利用率和系統容量。

多徑效應是形成時延擴展及衰落的原因，也是造成碼間干擾(ISI)的主要原因；采用智能天線可以大大減輕時延擴展及多徑衰落對接收信號的影響；智能天線也提供了除空間分集、極化分集之外的另一種分集---角度分集。14

減少發射功率和空間電磁干擾；增加發射效率；在同樣的最大發射功率情況下，可以擴大了基站小區的覆蓋范圍，從而減少基站數目；減少切換率；大大降低系統對功率控制精度的要求。2.改善蜂窩通信系統功能

多發多收天線(MTMRA)，也稱作多入多出(MIMO)技術；將信道編碼、調制與智能天線相結合，能實現最優的分集處理；系統容量與收發最小天線數成線性關系，極大地提高頻譜利用率。3.實現更完善的空間分集和MIMO15

將空間分成扇區已在傳統蜂窩系統中應用。原理：將空間分成扇區，通常采用120度扇區，在蜂窩系統中用3個扇區覆蓋360度。4.2

智能天線切換波束方式(SwitchedBeam)

智能天線切換波束采用更窄波束，進一步將宏扇區分成幾個微扇區。當用戶進入某個扇區時，切換波束系統選擇一個最強波束對準該用戶。4.21

智能天線的工作方式16相對于全向或120度扇區波束系統，能提供更大的SINR，更大的覆蓋范圍或更小的發射功率；結構簡單，工程造價低；易于與現有基站系統連接；只需檢測信號強度以確定所用波束，無需進行DOA(DirectionofArrival)估計。實現快速跟蹤。

當用戶信號在波束邊緣，干擾信號在波束中央時接收效果差；不能實現自適應干擾置零，干擾抑制差；不能對多徑分量進行相干分集聯合；扇貝現象(Scalloping)。

切換波束方式的優點

切換波束方式的缺點17自適應陣的工作方式見右圖。自適應陣方式

通過指向波束提高期望用戶的增益，降低噪聲與干擾的影響，SINR的改善優于切換波束，從而大大增加了信道容量和頻譜利用率；可在更復雜的干擾環境下工作；

自適應陣列方式的優點

能對期望用戶的多徑信號進行合成，利用路徑分集；能夠根據用戶到來角度的變化不斷改變波束形狀，使波束主瓣對準期望用戶，零點對準干擾用戶；能實現動態小區，減少切換率。18

實現難度及系統造價較切換波束系統大；與現有基站結合比切換波束系統困難。

自適應陣列方式的缺點M.Chryssomallis,“Smartantennas,”IEEEAntennasPropagat.Mag.,vol.42,no.3pp.129-136,June2000.

194.2.2算法分類

根據智能天線的工作方式，可分為多波束形成算法和自適應波束形成算法；根據是否利用陣列輸入數據，分為數據獨立波束形成算法，最佳波束形成或自適應波束形成算法；根據參考信號形式可分為：空間參考方式：最佳加權矢量取決于需要信號及干擾信號的到來方向(DOA);

主要優點：特別適用于頻分雙工(FDD)系統；缺點：取決于擴散角(擴散角很大或存在相關多徑時，性能會顯著下降)；對通道失配誤差很敏感；高分辨DOA算法一般收斂性能不好或需時較長。20時間參考方式：參考信號由訓練信號或導頻信號產生。如2G－GSM可用專用碼訓練序列，3G－UMTS可用用戶專用導頻。（LMS,RLS,SMI,…）優點：不需DOA；有較強魯棒性(Robust)；可結合最佳多徑從而降低衰落影響；缺點：要求精確同步，對于FDD體制不能從上行接受信息確定下行波束加權；盲處理方式：不需DOA或訓練信號，但存在收斂和捕捉問題。（CMA,LS-CMA,…）

根據應用功能可分為：高靈敏度接收方式；干擾抑制方式；SDMA方式。214.2.3智能天線各種方式的應用

密集建筑、大量移動物體(大擴散角)、高業務流量、移動用戶機動性小；密集多徑環境；微小區；

TDMA：時間參考波束形成方式；TDD、FDD；

CDMA：基于訓練信號的時間參考自適應波束形成方式；盲處理。

擴散角小、業務流量小、移動用戶機動性大；宏小區；空間參考波束形成方式較為合適；切換波束方式。

市區

鄉村224.24

智能天線的實驗研究與發展狀況

歐洲通信委員會(CEC)在RACE計劃中的TSUNAMI智能天線實驗平臺工作頻率：1.8G～1.9GHz；載波數：10；載波間隔：1.728MHz；峰值發射功率：250Mw；天線：8陣元貼片天線陣；多址方式：TDMA,SDMA；雙工方式：TDD；實驗結果：兩用戶四信道下，BER<1.0E-3;

當BER=1.0E-3時，相對于單天線的功率改善>10dB。23L波段，f=1.542GHz；4×4陣元組成；采用自適應恒模算法(CMA)；實驗結果：當需要信號由0,3入射，干擾信號由4,20

入射時，自適應干擾置零使SINR改善9.6dB；當需要信號由4,25

入射，干擾信號由8,60

入射時，SINR改善18.5dB。

日本移動通信DBF實驗系統

其他實驗系統或產品

美國AT&T的智能天線實驗平臺；美國ArrayComm公司的用于GSM、PHS的Intellicell；

Metaware公司的用于TDMA和CDMA的Smartcell；瑞典Ericsson的用于GSM的RBS2206；國內眾多研究機構、公司（TD-SCDMA）；

…244.3

MIMO天線技術ReferencesD.Gesbert,M.Shafi,etal,“Fromtheorytopractice:anoverviewofMIMOspace-timecodedwirelesssystems,”IEEEJ.SelectedAreasinCommun.,2003,21(3):281-302.A.Hottinen,O.Tirkkonen,andR.Wichman,Multi-antennatransceivertechniquesfor3Gandbeyond,JohnWiley,2003.黃韜，袁超偉等,《MIMO相關技術與應用》,機械工業出版社，2007。李忻,<新一代無線通信系統中的MIMO信道建模與多天線設計研究>，電子科技大學博士學位論文,2005。伍裕江,<MIMO無線通信中的終端多天線>，電子科技大學博士學位論文,2007。254.3.1MIMO概念

無線移動通信領域智能天線技術的重大突破，又稱為多發多收天線(MTMRA)技術。特點：能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。

起源于20世紀70年代；

1995年，BellLab.的E.Teladar給出MIMO的高斯信道容量；

1996年，BellLab.的G.J.Foschini給出一種MIMO算法－－D-BLAST算法；

1998年，V.Tarokh討論了用于MIMO的空時碼；

1998年，P.W.Wolniansky等采用V-BLAST算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bps/Hz以上的頻譜利用率。

發展歷史26

普通的多天線技術用于實現分集以對抗衰落，不同天線發射載有同樣信息的信號。例如1個發射天線，M個接收天線，則發射信號通過M個通道到達接收機，最大分集增益為M；多徑衰落被視作有害因素，發射或接收分集目的在于對抗多徑衰落。

基本原理

而在MIMO技術中，多徑可以作為一個有利因素加以利用。若發射、接收天線間的通道衰落是獨立的，則MIMO系統可創造多個并行空間信道，通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，以提高數據率。27

信道容量：SISO(單入單出)：傳統無線通信，信道容量為：其中C為香農(Shannon)容量;ρ為接收天線的SNR;h為規一化信道復增益。MIMO系統原理框圖：28

信道容量(續)：MISO(多入單出)：在發端采用N×1的SmartAntenna，信道容量為：SIMO(單入多出)：在收端采用N×1的SmartAntenna，信道容量為：MIMO(多入多出)：信道容量為：當天線數目較多時，因此C

隨天線數目線性增長。N為發射天線數目，M為接受天線數目，H為M×N的通道矩陣。294.3.2MIMO在3G和后3G無線系統中的應用

空時網格碼；空時分組碼；

BellLab.的BLASTMIMO算法。

編碼30

SpaceDiversityAntenna[1]

Y.Ebine,andY.Yamada,“AVehicular-MountedVerticalSpaceDiversityAntennaforaLandMobileRadio,”,IEEETrans.VehicularTech.,May1991,40(2):420-425.MIMO天線31[2]

F.DemmerleandW.Wiesbeck,Abiconicalmultibeamantennaforspace-divisionmultipleaccess,IEEETrans.AntennasandPropagation,June1998,46(6):782-787.UsedforAnglediversity(patterndiversity)toseparatesignalsfromdifferentDOA.

AngleDiversityAntenna32C.Waldschmidt,andW.Wiesbeck,“CompactWide-BandMultimodeAntennasforMIMOandDiversity,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.52,no.8,pp.1963-1969,Aug.2004.

PolarizationDiversityAntenna33MIMOPlatforminUESTC硬件實現部分軟件實現部分信源比特流數據獲取QPSK星座映射空時編碼組幀處理同步頭、信道估計序列等脈沖成型中頻載波調制數字頻率合成上變頻及射頻接口TransmitterSystem34軟件實現部分硬件實現部分射頻接口及下變頻中頻正交解調幅相誤差校正基帶過采樣本振基帶頻差預補償匹配濾波符號同步及幀同步啟動幀檢測數據幀分離信道參數估計空時解碼QPSK逆映射比特流數據轉換信宿ReceiverSystem353122136

天線問題：

天線數目(M,N)以及陣元間距為關鍵參數，當陣元間距增大時，相關性下降，信道容量增大（BER下降），但天線陣尺寸增大；接收復雜度：額外RF，硬件，軟件，及其復雜的接收分離算法；系統集成；

MIMO信道模擬。

尚需進一步研究的問題374.3.3MIMO研究近況MIMO系統理論及性能研究，目前有較多文獻。

MIMO實驗研究：BellLab.的BLAST系統：f0=1.9GHz，

N=8，M=12，在室內達到25.9bps/Hz的頻譜效率。

/project/blast/BYU(BrighamYoungUniv):MIMO實驗平臺，大量信道測試；/~jensen/歐盟ISTMETRA等項目：/metra/國內：電子科技大學，東南大學,北郵，清華等高校；中興、華為等也積極進行MIMO研究與現場測試，并提出了多種編碼算法與信道模型，研制出多種MIMO天線；中國科技部于2001年啟動了未來通用無線通信技術研究規劃FuTURE(FutureTechnologiesforUniversalRadioEnvironment).38

LTE是LongTermEvolution的縮寫，全稱應為3GPPLongTermEvolution，中文一般翻譯為3GPP長期演進技術，為第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準;

使用“正交頻分復用”（OFDM）的射頻接收技術；2×2和4×4MIMO分集天線技術;

支持FDD和TDD；每一個5MHz的蜂窩內，至少能容納200個動態使用者。用戶面單向傳輸時延低于5ms，控制面從睡眠狀態到激活狀態遷移時間低于50ms。2010年12月6日國際電信聯盟把LTE正式稱為4G；LTE-4G39傳統的3G技術是指同一無線網絡提供語音和數據通訊；4G時代則變成為全數據網絡；LTE最高下載速率可達100Mbps與上傳50Mbps以上；LTE與WiMAX，以及3GPP2的超行動寬帶（UltraMobileBroadband，UMB）技術一起被稱為4G；區別在于WiMAX是來自IP的技術，而LTE是從GSM／UMTS的移動技術衍生而來，二者都采用了OFDM傳輸，也都采用了Viterbi和Turbo加速器。40MassiveMIMO-5G大規模多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput，MIMO)系統通過增加基站天線數目;大規模MIMO技術指基站天線數目龐大，而用戶終端采用單天線接收的通信方式，可作為目前移動通信系統的一種平滑的過渡方式;即不必大面積更新用戶的終端設備，通過對基站的改造，提高系統的頻譜利用率；由Marzetta等首先在2006年提出。MARZETTATL．HowMuchTrainingisRequiredforMultiuserMimo［C］//IEEE．Signals，SystemsandComputers，2006，ACSSC'06，FortiethAsilomarConferencen．Monterey，California:IEEEPress，2006:359-363．41

DBF的工作過程及其特點4.5

自適應天線在雷達中的應用4.5.1自適應數字波束形成(DBF)特點：自適應天線+數字信號處理設有一平面波 從p方向入射到間距為d的直線陣上，各單元接受的窄帶模擬信號為：原理框圖見下頁。42模擬信號在接收機模塊中被放大，再由下變頻變換到基帶，然后利用正交相位檢波(I,Q),由(I,Q)通道分別輸出復視頻信號的實部和虛部：在A/D變換器中，在tn時刻抽樣，數字化，得到數字接受信號：在數字波束形成器中乘以自適應的復加權Wn43得到的輸出相加得到天線的響應為：優點：改善自適應的方向圖調零；能產生密集多波束；方便于陣列單元方向圖的校準；可獲得超分辨率；靈活的雷達功率和時間管理；適合于多站點工作。44

DBF的實現方案接收模塊示意圖：采用高數據率的A/D變換器(100M~200M)數字波束形成器是DBF雷達進行工作的心臟，主要完成兩