智能天线工作原理是什么智能天线技术发展介绍智能天线的主要功能是什么?

2023-08-13 18:14:04

智能天线,智能天线工作原理是什么?

(相关资料图)

背景：随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已经成为制约继续发展的瓶颈，而随着用户数量的不断增加，这个问题会演变得愈来愈严重。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量。这种方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出;二是扩大频谱带宽，这种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不可能无限扩展。基于这样的现实，智能无线技术也就应运而生了。智能无线技术最大的好处就是可以大大增加现有无线网络的容量，且所需的经济成本比较合理。

基本原理：智能天线采用空分多址技术(SCDMA ) , 利用信号在传输方向上的差别, 将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来, 最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。

下图描述了一个具有智能天线、工作于TDD 方式CDMA 基站的示意方框图。和传统的没有智能天线的基站比较, 他在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分, 而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。必须说明的是, 这一组收发信机将使用同一个本振源, 以保证此组收发信机是相干工作的。

每个射频收发信机都有ADC 和DAC, 将收到的基带模拟信号转换为数字信号; 将待发射的数字信号转换为模拟基带信号。而所有收发数字信号都通过一组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器来连接。

来自多个用户终端的信号是多址干扰、衰落、多经传播和多谱勒频移等效应, 并存在其他干扰和白噪声。将图中第i 个接收机在第n 时刻的输出用S i (n) 表示。通过解扩和相应的数字信号处理, 可以获得对每个码道的接收数据。如果以X j i (∫) 表示第j 码道的第∫个符号的数据, 则在基带进行上行波束赋形(合成) 后, 将获得智能天线的总接收数据为:

其中: W 为上行波束赋形矩阵, 其矩阵元素为W ij (∫)。

智能天线的下一步是实现其下行波束赋形, 此用户在第j 码道的第∫个符号可以表示为Y j (∫) 。而通过智能天线的下行波束赋形(调整基站中各个发射机所发射信号的幅度和相位) , 在第i 个天线阵元所发射的信号可表示为:

其中: U 为元素的U j i (∫) 下行波束赋形矩阵。显然, 为了获得最佳接收效果, 就必须找到一种好的上行波束形成算法, 即求得W 矩阵的方法; 而为了让此用户获得最好的信号, 就必须找到一种好的下行波束形成算法, 即求得U 矩阵的方法。必须说明的是,在求此波束形成矩阵时, 已知的仅仅是天线阵列的几何结构和各种接收机所收到的信号。对此, 学术界作了大量工作, 有多种算法可以采用, 其主要限制是在基带信号处理能力和对系统实时性的要求。

作为一个简化的特例, 可以用最大功率合成算法,即令W = X, 以获得成形, 在TDD 方式的系统中, 若组成智能天线系统的各射频收发信机是全向的, 由于其上下行电波传播条件相同, 则可以直接将此上行波束赋形矩阵使用于下行, 即令U = W。

TD-SCDMA 天线使用一个环形天线阵, 8 个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为r 的圆上。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在360°范围内任意赋形, 为了消除干扰, 波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点, 该零点处的天线辐射电平比最大辐射方向约低40 dB。

现状及其发展方向：在日本，可以看到很多智能天线的实例，有的运营公司采用了这项技术，网络容量甚至提高了六倍;这一技术同样也适用于3G网络，在某些国家的WCDMA 网络中，利用智能无线技术将城区的无线网络容量提高了3倍，在郊区甚至提高了6倍。提高无线网络容量对运营公司重要，对我国尤其重要，因为我国大城市的人口密度一般都很高。在提高无线网络容量的同时，覆盖范围也有相应的改善。由于使用了智能无线技术，提高了小区的信号质量，减少了邻近小区的干扰，因此也扩大了覆盖范围。根据试验数据，如果在WCDMA系统中使用智能无线技术，城区覆盖范围可以扩大1倍，郊区扩大了3倍。智能无线技术的干扰缓解机制还有好处：由于整体噪声水平的降低，信号功率能够集中于特定的用户终端，基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能无线技术要求配置多个天线，因此增加了功率放大器的数量，但更重要的是，功率放大器的发射功率有较大的减少，功放器的单价大大下降;由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高昂，所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资，同时还提高了整个功放子系统的可靠性。

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