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1、智能天线在移动通信中的应用摘 要天线作为移动通信的最主要元素，是辐射和接收电磁波的部件。天线性能的优劣，对移动通信的总体性能起着非常重要的作用。由于用户需求的增加，移动通信系统对天线的要求越来越高。本文首先介绍天线的电磁波理论及天线的一些重要参数；然后详细阐述智能天线系统，它是由一个天线阵列、一组波束形成的网络以及算法组成的；最后介绍智能天线在处理移动通信问题的优势，和传统天线的天线相比，它具有信号间彼此无干扰、减少外界干扰和噪声的影响、提高信号的覆盖率等特点。智能天线技术无疑将为未来的移动通信提供最优质的服务。关键词：智能天线；移动通信；天线阵列；波束形成网络 The Application
2、 of the smart Antenna in mobile CommunicationABSTRACTAs a key element of the mobile communication, the antenna is radiation and receives electromagnetic wave components. The performance of the antenna to the overall performance of mobile communication plays a very important role. Due to the needs of
3、 the user increases, the mobile communication system to the requirements of the antenna has improved. This paper first introduces the theory of electromagnetic wave antenna and some important parameters .then t describes the smart antenna system. it is by an antenna array and a set of the beam forma
4、tion of the network, there are many differences between intelligent and traditional antenna. it has no interference between signal each other , it can reduce outside interference and noise, reduce the influence of radiation power, improve signal coverage and so on. Intelligent antenna technology wil
5、l provide the best quality service to the mobile communication in future. Key words: the smart antenna; the mobile communication; Antenna array; Beam form a network 目 录1 绪论11.1 国内外对智能天线的研究11.2 移动通信及其面临的问题12 天线的电磁波理论22.1 电磁波辐射22.2 时变场的滞后位22.3 电偶极子的近区场和远区场43 天线的电参数43.1 天线方向图43.2 天线方向系数63.3 天线增益63.4 天线
6、的噪声温度74 智能天线74.1 智能天线原理74.2 智能天线系统84.3 智能天线在实际中的应用及不足12总结13参考文献14致 谢15智能天线在移动通信中的应用1 绪论现代信息技术的诸多领域几乎全部涉及到电磁场和电磁波理论。天线就是一种能按规定方向有效地辐射电磁波的装置。移动通信无疑是与人们的生活关系最密切的领域之一，而天线是移动通信中最关键的部分。随着移动用户和移动业务需求量的增加，如用户需求从简单的语言通信发展到短信息、网页浏览甚至视屏和在线游戏等，这些业务对传输量要求越来越高，通信信道的不足和干扰问题则是移动通信所面临的严重问题。智能天线技术给移动通信带来了福音，它最初应用于军事、
7、雷达等方面，它是一种具有波束形成能力的天线阵列，能够产生空间的定向波束，这样可以使天线的主波束即主瓣对准期望用户信号到达方向，同时也能使旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向，以此使智能天线具有充分利用移动用户信号，而且能够有效的抑制或删除干扰信号的性能。1.1 国内外对智能天线的研究20世纪90年代由于CDMA成为第三代移动通信的主流技术，在移动通信中引入了“智能天线”技术，学术上称为波束赋形技术。由于多波束天线技术应用范围广泛，目前智能天线已经成为移动通信领域的一个研究热点，许多大学和研究机构都开展智能天线方面的研究开发，如美国斯坦福大学、瑞典皇家工学院以及索爱、诺基亚公司等。因为智能天线中的自
8、适应数字多波束形成技术能够适用于移动通信CDMA系统，所以欧州委员的信息社会技术计划和ACTC计划对智能天线技术都有支持。随着无线电技术的迅速发展和提高以及信息处理技术的互相联合，使得多波束自适应算法的改进将是今后的研究课题，也是其核心技术。国内有关研究所也积极从事这方面的研究。大唐电信信威公司研究开发的TD-SCDMA系统将智能天线应用于时分双工(TDD)方式的WLL系统中，是国际上第一个使用智能天线系统的公司。11.2 移动通信及其面临的问题移动通信是指通信双方至少有一方在移动中或是临时停在某一个非预定的位置上进行信息的传输和交换，包括移动体和移动体之间、移动体和非移动体之间的通信。按照移
9、动通信的设备分类，包括蜂窝状移动电话、公用无绳电话、移动通信卫星、移动数据通信、无线局域网、蓝牙传递信息等。通信技术的发展极大地影响着人类社会的进步，高效、便捷、精准的通信技术对于加快运行的效率以及方便人们的生活意义重大，移动通信市场的高速增长有力地推动了移动通信技术的发展，同时也对通信技术提出了更高的要求。一方面要通信盲区不断的缩减 ，电磁波的传播过程中由于多方面的原因如地形复杂造成了通信中信道的衰落，如路径损耗、阴影衰落等是通信质量受到严重的影响。另一方面也要求通信质量以及通信涵盖范围有大幅上升，移动通信可以利用的频谱资源非常有限，但是移动通信业务量的需求却与日俱增,越来越多的新型通信技术
10、开始规模化地应用到移动通信之中。传统的天线-蜂窝系统的性能和容量已经无法满足现代通信的需求，其主要原因是由于信号的干扰所造成的，而最通常的干扰有同信道干扰和相邻信道干扰，如在同一小区内用户数的中增加意味着每一个移动用户的同信道干扰的增加和 信干比的下降。在这方面智能天线能够有效的解决这一问题，研究智能天线的性能和智能天线系统的实现成为我们的当务之急，同时智能天线也是一种随着时间发展不断加入新技术的不断跟新的技术。2 天线的电磁波理论2.1 电磁波辐射电磁波辐射是一种携带能量的电磁波向远处传播出去而不再返回波源的现象。当振荡源的频率提高到时变电磁场的波长和天线的尺寸可以比拟的时候，就会产生显著地
11、辐射。电磁波辐射系统最简单的形式电偶极子和磁偶极子。电偶极子是长度非常短的直流电流元，它远小于波长，以至于可以认为其上各点的电流是等幅等相的。由于电偶极子是一端孤立的电流元，随着电流的流动性在其两端必然出现等值异性的电荷，一端为+q，另一端则为-q，其电荷量的大小及正负都随时间变化，而实际的天线看作是无数的这种电偶极子的连接。如果求出了电偶极子所产生的电场、磁场，同时又知道了某天线上的电流分布规律，就可以根据场的叠加原理，利用积分的方法，求出天线所产生的场。2.2 时变场的滞后位动态场中引入的标量位和矢量位是滞后位，即它们的值是由此时刻以前的源决定的，滞后的时间是电磁波传播从源点到场点所需的时
12、间。利用滞后位可计算电流元的辐射场，由此可作出它的方向图并计算其辐射功率，辐射电阻，方向向系数及增益等参量。下面给出滞后位给出简单的推导。点电荷在周围产生的场就有球对称性，标量电位只与径向r有关，满足的方程为 （2-1）设,则上式变为 （2-2）则此式为一维波动方程，其通解为 （2-3）于是是瞬时值表达式为 （其中、为待定系数） （2-4）假设仅是的函数，则 （2-5）位于坐标原点的静止电荷产生的标量电位为 （2-6）由于静态场是时变场的特殊情况，则时变场的标量位应为 （2-7）则体积内部分布电荷产生的标量位为 （2-8）上式表明在点处时刻的标量电位不是由时刻体积内的电荷密度决定，而是由时刻的
13、电荷密度决定，观察点的位场变化滞后于源的变化，滞后的时间是源的变动以速度传播距离到观察点所需要的时间。12.3 电偶极子的近区场和远区场2.3.1 近区场近区场是指从源点到场点的距离r远远小于波长，即，。其电场、磁场的表示式为 （2-9） （2-10） （2-11）近场区明显的特点是电场强度与磁场强度有的时间相位差。即、与相差一个因子。这就意味着以及由所形成的功率密度的平均值等于零。近区场形成的坡印廷矢量的平均值等于零，即近区场只存在能量的交换而无能量的传播，亦为感应场。2.3.2 远区场远区场指源点到场点的距离远远大于波长，即，。其电场、磁场的表示式为 （2-12） （2-13）远区场明显的
14、特点是电场强度与磁场强度的时间相位相同。它们形成了功率密度，即远区场形成向传播的能量，亦远区场又称为辐射场。3 天线的电参数天线的作用是发射或接收电磁波。为了评价一副天线技术性能的优劣，必须规定一些能表征其性能的参数。根据互易原理，同一副天线用作发射和接收时，其特性参数是相同的，只是具体含义有所不同。则下面只选择其中的一项来定义各参数。23.1 天线方向图有关天线的很多特性如辐射场的振幅、相位、极化等都是与方向有关的，天线的方向性主要是指场振幅随方向的变化。方向性函数是描述天线辐射场的大小与方向之间关系的函数，为了便于作图和比较不同天线的方向性，往往采用归一化方向图。将天线置于球坐标系中，由于
15、天线的定向辐射（接收）作用，它在距离r的球面上各点的辐射（接收）强度是不相同的，即是角坐标的函数，可写为，其中A为比例系数。将其归一化得 （3-1）其中为方向性函数的最大值。3根据方向性函数所描绘出的图形称为天线的方向图；表示辐射（或接收）场强振幅方向特性的称为场强振幅方向图；表示辐射（或接收）功率方向特性的称为相位方向图，表示极化特性的称为极化方向图。工程上为了方便表示，常采用E平面和H平面这两个相互正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，亦可采用直角坐标或极坐标。图3-1天线方向图3.1.1 主瓣宽度主瓣宽度是强方向性天线最重要的参数之一，一般是指半功率主瓣宽度（3dB宽度）。即方向图主瓣
16、上两个半功率电平点之间的夹角(即场强从最大值降到倍处之间的夹角)。如图3-1所示，主瓣宽度越小说明天线辐射能量越集中（或接收能力越强），定向作用或方向性越强。3.1.2 旁瓣电平没有一种天线能够把所有的能量都辐射在一个期望的方向上，一些能量不可避免地向其他方向上辐射。如图3-1所示，这些能量电平低于主瓣，即天线方向图主瓣两旁的小波瓣叫做旁瓣，也叫副瓣。旁瓣电平也是天线最主要的指标之一，旁瓣不仅损失能量降低系统效率，还是干扰源之一。所以通信系统为了获得良好的性能需要对旁瓣的峰值加以限制。通常用分贝表示为 （3-2）因为副瓣方向通常是不需要辐射（或接收）能量的方向，因此天线的副瓣电平越低，表示天线
17、在不需要的方向上辐射的能量越弱，或可以说这些方向上对杂散来波的抑制能力越强。如图3-1所示的天线的方向图，智能天线系统的主要目的是使用户期望的信号尽最大可能到达主瓣上，并使主瓣宽度尽量小，使干扰的信号尽量到达副瓣上。3.2 天线方向系数对于发射天线来说，方向性系数是表征天线辐射能量在空间分布的集中程度的量，其定义式为 (3-3)其中为辐射强度，为平均辐射强度。对于接收天线来说，方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，其定义式为 (3-4)其中为天线在某方向接收时向负载输出的功率，为点源天线在该方向向负载输出的功率。3.3 天线增益天线增益是表征天线辐射能量集束程度和能量转换效率的参量,且天
18、线增益与很多参数有关，如输入天线的功率、观察点方向和辐射场的极化都会影响天线的增益。一般情况下，在方向上的天线的全极化增益表示为 (3-5)在实际应用中，一般采用峰值增益的定义，即以为自变量，的最大值称为峰值增益。则全极化的峰值增益为 (3-6)3.4 天线的噪声温度天线在接收和处理有用信号时，不可避免地接收的某些干扰信号。天线周围介质，都会产生热辐射。热辐射波被天线接收输入接收机，成为热起伏噪声干扰，成为天线噪声。对于一个高分辨的天线，影响它发现较弱信号的主要因素是天线噪声。将终端的噪声功率记为，则和天线的噪声温度之间的关系为 (3-7)其中为玻耳兹曼常数，为接收系统的带宽。3当天线用做接收
19、天线时，天线的品质因数定义为 (3-8)4 智能天线4.1 智能天线原理图4-1智能天线下的信号工作波束智能天线，顾名思义它是一种智能化的天线形式，它的智能化体现在自适应上，这种自适应的天线阵列由多个天线单元组成，每一个天线后都接一个加权器，而智能的真正含义是指这些加权系数可以适当的改变、自适应调整。如图4-1所示为智能天线下的信号工作波束。智能天线是具有自适应能力的天线阵列，利用数字信号从而进行处理，产生空间定向的波束，使天线的主波束即主瓣对准期望用户的方向，使旁瓣对准干扰信号到达方向；从而能够充分利用移动用户信号，也能够达到删除或抑制干扰信号的目的。智能天线可以自动的测量出用户的方向，从而
20、使主波束即主瓣指向用户，以此来实现波束跟随期望用户的移动而移动。这样既可以提高天线的增益，又可以减少信号发射的功率，从而能够大大的提高基站的覆盖率。所以说，智能天线是一种天线和周围的传播环境与用户的最佳空间匹配通信。44.2 智能天线系统一个典型的智能天线接收系统主要包括实现空间信号采样的天线阵、对各个阵元进行加权合并的波束成型网络、更新合并权值的控制部分。概括的讲，智能天线系统由三个部分组成，即天线阵、波束形成网络以及波束形成的算法。下图4-2所示为一个典型的智能天线接收系统。图4-2智能天线接收系统4.2.1 天线阵列智能天线阵列是由多个天线单元排列成一定形状的，把具有相同极化特性、各向同
21、性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列构成的天线阵列。天线阵列的组阵方式多种多样，典型的阵列形状可以分为：线阵、面阵、圆阵等，而在实际应用中，还可以根据不同的需要组成三角阵、不规则阵等。直线阵列和平面阵列容易实现基站的定向覆盖，而且基站选址更为灵活，直线阵列和平面阵列可以很容易安置于建筑的侧面或杆状建筑物上。构成阵列的阵元可按任意方式排列，各天线阵元间距一般取半个波长，并且取向相同；因为阵元间距过大会是接收信号彼此相关程度降低，大小则会在方向图上形成不必要的旁瓣。则阵列的组阵方式按用户需求选用。由于远方传来的电磁波（可视为平面波），到达各个阵元时所走的距离不同，从而带来不同的相位差。在各个阵
22、元上形成了与参考点具有不同相位差的信号。为了能够调节天线方向图以满足工作的需要，所以要在每一个天线阵元的输出端加上权因子控制器,因为用它可以调节每个阵元输出信号的幅度和相位，所以能够实现改天线阵的方向图的目的。 智能天线系统的天线阵列可以根据不同的需要来同时识别或跟踪来自四面八方的信号。天线阵列信号的组合也能够把某些特定方向上的信号加重，但是阵列聚焦的方向与天线阵列的方位无关，采用不同的数据方法可以对天线阵列信号得到各种的加权和，以此可以把很多个方向的用户所期望的信号同时提取。5 那么，智能天线阵列就可以使不同的信号能够同时在不同方向上得到运用，以此提高了天线系统的容量。图4-3智能天线接收信
23、号的原理如图4-3所示 ，智能天线上的每个天线阵元的输出端都加上了一个加权因子控制器，产生加权系数，得到的所有的加权系数整合在一起构成了阵列加权矢量。其中加权矢量由表示,而阵列加权矢量是一个与信号到达方向有关的矢量，通过对天线阵列的各个阵元的信号进行加权，以此来达到调整天线的接收方向图的目的。这样则可以知道这个阵列加权矢量是整个移动台位置的函数，因此我们可以说设计和控制、调整好天线阵列的加权矢量就是自适应天线阵列的核心。可以得到天线阵元的主瓣最大值指向时,第个阵元收信电流的相位为: (4-1) 其中, 取， =则有 (4-2) 当表示智能天线接收处在与基站为方向的移动台发信号时, 第个阵元电流
24、的内在或固有相位,当存在多个方向的接收信号时,则有多个。6改变外接移相器组中、的值,当的值等于-时,则可使各路接收信号载波在M处同相迭加,可定义为期望收信号载波相位的同相分集接收,此时能取得智能天线的分集接收增益.智能天线可以通过调整权值来实现得到最佳天线方向图的目的，它对在特定方向入射的信号具有高增益，而对其它方向入射的信号具有衰减作用。4.2.2 波束成形网络 智能天线能否实现是由波束形成技术决定的。波束形成是把天线阵列接收到的信号换到基带，接着进行与之相对应的空间谱处理，从而得到该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和波达方向（DOA）估值。智能天线主要是利用各阵元接收信号之间的相
25、关性与来波信号空间特征的关系进行信号的接收或发送。因此，其中一个重要的过程就是利用各阵元接收信号获得来波方向估计（DOA），即以此抑制来波信号的角度。对于一个远场信号，信号到达不同阵元会有一个波程差，这会使各接收阵元的接收信号之间存在一个相位差，可以利用这个相位差可以求出入射信号的方位角等参数。通过来波角度估计进行无线定位是具有智能天线的移动通信系统的特色之一。对于一般的移动通信系统，其无线定位方案主要是小区定位，通过不同基站观测时间差进行定位。则这个方法可以和智能天线方法结合使用。DOA估计方法包括简答易实现的Bartlett谱估计方法，即利用阵列形式响应矢量对来波功率谱进行扫描，也可以用C
26、apon谱，MUSIC谱等。其中Bartlett谱估计方法交易实现。我们暂时考虑二维情况。是方向的阵列相应矢量，是终端的空间协方差矩阵,是角度估计的范围： (4-3)这种方法简单有效，计算量也不大，虽然MUSIC算法是比较高度的算法，但是对于通信系统来说没有太大的必要，移动通信系统来波的空间谱由于多径信道的影响是复杂的，DOA估计只关注主径的方向或主要的几条径的方向。7对于具有可估计不同时延分量的系统，可以估计不同时延分量的DOA。获得波达方向的估计以后，波束形成是智能天线工作的重要内容。则只要知道了空间阵元间的相位差，就可以求出入射信号的方位角和俯仰角等参数。波束形成的任务是希望在接收信号到
27、来的方向形成尽量高的增益；最大限度的抑制干扰信号。4.2.3 波束形成的算法波束自适应信号处理是智能天线体现的一个重要方面，它以自适应算法为核心，主要体现在算法控制器上，其功能就是依据信号环境、按某种准则和算法选择或计算阵列加权矢量，自适应算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此最重要的是选择较好的算法来达到对波束的智能控制，目前针对自适应阵列天线所提出的各类自适应算法很多，按照是否需要利用系统的导频信息可以将算法分为两类：非盲算法、盲算法。8对于某一个自适应算法，首先要衡量其各方面的性能。衡量各自适应算法的因素有一下几个方面：（1） 收敛速度。指在静态的环境下，其算法收敛于最优解需要的
28、迭代次数。（2） 跟踪性能。指在信道发生变化条件下，自适应跟踪信道的能力。（3） 稳健性。当输入病态的情况下算法能否正常的工作，或者是算法在哪种条件下可以收敛。（4） 计算复杂度。这是个非常实际的衡量标准，指算法所需要的乘加运算数量，这方面的性能决定了算法的实现成本和硬件性能要求。非盲算法和盲算法各自有其优劣点，盲算法更多的利用了所需信号，而非算法比盲算法拥有更好的性能，包括更好的收敛速度、更简单的计算复杂程度等。但是非盲算法也有其明显的局限性，即需要发送一些训练序列，而训练序列占用了宝贵的信道资源，因此研究不需要训练序列的盲算法更具有实际意义。我们采用盲算法中最优的一种算法，最小二乘法。定义
29、所有的数据块为X=（x(1),x(2),x(N），N为数据块的大小；第次迭代生成的权值为，其相应的输出序列为，其表达式如下： (4-5)则第次迭代的生成权值，即，则其函数的最小化： (4-6)其中为训练序列，对上式求导数，并令其为零，可得 (4-7)其中,则以上式构成了最小二乘恒模算法的迭代公式。9从公式中可以得到权值和训练序列之间相互交替更新的机理。即每进行一次新的迭代，都更新一次数据块，则体现了其收敛速度快的优点。4.3 智能天线在实际中的应用及不足在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已经成为最活跃的领域之一，智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替
30、代的。目前世界各国对此高度重视，并投入大量的人力物力进行研究和开发工作，且已经有各类产品研发成功并投入使用， 如Array Comm公司把智能天线技术应用于WLL(无线本地环路)系统，并采用了可变的阵元配置，其中有12元和4元的环形状自适应阵列以适用于不同的环境其在日本进行的现场实验，实验表明在PHS基站采用该技术可以使系统的容量增加3倍。11英国研究人员最新发明一种智能天线，天线的外形就像一把雨伞，可以改变形状。它由一块附在弹性金属架上的铝箔及16根起着固定作用的镍钛诺组成的。通过控制通电的情况来改变天线的形状，来达到接收特定的无线电信号的最优状态。同时随着软件无线电技术的发展，智能天线也已
31、经可以在软件无线电平台实现，现在的软件无线电设备质量提供了对智能天线技术的支持。现代科技发展的越来越快，功能强大的便携式计算机、个人数字助理以及多媒体终端的广泛应用，无线局域网应运而生。为了解决频率资源匮乏，必需将依靠智能天线来提高系统容量和通信质量。智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大的作用，但是智能天线应用于CDMA系统时，也同时带来了相应的新问题。如：智能天线的校准，波束赋形的速度问题，设备的复杂性的考虑等。但是自适应过程实现中影响因素复杂，因此到目前为止，智能天线技术还没有完全实现在产品设计上，需要做出进一步的努力。11总结 随着移动通信的迅猛发展，以及通信业
32、务从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，未来3G网络建设中也需要考虑天线的问题。不能只依靠增加基站，无论从成本还是性能表现方面都不是最好的选择。智能天线技术近年备受关注,智能天线的研究也涉及到多个领域，如天线阵、电波传输、数字信号处理等。而智能天线技术的引入，在更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率，成了当前研究和应用的热点之一。智能天线可以发射多路信号，且在大多情况下都假设信号为窄带信号，可以跟随用户移动，既可以降低辐射，也可以使移动通信终端使用时间变得更长。在智能天线的作用下，可以大大的提高了通信的精确性，串频、串线等现象大幅下降。同时智能天线的引入，为无线定位提供了新的解决途径，
33、也可以用于求助电话服务，被盗车的跟踪系统、移动电子商务等多方面，应用前景广泛。参考文献1张昕.电磁场与电磁波M.哈尔滨工程大学出版社，2008：36-432刘英.移动通信系统中的天线M.电子工业出版社，2011：15-27 5张宝育.智能天线系统设计及其自适应算法的研究，学位论文.2005：1-4 7金粱,殷勤业.时空DOA矩阵方法J电子学报，2000：2-88吴伟陵.移动通信中的关键技术M.北京邮电大学出版社.2000：77-83 10吴立早.智能天线的现状及其相关技术综述.期刊论文，2005：28-35 11李小强,胡健栋.未来移动通信中的智能天线技术J.1999：2-8致 谢美好而又短暂
34、的大学时光转眼间就要结束了，而我的毕业论文也将完成告一段落了。在编写论文的过程中我遇到了许多的困难，老师和同学们一如既往的帮助和支持让我受益匪浅。在这里，我要特别的感谢我的导师冯团辉副教授，冯老师在我写作过程中给予很多的帮助和启迪，让我慢慢的保质保量的完成我的论文，冯老师兢兢业业的工作精神，平易近人的学者风范以及诲人不倦的教导让我在这段时间有了很大的进步和成长。同时也要感谢我热心的共同学习的同学们，尤其是杨佳俊同学，是你们的鼓励让我的大学生活充满了激情和活力，特别在论文的写作过程中，让我克服了一个个困难和疑问，最终得以顺利完成。感谢我的家人对我学业的支持和培养，也是你们在迷茫和困惑的时候给我勇气和信心，让我能够坚强的面对挫折。感谢许昌学院对我的栽培，感谢曾教过我的所有老师，有你们的支持与鼓励，我的大学生活才如此精彩。感谢在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师。再次对以上老师、亲人、朋友致以最诚挚的谢意，谢谢你们！祝你们身体健康、工作顺利！