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1、1.1 智能天线的概念 智能天线原名是自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array）。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空间滤波和定位。近年来，随着移动通信的发展以及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。为此,移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字：智能天线，英文名为Smart Antenna或Intelligent Antenna。第1页/共48页1.2 智能天线对移动通信性能的改善抗衰落抗干扰增加系统容量可实现移动台定位其他性能
2、改善第2页/共48页抗衰落 高频无线通信的主要问题是信号的衰落，在陆地移动通信中，电磁传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台的移动及环境的变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则造成信号衰落。普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。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。智能天线还可用于分集，减少衰落。第3页/共48页抗干扰 抗干扰应用的实质是空间域滤波，智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了
3、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。与传统天线相比，用12个30波束天线阵列组成的360全覆盖天线的同频干扰要小得多。第4页/共48页 如图所示，基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，则可能将干扰降低101gN dB。第5页/共48页增加系统容量 智能天线通过空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小、干扰最小 采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线可使天线波束变窄，从而提高了天线的增益及C/I指标、减少
4、了移动通信系统的同频干扰、降低了频率复用系数、提高了频率利用效率，在不断增加新的基站的情况下就可以改善系统覆盖质量、扩大系统容量、增强现有移动通信网络基础设施的性能。第6页/共48页可实现移动台定位 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。第7页/共48页其他性能改善(1)改善系统性能，提高通信质量。改善系统性能，
5、提高通信质量。采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，WCDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。我国TDSCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TDSCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有准确的定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。第8页/共48页其他性能改善(2)提高了基站接收机的灵敏度提高了基站接收机的灵敏度 基站所接收到的信号来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。如果采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号将增加101gN dB，其中，N为
6、天线单元的数量。存在多径时此接收灵敏度的改善将多径传播条件及上行波束赋形算法而变，其结果也在101gN dB上下。第9页/共48页其他性能改善（3）提高了基站发射机的等效发射功率提高了基站发射机的等效发射功率 同样，发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加201gN dB。其中，101gN dB是N个发射机的效果，与波束成形算法无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。第10页/共48页其他性能改善（4）增加了增加了CDMACDMA系统的容量系统的容量 众所周知，CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说
7、，降低干扰对CDMA系统极为重要，降低干扰就可以大大增加CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，导致至少将CDMA系统容量增加一倍以上的可能性。第11页/共48页其他性能改善（5）改进了小区的覆盖改进了小区的覆盖 对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形是可能根据需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化
8、。第12页/共48页其他性能改善（6）降低了无线基站的成本降低了无线基站的成本 在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的部分是高功率放大器(HPA)。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部分的成本。如上述，智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可能降低201gN dB。这样，在智能天线系统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。第13页/共48页1.3 智能天线技术的起源、研究现状和发展智能天线技术的起源智能天线技术的研究现状智能天线技术的未来发展方向第14页/共48页智能天线
9、技术的起（1）一般说来，智能天线包括多波束智能天线和自适应阵列智能天线，自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。最初的自适应阵列智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等功能，提高系统的性能和电子对抗的能力，但由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。第15页/共48页智能天线技术的起源（2）而智能天线真正的发展是在20世纪90年代初，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，DSP数字信号处理芯片的处理能力日益提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵
10、活程度；同时数字芯片的价格已经为现代通信系统所接受。因此，智能天线技术开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。第16页/共48页智能天线技术的研究现状（1）智能天线的理论研究来波方向（DOA）的多用户检测波束变换的优化准则数字波束形成（DBF）上行链路下行链路第17页/共48页智能天线技术的研究现状（2）智能天线的研究进展智能天线的研究进展 在目前的技术条件下，真正能做到理想的自适应智能天线系统还没有，大部分仍处于试验阶段或是一些实现简单功能的智能天线。第18页/共48页智能天线技术的研究现状（3）欧盟：在智能天线上第一阶段f=1.89GHz,采用TDD方式通信体制，使用空间方法MUSIC、N
11、LMS和RLS三种算法美国：Array Comm公司已能生产简单的基于TDD的智能天线并应用于无线本地环（WLL）加拿大：一些大学则进行直线阵CMA模型算法的智能天线研究日本：也进行了CMA算法、最大比值合并算法（MRC）的研究和试验，但离未来要求的智能天线还有相当距离中国：我国在该领域的研究与世界同步，在3G协议中，有中国提出的TD-SCDMA标准并将智能天线列为其中不可或缺的技术，研究所和高校对DOA提取，波束成行优化算法、上、下链路波形成形、信道模型以及波束切换等课题展开了理论研究和试验仿真。第19页/共48页智能天线技术的未来发展方向（1）智能天线研究的主要内容智能天线研究的主要内容
12、其一：论证智能天线对通信系统的功效，智能天线抗多径干扰的性能等 其二：提出实现智能天线的优化方案和快速算法第20页/共48页智能天线技术的未来发展方向（2）要突破的课题要突破的课题采用智能天线提高系统的容量是首要课题智能天线与现有抗多径衰落技术结合智能天线与蜂窝移动通信系统的网络管理技术结合快速移动环境中还有许多关键技术难题第21页/共48页智能天线技术的未来发展方向（3）目前智能天线的研究主要沿着以下几个方向开展：目前智能天线的研究主要沿着以下几个方向开展：一是研究智能天线对现代移动通信的作用，利用仿真或理论研究的方法探讨应用智能天线对移动通信系统的抗干扰能力、系统容量、抗多径衰落能力的改善
13、二是智能天线基础理论的研究，主要研究智能天线的控制算法，利用理论和仿真的方法，结合的移动通信系统，研究快速高性能的智能天线新算法三是建立智能天线硬件实验平台（测试床），在实际的电磁环境下测试各种天线阵列、智能天线控制算法的性能，以确定智能天线的解决方案，并着手解决智能天线实用化的技术问题（如阵列单元的互耦、各着手解决智能天线实用化的技术问题（如阵列单元的互耦、各单元通道不一致性的实时校准技术等）第22页/共48页1.4 智能天线出现的新问题 1.1.全向波束和赋形波束全向波束和赋形波束 上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的。而且，接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构
14、、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能是非常直接的。但在用户没有发射，仅处于接收状态下，又是在基站的覆盖区域内移动时(空闲状态)，基站是不可能知道该用户所处的方位，只能使用全向波束进行发射(如系统中的Pilot、同步、广播、寻呼等物理信道)。如图二所示的一个全向覆盖的基站，其不同码道的发射波束是不同的。即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来，对全向信道来说，将要求高得多的发射功率(最大可能为比专用信道高101gN dB)，这是系统设计时所必须考虑的。第23页/共48页1.4 智能天线出现的新问题2.2.共享下行信道及
15、不连续发射共享下行信道及不连续发射 在提供IP型数据业务的移动通信系统中，均设计了多用户共享的上下行信道并在基站和用户终端使用不连续发射技术。在使用智能天线的基站中，由于用户移动，基站不可能知道用户的位置，故一般只能采用全向下行波束。此外，也可以增加一次接入过程，对每个用户进行定向发射。这两种方式各有优点，均可能使用。第24页/共48页1.4 智能天线出现的新问题3.3.智能天线的校准智能天线的校准 在使用智能天线时，必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。在前述智能天线原理介绍中，我们在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理，直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形式。但
16、对实际无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是全同的，而且，其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准，则下行波束赋形将受严重影响。不仅得不到智能天线的优势，甚至完全不能通信。对智能天线校准的详细说明第25页/共48页1.4 智能天线出现的新问题4.4.帧结构及有关物理层技术帧结构及有关物理层技术 使用智能天线并不对一个移动通信系统的物理层技术提出特别的要求。而且，基本的物理层技术，如调制解调、扩频、信道编码、交织、纠错、数据复接等，必然是完全一样的。但是使用了智能天线，可以将物理层设计得效率更高。例如在TD-SCDMA建议的系统中，使用了同步CDMA技术，简化了接
17、收机；在物理层时隙设计中使用了特定的上下行Pilot时隙，减少了小区搜索及随机接入时的干扰等等，都使智能天线的功能得以充分发挥。第26页/共48页1.4 智能天线出现的新问题5.5.智能天线和其它抗干扰技术的结合智能天线和其它抗干扰技术的结合 目前，在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样，实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰，也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，必须将智能天线和其它抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测(Joint detection)，干扰抵消及
18、Rake接收等。目前，智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法(详见5)，而和Rake接收机的结合算法还在研究中。第27页/共48页1.4 智能天线出现的新问题6.6.波束赋形的速度问题波束赋形的速度问题 必须注意的是，由于用户终端的移动性，移动通信是一个时变的信道，智能天线是由接收信号来对上下行波束赋形，故要求TDD的周期不能太长。例如当用户终端的移动速度达到100km/h时，其多普勒频移接近200Hz，用户终端在10ms内的位置变化达到28cm，在2GHz频段已超过一个波长，对下行波束赋形将带来巨大的误差。故希望将TDD周期至少缩短一半，使收发之间的间隔控制在2-3ms内，以保证智
19、能天线的正常工作。如果要求此系统的终端能以更高的速度移动，则TDD上下行转换周期还要进一步缩短。第28页/共48页1.4 智能天线出现的新问题7.7.设备复杂性的考虑设备复杂性的考虑 显然，智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量，又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是在基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在，CDMA系统在向宽带方向发展，码片速率已经很高，基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求，这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平，天线元的数量在6至16之间。第29页/共48页2.1信道分配问题概述信道分配问题概述为什么会有信道分配问题？（
20、由来）信道分配是个什么问题？（描述）解这个问题能得到什么结果？（目的）已经有什么解决方法？（现状）第30页/共48页为什么会出现信道分配问题？第31页/共48页信道分配是个什么问题？（1 1）信道分配问题的限制和目标）信道分配问题的限制和目标移动通信系统的信道总数有限信道的复用需要满足一定的电磁兼容限制（主要是同道干扰）应尽量满足各个小区的话务量需求的信道数使整个系统的容量最大第32页/共48页信道分配是个什么问题？（2）空间的描述（组合优化问题模型）信道分配问题（CAP）在任何一个具体话务量情况下的求解可以描述为一个NP-完备的整数线性优化（ILP）问题。任何信道分配方案的本质都是在寻找一种
21、求解这个组合优化问题的方法。第33页/共48页信道分配是个什么问题？（3 3）时间）时间/统计描述统计描述（多维（多维MarkovMarkov链模型）链模型）假设信道分配请求的到达满足泊凇分布，信道占用时间满足负指数分布，可以近似将每个小区的信道分配可以描述为M/M/n队列。系统的状态变化可以通过Markov链来描述。描述小区簇的信道分配的K维Markov链可以反映信道分配的边界性能。通过平衡状态的概率可以计算系统的阻塞率。第34页/共48页我们要得到什么结果我们要得到什么结果？利用资源优化方法能够得到的最大频谱利用率（容量极限）获得或接近获得容量极限的信道分配方法信道分配问题在各种可能的假定
22、下的实际性能表现通过对NP-Complete的CAP问题的求解来解决或分析这类问题第35页/共48页常见常见CAPCAP优化问题的求解方法列表优化问题的求解方法列表第36页/共48页2.2 CAP中的电磁兼容什么是电磁兼容问题的电磁兼容限制电磁兼容设计第37页/共48页什么是电磁兼容问题在电子系统的开发中，要考虑到系统、分系统与周围环境之间的相互骚扰。每个设计者都应意识到电磁骚扰（EMI)问题，在电子系统的开发与设计过程中采取正确的防护措施减小电子系统本身的EMI发射。有80%的骚扰问题可以在设计与开发过程中解决。否则，当整个系统完成以后，工程师们将花双倍的力气去解决系统的骚扰问题。抗扰度问题
23、也是这样。第38页/共48页的电磁兼容限制信道限制(co-channel constraint),亦称同道干扰，这意味同一个频率不能同时分配给一对小区邻道限制(adjacent channel constraint),亦称邻道干扰，这意味频域上相邻的两个频率不能同时分配给相邻的无线小区同场地限制(co-site constraint),亦称互调干扰，即分配给一个无线小区的任一对频率在频域上必须有一定的间隔 ，且满足一定的条件第39页/共48页电磁兼容设计（1）电磁兼容设计又可分为系统内和系统间两部分。主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估，实现电磁兼容和最佳效费比。第
24、40页/共48页电磁兼容设计（2）系统间电磁骚扰控制技术系统间电磁骚扰控制技术 1、对有用信号的控制 对有用信号的控制包括：频谱管理和规定发射功率、信号类型（调制和带宽）、天线的空间覆盖范围、方向性的极化、使 用时间和地点等。在设计阶段还应尽量减小镜像频率响应、谐波频谱电平，以及乱真发射和乱真响应。2、对人为骚扰的控制 系统间人为骚扰源主要是其他系统的发射机谐波和乱真发射、高压输电线、工科医设备等的骚扰发射，这需要按照有关的EMC标准来控制。3、自然骚扰源的控制 自然骚扰源通常无法控制，只有在系统性能设计时加以考虑。例如接收机灵敏度指标应按内部噪声和天电噪声来确定，以及采取适当的电磁脉冲和静电
25、放电的防护措施等。第41页/共48页电磁兼容设计（3）系统内电磁兼容设计系统内电磁兼容设计 通常将系统内电磁兼容设计分为五个部分：印制电路板设计和有源器件的选用、布线、接地、屏蔽及滤波。第42页/共48页2.3 信道分配方案（1）信道的固定分配(fixed channel assignment,FCA)FCA是事先根据估计得出来的话务密度，为每个小区固定地分配信道。若系统有N个信道、M个小区，将这N个信道固定地分成M组，每组信道只为这个小区内的所有用户服务。第43页/共48页2.3 信道分配方案（2）信道的动态分配(dynamic channel assignment,DCA)DCA根据每个小
26、区的信道需求来动态地分配信道，即所有信道可为所有用户所共享。任一用户发起呼叫时，只要有一个信道是空闲的，基地台就将该信道分配给它，但信道并不固定分配给某小区，故称动态分配法。第44页/共48页2.3 信道分配方案（3）信道的混合分配(hybrid channel assignment,HCA)将所有信道分成两部分，一部分信道是固定地分配给某些小区，另一部分信道则保存在一个中心存储区(center pool)中，为系统中的所有用户所共享。实际上，HCA是将FCA和DCA二者结合起来的产物，故称混合分配。第45页/共48页回顾与问题智能天线的概念？智能天线对移动通信性能有哪些改善？智能天线技术的研究现状和发展方向？智能天线出现了什么新的问题？信道分配的描述和分类？电磁兼容及设计？第46页/共48页 谢谢大家谢谢大家!第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页