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　　通信工程的論文篇1

　　淺析移動通信中智能天線的原理及應用

　　1 前言

　　天線在移動通信中有效地實現了收發信機和電磁波傳播空間之間的能量傳遞，是不可缺少的組成部分。而隨著科學技術發展和進步，通信對器件、 部件的要求也越來越高， 智能天線變應運而生。智能天線是一種安裝于基站的雙向天線，它通過一組帶可編程電子相位的固定天線單元獲取針對覆蓋的方向，同時能夠獲取基站和手機之間各鏈路的方向特性，利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。隨著4G技術的發展，智能天線技術更是成為移動通信系統研究中的熱點。

　　2 智能天線的基本原理及實現

　　智能天線通常包括多波束智能天線(Switched Beam Antenna)和自適應陣智能天線(Adaptive Array Antenna)。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，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。

　　多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數目而確定。隨著用戶在小區中的移動，基站相應選擇不同的波束，使接收信號最強。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結構，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發送。該系統采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。自適應天線陣列中，各天線元的放置形式可有多種，相鄰天線元間距為一特定值。在接收信號到達天線陣時，每個陣元上的信號經過不同的加權，然后再疊加產生一個輸出信號，加權系數和疊加可以根據不同的準則。

　　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。

　　3 智能天線的優點

　　智能天線可以從以下幾個方面明顯改善無線通信系統的性能，提高系統的容量：

　　提高頻譜利用率。采用智能天線技術代替普通天線，提高小區內頻譜復用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎上增加系統容量，降低運營商成本。

　　迅速解決稠密市區容量瓶頸。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絡容量。

　　抑制干擾信號。智能天線可將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA(direction of arrinal)，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的，將零點對準干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統質量，提高了系統可靠性。對于軟容量的CDMA系統，信干比的提高還意味著系統容量的提高。

　　抗衰落。高頻無線通信的主要問題是信號的衰落，由于移動用戶與基站的相對運動，每條多徑都會有一個明顯的頻率移動，一起時間選擇性衰落，即信號幅度隨著時間變化，失真比較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應地構成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智能天線可用分集技術，減少衰落。

　　實現移動臺定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。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。由于目前蜂窩移動通信系統只能確定移動臺所處的小區，因此移動臺定位的實現可以使許多與位置有關的新業務得以方便地推出，而發展新業務是目前移動運營商提升ARPU值、加強自身競爭力的必然手段。

　　4 智能天線在現代通信中的應用

　　(1)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。

　　(2)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，提高頻率復用系數，增加了系統容量。

　　(3)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。

　　(4)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。

　　(5)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。

　　(6)用于第三代移動通信

　　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。

　　5 結束語

　　智能天線的優越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈活、優化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會，提高頻率的利用率，改善系統性能。智能天線體現了自適應、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，具有很大的發展潛力 。

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