移动通信原理第十一章-智能天线技术.pptVIP

第十一章 智能天线技术 §11.1 智能天线的基本原理 智能天线技术的主要任务就是研究如何获取和利用接收信号中包含的空间方向信息，并通过阵列信号处理技术改善接收信号的质量，从而提高系统的性能。 典型的智能天线系统示意图 11.1.1 波达方向(DOA) 波达方向是指无线电波到达天线阵列的方向。 均 匀 直 线 阵 列 示 意 11.1.2 阵列响应向量 当满足天线传输窄带条件(信号带宽小于信号在天线阵中传输时间的倒数)，且阵列采用特性相同的全向阵元时，对同一入射信号，各阵元输出响应之间将只有相位差异而没有幅度差异，这一差异可以用阵列响应向量充分描述，阵列响应向量的一般形式为： 对均匀直线阵列有： 由 可知，均匀线阵存在前后向不可分的缺点，故均匀直线阵经常应用于扇区系统，这可通过使用方向性阵元来实现。 阵列响应向量表明了阵列对入射信号的响应，由于天线阵列具有确定的拓扑形状，因此在阵列响应向量中包含了入射信号的方向信息。 11.1.3 阵列加权向量 在每个天线阵元后端，有一个加权系数，所有的加权系数合在一起构成的向量即为阵列加权向量，加权向量由 表示。阵列加权向量是与信号到达方向有关的一个向量，天线阵列各阵元的信号通过加权，可以调整天线的接收方向图，因此可以认为阵列加权向量是移动台位置的函数。自适应天线阵列的核心就是设计、控制和调整阵列加权向量。控制部分是智能天线系统的核心，其功能是依据信号环境、按某种准则和算法选择或计算阵列加权向量。 11.1.4 波束成型与空域滤波 假设一个从 入射的信号，则阵列接收信号可以表示为： 阵列加权向量记为 ，经过阵列加权后的输出信号可以表示为： 天线阵列的接收方向图由阵列成型因子确定，阵列成型因子可以表示为： 每确定一个?，就可以得到一个阵列成型因子的值。 令?由 变化，得到的阵列接收方向图 只有当阵列加权向量与阵列响应向量匹配的时候，阵列形成的增益最高，此时阵列响应向量由波达方向 确定。当阵列加权向量与阵列响应向量相差较大角度的时候，阵列成型因子(信号增益)较低。由此可以得到一个比较直观的概念，即波束成型(Beam forming)：在阵列方向图上，对波达方向形成指向性波束，而对其它方向形成较低增益。 阵列成型因子的作用相当于一个滤波器，即只有在特定入射方向的信号被放大，而其它方向入射的信号被衰减掉了。这种与空间方向有关的选择性接收作用常称为空域滤波。 波束成型和空域滤波的作用是通过阵列的加权合并完成的，如前所述，这一部分的处理功能通常在基带部分由数字信号处理器完成。因此在有些文献中这种作用被称为数字波束成型(DBF，Digital Beam Forming)。 11.1.5 常用的性能度量准则 1、最小均方误差准则(MMSE) 2、最大信干噪比SINR准则 3、最大似然准则 §11.2 智能天线技术在移动通信中的应用 11.2.1 引入智能天线的必要性 由于移动通信的高度灵活性和方便性，使其发展非常迅速，目前扩大系统容量已成为移动通信发展中的一个瓶颈，由于移动通信可使用的频率资源有限，因此开发和扩大空间资源与频率资源的组合以满足日益增长的用户需求已成为目前与今后的一个发展主要方向。 智能天线在第三代和未来的移动通信中将主要用于基站，亦即基站的上行接收与下行发射中。 11.2.2 智能天线的上行接收技术 智能天线的上行接收目前主要有两类主要方式：基于预波束的波束切换方式，基于全自适应的窄波束跟踪用户方式。 由于在移动通信中用户的随机移动性和传播信道的快速时变性，使得目前提出的一系列算法的收敛速度很难跟上快速运动的用户速度和快速的时变信道速度。因此从工程实现上看准最优的预多波束的波束切换方式更有实际应用价值。 为了更有效地对抗时延扩展、进行多径合并和滤除干扰，有必要进行空时联合处理。在DS-CDMA系统中，常见的空时处理结构包括空时二维RAKE接收机，简称2D RAKE接收机 。 基于软件无线电CDMA基站上行智能天线接收原理 11.2.3 智能天线的下行发射技术 在下行的实现方案中，一种可行的方式是利用反馈回路构成闭合环路，即移动台利用反馈回路将下行信道状态信息不断反馈给基站，以提供下行信道状态，这一方案可行但实现复杂，增大系统开销。 实现下行发送的另一种方案是直接利用上行信道信息估计下行信道状态，这一方案仅适合于时间双向、双工的TDD方式，因为对于TDD方式而言其上/下行占用同一频段，不同的仅是时隙不一样，只要上/下行时隙帧的长