畢業(yè)論文--淺談智能天線在移動通信中的應(yīng)用

1、<p>　　四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)</p><p>　　論文題目:淺談智能天線在移動通信中的應(yīng)用 </p><p>　　專 業(yè): 通 信 技 術(shù) </p><p>　　班 級: 通 技 </

2、p><p>　　學(xué) 號: </p><p>　　姓 名: </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p><b>　　二〇一三年五月九日<

3、;/b></p><p>　　四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　備注：任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，一式二份。其中學(xué)生一份，指導(dǎo)教師一份</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘　要1</b></p><p>

4、<b>　　第1章　緒論2</b></p><p>　　第2章　智能天線的實現(xiàn)3</p><p>　　第3章　智能天線的基本原理4</p><p>　　第4章　智能天線的誘人前景6</p><p>　　第5章　智能天線的應(yīng)用8</p><p>　　5.1　用于FDMA系統(tǒng)8</p

5、><p>　　5.2　用于TDMA系統(tǒng)8</p><p>　　5.3　用于CDMA系統(tǒng)8</p><p>　　5.4　用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)8</p><p>　　5.5　用于DECT、PHS等系統(tǒng)8</p><p>　　5.6　用于第三代移動通信9</p><p>　　第6章　智能天線在第

6、3代移動通信中的應(yīng)用10</p><p>　　6.1　在WCDMA和CDMA2000中的應(yīng)用10</p><p>　　6.2　在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用10</p><p>　　6.3　對系統(tǒng)性能的改善及需解決的問題11</p><p>　　6.3.1　智能天線對系統(tǒng)性能的改善11</p><p>　　6

7、.3.2　在實際應(yīng)用中需要解決的問題13</p><p>　　第7章　移動通信采用智能天線的好處15</p><p>　　7.1　提高系統(tǒng)容量和頻譜利用效率15</p><p>　　7.2　智能化的的信道分配和越區(qū)切換15</p><p>　　7.3　提高通信質(zhì)量和傳輸效率15</p><p><b&g

8、t;　　結(jié)　束　語17</b></p><p><b>　　致　謝18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　在移動通信領(lǐng)域，形成了一個新的研究熱點—智能天線（smart an

9、tennas），本文論述了智能天線的兩個主要類型和基本特性，介紹了智能天線研究動向和未來移動通信系統(tǒng)智能天線應(yīng)用前景。</p><p>　　智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動通信。此外，隨著移動用戶數(shù)迅速增長和人們對通話質(zhì)量要求的

10、不斷提高，要求移動通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。</p><p>　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向DOA（direction of arrival），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)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。同時，利用各

11、個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域（TDMA）、頻率域（FDMA）或碼域（CDMA）而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。</p><p>　　關(guān)鍵詞　智能天線；移動通信；容量；覆蓋<

12、/p><p><b>　　第1章　緒論</b></p><p>　　隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術(shù)引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響，成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾

13、信號到達(dá)方向，達(dá)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。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。</p><p>　　隨著移動通信的發(fā)展，移動用戶數(shù)目迅速增加，移動通信業(yè)務(wù)量的增長和有限的頻譜資源的矛盾日益突出。解決上述矛盾的一種途徑是提高頻譜的有效利用率，近年來，智能天線作為提高頻譜有效利用率的一種技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。智能天線是在

14、自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。</p><p>　　20世紀(jì)90年代初，隨著移動通信的發(fā)展，陣列信號處理技術(shù)被引入移動通信領(lǐng)域，形成了智能天線這個新的研究領(lǐng)域。許多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和通信公司都對智能天線表現(xiàn)出了濃厚的興趣，做了大量的研究。在未來的第三代移動通信系統(tǒng)中，智能天線將發(fā)揮重要的作用，我國提出的第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TD—SCDMA把智能天線列為一項關(guān)鍵技術(shù)。</p><

15、;p>　　第2章　智能天線的實現(xiàn)</p><p>　　智能天線陣列系統(tǒng)主要包括天線陣列、自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)。天線陣列是收發(fā)射頻信號的輻射單元。自適應(yīng)處理器把有一定規(guī)律的激勵信號轉(zhuǎn)換成與各波束相對應(yīng)的幅度和相位，提供給各輻射單元，用來確定波束形成網(wǎng)絡(luò)各部分的增益。波束形成網(wǎng)絡(luò)利用天線陣元產(chǎn)生的方向圖，實現(xiàn)智能天線的各種應(yīng)用。</p><p>　　自適應(yīng)處理器產(chǎn)生的各支路幅度和相

16、位調(diào)整系數(shù)，是波束形成網(wǎng)絡(luò)工作的重要依據(jù)。自適應(yīng)處理器包括信號處理器和自適應(yīng)算法器。信號處理器根據(jù)所需進(jìn)行的信號處理，自適應(yīng)算法器根據(jù)均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度，用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕ{(diào)整方向圖，形成網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，使智能天線陣系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。</p><p>　　最初的智能天線采用復(fù)雜的模擬電路，如今采用數(shù)字波束形成(DBF)方式，用軟件完成算法更新，也可采用數(shù)模相結(jié)合的處理方法，既保證處理精度，又保證

17、處理速度及靈活性。此外，為了使智能天線具有良好性能，應(yīng)根據(jù)具體的電波傳播環(huán)境，選擇相應(yīng)的智能算法。采用軟件無線電技術(shù)使系統(tǒng)具有良好的改善能力，提高系統(tǒng)性能。為了盡量減少對現(xiàn)有系統(tǒng)的改動，也可使用多波束智能天線。多波束天線利用多個指向固定的波束覆蓋全方向，雖然不能實現(xiàn)信號最佳接收，但結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，且無需判定所接收信號的方向。</p><p>　　第3章　智能天線的基本原理</p><p&g

18、t;　　智能天線的基本思想是利用各用戶信號空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個接收準(zhǔn)則自動調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，達(dá)到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接收和發(fā)送多個用戶的信號而不互相干擾。采用智能天線技術(shù)能夠有效地抑制與接收的信號方向不同的多徑干擾、同信道干擾、多址干擾以及其他各種類型的有意或無意干擾，提高信號的傳輸質(zhì)量，提高頻譜的有效利用率，增大系統(tǒng)容量，因而智能天線在未來的無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。</p>

19、<p>　　智能天線根據(jù)信號的空間特性差異區(qū)分信號，它在傳統(tǒng)的時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)之外引入了第四種多址方式:空分多址(SDMA)，即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空分-碼分多址(SD-CDMA)。智能天線與傳統(tǒng)天線概念有本質(zhì)的區(qū)別，其理論支撐是信號統(tǒng)

20、計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號處理。</p><p>　　智能天線分為兩大類:多波束天線陣列和自適應(yīng)天線陣列，后者是智能天線的主要形式。多波束天線采用多個波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向固定，波束寬度隨天線陣元數(shù)目的確定而確定，系統(tǒng)根據(jù)用戶在小區(qū)中的位置選取相應(yīng)的波束，使接收的信號最佳。自適應(yīng)天線是一種控制反饋系統(tǒng)，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則，采用數(shù)字信號處理技術(shù)形成天線

21、陣列的加權(quán)向量，通過對接收到的信號進(jìn)行加權(quán)合并，在有用信號方向上形成主波束，而在干擾方向上形成零陷，從而提高信號的輸出。智能天線的結(jié)構(gòu)主要包括四部分：天線陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)處理器，波束成型網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　1、天線陣列部分</b></p><p>　　天線的陣元數(shù)量與天線陣元的配置方式對智能天線的性能有著重要的影響。</p><

22、;p><b>　　2、模數(shù)轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　下行是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，上行是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。</p><p><b>　　3、自適應(yīng)處理部分</b></p><p>　　自適應(yīng)處理器是根據(jù)自適應(yīng)空間濾波器/波束成型算法和估計的來波方向等產(chǎn)生權(quán)值。</p><p>

23、;<b>　　4、波束成型網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　波束成型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)處理以產(chǎn)生期望的自適應(yīng)波束。</p><p>　　見下圖3-1所示，智能天線的原理圖：</p><p>　　圖3-1　智能天線的原理圖</p><p>　　以下是生活中常見的移動智能天線圖，如見下圖：</p><

24、p>　　如圖3-2　生活中常見的智能天線 </p><p>　　第4章　智能天線的誘人前景</p><p>　　美國、日本和歐洲的一些國家非常重視未來移動通信中智能天線的應(yīng)用，已經(jīng)開展了大量的理論分析和研究。我國早已將研究智能天線技術(shù)列入了國家863-317通信技術(shù)主題研究中的個人通信技術(shù)分項，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。在連續(xù)獲得ITU和3GPP通

25、過的我國自主研發(fā)的TD—SCDMA技術(shù)體制中，就廣泛用了智能天線和軟件無線電技術(shù)。作為系統(tǒng)根基的SCDMA-WLL的現(xiàn)場運行結(jié)果，足以證明基于TD-SCDMA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)是可行和成熟的。</p><p>　　歐洲在進(jìn)行了基于DECT基站的智能天線技術(shù)研究后，繼續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評估等研究。日本某研究所提出了基于智能天線的軟件天線概念，即用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素亦不同，

26、可通過軟件采用相應(yīng)的算法。</p><p>　　美國的Met wave公司對用于FDMA、CDMA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進(jìn)行了大量研究開發(fā)；ArrayComm公司也研制了用于無線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；美國德州大學(xué)建立了智能天線試驗環(huán)境；加拿大McMaster大學(xué)也對算法進(jìn)行了研究。</p><p>　　當(dāng)前對智能天線的研究包括智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法；寬帶信號波束的高速波束成形處

27、理；用于移動臺的智能天線技術(shù)；智能天線實現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測試平臺及軟件無線電技術(shù)研究等方面。</p><p>　　通過智能天線進(jìn)行空分多址，將基站天線的收發(fā)限定在一定的方向角范圍內(nèi)，其實質(zhì)是分配移動通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無線資源。</p><p>　　傳統(tǒng)的全向或者定向天線效果并不理想，主要是由于空間資源分割是基于設(shè)計人員的經(jīng)驗知識，

28、盡管可以在系統(tǒng)建成后，采取某些優(yōu)化措施改進(jìn)系統(tǒng)性能，但由于種種原因，這種優(yōu)化的余地不大，而且工程量很大。與之相比，智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達(dá)天線陣列的信號，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機(jī)會。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念，對當(dāng)前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動作用。</p><p>　　隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術(shù)

29、引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)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。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。</p><

30、;p>　　第5章　智能天線的應(yīng)用</p><p>　　5.1　用于FDMA系統(tǒng)</p><p>　　據(jù)研究，與通常的三扇區(qū)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(fù)用系數(shù)由7改善為4，增加了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，采用智能天線技術(shù)可降低無線掉話率和切換失敗率。</p><p>　　5.2　用于TDMA系統(tǒng)</p><

31、;p>　　無線能量在時間和空間上都受到限制，智能波束切換規(guī)則可提高C /I指標(biāo)。據(jù)研究，用4個30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線，C /I可提高6dB，提高了服務(wù)質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng)C /I比最小的前提下，提高頻率復(fù)用系數(shù)，增加了系統(tǒng)容量。 </p><p>　　5.3　用于CDMA系統(tǒng)</p><p>　　在CDMA系統(tǒng)中，智能天線可進(jìn)行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的

32、部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進(jìn)行軟/更軟切換控制；智能天線的空間域濾波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng)，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。</p><p>　　5.4　用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)</p><p>　　在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，基站對收到的上行信號進(jìn)行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進(jìn)行上行波束賦形，達(dá)到最佳接收效果。由于本系

33、統(tǒng)采用TDD方式，可將上行波束賦形數(shù)據(jù)直接用于下行發(fā)射信號，實現(xiàn)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(fā)射功率，擴(kuò)大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。</p><p>　　5.5　用于DECT、PHS等系統(tǒng)</p><p>　　DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移動通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進(jìn)行智能天線實驗時，采用和評估了多種自適應(yīng)

34、算法，并驗證了智能天線的功能。日本在PHS系統(tǒng)中的測試表明，采用智能天線可減少基站數(shù)量。近期受移動“本地通”業(yè)務(wù)的啟發(fā)，我國一些地方提出利用PHS等技術(shù)建設(shè)“移動市話”，期望與蜂窩移動網(wǎng)爭奪本地移動用戶群。由于PHS等系統(tǒng)的通信距離有限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術(shù)，則可降低成本。</p><p>　　5.6　用于第三代移動通信</p><p>　　采用智能天線技術(shù)可提高第三代移動

35、通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量，W-CDMA系統(tǒng)就采用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。SCDMA系統(tǒng)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(tǒng)具有精確定位功能，可實現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費。</p><p>　　第6章　智能天線在第3代移動通信中的應(yīng)用</p>

36、<p>　　在向第3代移動通信系統(tǒng)(3G)發(fā)展過程中，迅速增加的業(yè)務(wù)量和有限的頻譜資源之間的矛盾日益突出。運營商迫切希望提高系統(tǒng)的頻譜利用率從而提供更大的容量，智能天線正是解決這個矛盾的核心技術(shù)之一。從智能天線原理入手，結(jié)合實際應(yīng)用中的復(fù)雜度、使用成本等因素，重點介紹了智能天線在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用，并詳細(xì)分析了它的優(yōu)勢和存在的問題。最后針對國內(nèi)移動通信市場的現(xiàn)狀，得出結(jié)論：在即將到來的第3代移動通信系統(tǒng)中，智能天線必將出現(xiàn)美好的

37、應(yīng)用前景。歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動通信方案中的地位與作用，已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術(shù)試驗平臺。歐洲通信委員會(CEC)在RACE計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。日本的ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。而美國的ArrayComm公司和中國電信科學(xué)研究院信威公司也研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。我國也早已將研究

38、智能天線技術(shù)列入國家863-317通信技術(shù)主題研究中的個人通信技術(shù)分項，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。</p><p>　　6.1　在WCDMA和CDMA2000中的應(yīng)用</p><p>　　第3代系統(tǒng)被設(shè)計為一個可以提供相當(dāng)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。但是，它們還會像第2代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)認(rèn)識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用，并且在即將出臺的3G標(biāo)準(zhǔn)中制

39、訂了相關(guān)的條款。如WCDMA和CDMA2000都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導(dǎo)頻信道，但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。</p><p>　　對于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當(dāng)今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。</p><p>　　6.2　在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p&g

40、t;　　TD-SCDMA(時分同步的碼分多址)智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性(無線環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。</p><p>　　TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信

41、機(jī)按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使用DSP(數(shù)字信號處理器)使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達(dá)到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。</p><p>　　由于每個用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP控制用戶的方

42、向測量使上述要求可以實現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達(dá)角進(jìn)行測量。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200次，每用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。</p><p>　　TDD(時分雙工)模式的TD-SCDMA的進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行兩個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的，使得智能

43、天線能將小區(qū)間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。</p><p>　　6.3　對系統(tǒng)性能的改善及需解決的問題</p><p>　　6.3.1　智能天線對系統(tǒng)性能的改善</p><p>　　智能天線可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面：</p><p><b>　　1、抗衰落</b><

44、;/p><p>　　高頻無線通信的主要問題是信號的衰落，普通全向天線或定向天線都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)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。智能天線還可用于分集，減少衰落。在陸地移動通信中，電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成，隨著移動臺移動及環(huán)境變化，信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，造成信號衰落。采用全向天線接收所有方向的信號

45、，或采用定向天線接收某個固定方向的信號，都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減小信號衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。電波通過不同路徑到達(dá)接收天線，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理，即可實現(xiàn)角度分集。</p><p><b>　　2、抑制干擾信號</b>&

46、lt;/p><p>　　智能天線對來自各個方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過對各天線元的激勵進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點對準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FD-MA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比，用12個30°波束天線陣列組成360°全覆蓋天線的同頻干擾

47、要小得多。將智能天線用于CDMA基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用的實質(zhì)是空間域濾波。智能天線波束具有方向性，可區(qū)別不同入射角的無線電波，可調(diào)整控制天線陣單元的激勵“權(quán)值”，其調(diào)整方式與具有時域濾波特性的自適應(yīng)均衡器類似，可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化，優(yōu)化天線陣列方向圖，將其“零點”自動對準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信噪比，提高系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　3、迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸

48、</p><p>　　為了滿足移動通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。由于天線波束變窄，提高了天線增益及C /I指標(biāo)，減少了移動通信系統(tǒng)的同頻干擾，降低了頻率復(fù)用系數(shù)，提高了頻譜利用效率。使用智能天線后，毋需增加新的基站就可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量，擴(kuò)大系統(tǒng)容量，增強(qiáng)現(xiàn)有移動通信

49、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。</p><p>　　未來的智能天線應(yīng)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(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密市區(qū)容量難題既經(jīng)濟(jì)又高效的方案，可在不影響通話質(zhì)量情況下，將基站配置成全向連接，大幅度提高基站容量。</p><p>　　當(dāng)前我國正考慮大規(guī)模引入CDMA移動通信系統(tǒng)，但部分省市模擬

50、系統(tǒng)占用了CDMA頻段，必須采用清頻手段解決此問題。使用智能天線，可大大改善模擬系統(tǒng)小區(qū)復(fù)用方式，增加模擬系統(tǒng)容量，即使清頻也不會導(dǎo)致模擬系統(tǒng)資源匱乏，為CDMA系統(tǒng)留出頻段。</p><p><b>　　4、實現(xiàn)移動臺定位</b></p><p>　　目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)，如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時確定持機(jī)者所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提

51、供很大方便，還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。</p><p>　　在陸地移動通信中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。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(qū)域。</p><p>　　6.3.2　在實際應(yīng)用中需要解決的問題</p><

52、p>　　智能天線技術(shù)對無線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統(tǒng)時，必須考慮所帶來的問題，并在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計上解決這些問題。</p><p>　　1、全向波束和賦形波束</p><p>　　上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。

53、在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射(如系統(tǒng)中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計時所必須考慮的

54、。</p><p><b>　　2、智能天線的校準(zhǔn)</b></p><p>　　在使用智能天線時，必須具有對智能天線進(jìn)行實時自動校準(zhǔn)的技術(shù)。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進(jìn)行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機(jī)不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實時

55、自動校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。</p><p>　　3、智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合</p><p>　　目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干

56、擾的數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達(dá)到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實用的算法，而和Rake接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。</p><p>　　4、設(shè)備復(fù)雜性的考慮</p><p>　　顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字

57、信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增。現(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復(fù)雜性已對微電子技術(shù)提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6-16之間。</p><p>　　考慮到國內(nèi)不同的移動通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對得到3G牌照的各個運營商來說，將會采用不同的3G標(biāo)準(zhǔn)和不同的演進(jìn)道路，但智能天線將是運營商共同的選擇。對于原本就沒有建設(shè)2G移動通信網(wǎng)絡(luò)的運營商來

58、說，建設(shè)全新的網(wǎng)絡(luò)非常適宜。如果選擇建設(shè)TD-SCDMA系統(tǒng)，作為其核心技術(shù)，智能天線憑借其提高系統(tǒng)容量、減小移動臺發(fā)射功率等方面的優(yōu)勢，將會有效地降低運營商的投資并提高其經(jīng)濟(jì)收益。而對于已經(jīng)建設(shè)GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò)的運營商，分別過渡到WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)將是最佳選擇。對這些運營商而言，智能天線雖然只作為一種推薦配置，但是它可以顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量，由于我國大城市的人口密度一般都很高，因而這一優(yōu)勢對我國的運營商尤其重要。與

59、此同時，由于智能天線技術(shù)的使用，提高了小區(qū)的信號質(zhì)量，減少了鄰近小區(qū)的干擾，因此也擴(kuò)大了覆蓋范圍。而智能天線技術(shù)的干擾緩解機(jī)制對系統(tǒng)也有改善：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶終端，基站和用戶終端僅僅需要較小的發(fā)射功率就能夠達(dá)到同樣的信號質(zhì)量水平。盡管智能天線技術(shù)要求配置多個天線，增加了功率放大器的數(shù)量，但更重要的是，功率放大器的發(fā)射功率有較大的減少，功率放</p><p>　　第7章　移動通信

60、采用智能天線的好處</p><p>　　7.1　提高系統(tǒng)容量和頻譜利用效率</p><p>　　智能天線通過以下途徑來提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率:</p><p>　　1、產(chǎn)生多個窄波束來對準(zhǔn)移動用戶，以致處于發(fā)射狀態(tài)時能減少對附近小區(qū)移動用戶的共信道干擾，處于接收狀態(tài)時各種干擾信號因落入方向圖零點而被抑制；</p><p>　　2、具有空分多

61、址性能。假設(shè)智能天線形成N個波束來跟蹤移動用戶，那么在理論上，該小區(qū)內(nèi)相同的頻率就可重復(fù)利用N次，系統(tǒng)的容量增加N倍，或者在容量不變的情況下，服務(wù)的小區(qū)面積可增加N1r倍(r是電波傳播損耗因子，通常為4)；</p><p>　　3、智能天線還能明顯提高接收信號的信噪比，改善系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，意味著在不提高服務(wù)質(zhì)量的條件下可增加用戶數(shù)量。研究表明，現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的每個基站都使用四單元的智能天線后，系統(tǒng)的容量可提

62、高7倍，而在同樣條件下，采用四個固定波束的天線只能增加1倍的容量。以上結(jié)果都是與全向天線相比而言。</p><p>　　7.2　智能化的的信道分配和越區(qū)切換</p><p>　　智能天線采用數(shù)字信號方式將各支路的有用信號保留到A /D變換之后，借助于陣列信號處理，可對各種信號(包括通信信號和干擾信號)的參數(shù)(如信號個數(shù)、頻率、到達(dá)角等)進(jìn)行估計，對移動用戶進(jìn)行定位和跟蹤。有了這些重要信息，

63、智能天線就能打破傳統(tǒng)按固定邊界小區(qū)分配信道數(shù)的思路，將其波束覆蓋的區(qū)域定義為一個智能小區(qū)，根據(jù)該小區(qū)內(nèi)用戶群業(yè)務(wù)量的大小，實時分配信道，大大提高了信道利用率。 由于智能天線能夠隨時提供移動用戶的位置信息，控制中心就可利用它們計算出用戶的移動速度和方向，非常容易實現(xiàn)越區(qū)切換。這種所謂的“智能切換”，既不同于“硬切換”，也不同于“軟切換”。</p><p>　　7.3　提高通信質(zhì)量和傳輸效率</p>&

64、lt;p>　　智能天線用于移動通信系統(tǒng)后，能明顯改善BER性能。對于一個CDMA移動通信系統(tǒng)，當(dāng)小區(qū)內(nèi)有K個用戶同時工作時，在采用RLS算法的智能天線和全向天線兩種情況下，BER的表達(dá)式分別如下:</p><p>　　其中，Q(X)是標(biāo)準(zhǔn)Q函數(shù)，G是CDMA系統(tǒng)處理增益，β值為0.05513，D是智能天線增益。此外，智能天線還能有效地提高接收信號的信噪比、降低碼間串?dāng)_和通信過程中的掉話率，提高通信質(zhì)量。&l

65、t;/p><p>　　與固定波束的天線相比，智能天線窄波束產(chǎn)生的增益一方面可降低發(fā)射臺的功率，另一方面可減小移動終端的體積和重量、延長終端電池的使用壽命，或可以采用更小的電池，降低整個系統(tǒng)的成本。</p><p><b>　　結(jié)　束　語</b></p><p>　　經(jīng)過三個多月的努力，淺談智能天線在移動通信中的應(yīng)用的論文終于完成了，在畢業(yè)設(shè)計的整個

66、過程中，我遇到了很多不懂的問題，但在老師和同學(xué)的幫助下都一一的解決了，在這個過程中，我學(xué)習(xí)到很多有用的知識。</p><p>　　在此過程中，我明白畢業(yè)設(shè)計不只是復(fù)制、粘貼那么的簡單，首先，是讓我們對自己所寫的事物進(jìn)行了解，就像我現(xiàn)在寫的論文一樣，雖然我們經(jīng)常在生活中看到智能天線，但要自己寫一份關(guān)于它的詳細(xì)的理論出來，我卻覺得它是那么的陌生。剛開始寫的是時候，一點頭緒也沒有，通過收集資料的過程中，我學(xué)到了很多知識

67、，讓我對智能天線有了較深入的了解，也體會到智能天線對于我們的重要意義。同時，這不只是一份畢業(yè)設(shè)計，也是學(xué)校給我們安排的一個自主學(xué)習(xí)的機(jī)會，讓我們學(xué)習(xí)如何收集、整理我們所要的資料。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計讓我明白，我們不管做什么事情之前都應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備，有系統(tǒng)的思維方式，而且要細(xì)心，有耐心，要學(xué)會收集、處理、識別有用的資料，不斷的學(xué)習(xí)，豐富自己的學(xué)識，只有這樣我們才能不斷的進(jìn)步。</p>

68、;<p><b>　　致　謝</b></p><p>　　本論文是在我的指導(dǎo)老師——老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。在我撰寫論文的過程中劉老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了劉老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是她廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此

69、表示真誠地感謝和深深的謝意，我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)設(shè)計小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。</p><p>　　感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在畢業(yè)設(shè)計即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到畢業(yè)設(shè)計的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！&

70、lt;/p><p>　　回首在學(xué)校的日子，很快就要結(jié)束三年的大學(xué)生活，心里百感交集，有興奮、期待，也有不舍和失落，不管怎樣，我們始終都要向前看，向前進(jìn)。在此，再次感謝陪我走過這三年的老師和同學(xué)，因為有你們，在這里的三年才如此精彩，謝謝！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]　吳偉陵，牛凱．移動通信原理（第二版）

71、．電子工業(yè)出版社，1998</p><p>　　[2]　宋文濤，移動通信【M】．上海交通大學(xué)出版社，1996</p><p>　　[3]　何林娜，數(shù)字移動通信技術(shù)【M】機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[4]　丁奇，陽楨．大話移動通信．人民郵電出版社，2010</p><p>　　[5]　(美) 格羅斯，何業(yè)軍，桂良啟，李霞譯．