TD-SCDMA智能天线技术的探索与研究

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1、TD-SCDMA智能天线技术的探索与研究专业：通信工程班级：07通信工程姓名：陈冲 扌商要:智能天线是在白适应滤波和阵列信廿处理技术的基础上发展起来的，是通信系统中能 通过调整接收或发射特性来增强夭线性能的一种天线。我国提交的第三代移动通信标准 TD-SCDMA系统的关键技术Z就是智能夭线技术，木文介绍了智能天线的提岀，给出了智能 天线的定义及其分类，详细的介绍了智能天线基木结构和原理，对其中的白适应算法和波束 形成技术进行详细的介绍，根据智能天线的优点和存在的问题深入分析了该技术在TD-SCDMA 中的应用，最后对智能天线的发展前景进行了展望。TD-SCDMA网络建设引入智能天线技术， 将增

2、加系统在空间上的分辨能力，从更高层次上提高系统对于无线频谱的利川率，提高网络 容量.关键词:智能天线；自适应；TD-SCDMA；定向波束Abstract: The smart antenna developed on the basis array in the adaptive filtering and signal processing technology is adjusted through one of an antenna that the conmiunication system can enhance the receiving or transmitting anten

3、na performance characteristics In the TD- SCDMA system, the smtirt antenna technology is one of the key technologies, This paper introduces The smart antenna put forward, gives the definition and classification of smart antenna, and introduced the basic principle and structure of smart antenna, and

4、the adaptive a】gorithm and beam-forming technologies for the detailed introduction of smart antenn* according to the advantages and problems analyzes deeply the technology in td-scdma, finally the application of intel 1 igent antennd was prospected Td-scdma network construction intelligent antenna t

5、echnology introduced, will increase system in space from higher level distinguishing ability, improve the system for wireless spectrum on the utilization ratio, improve the network capacity.Key words:smart antenrm; adaptive; TD-SCDMA; directional beam目录1引言12智能天线的概念12.1智能天线的提出12.2智能天线的定义23智能天线的基本原理23

6、.1智能天线的基木组成23.2智能天线的基木原理33.3智能天线的实现33.4智能天线的自适应算法43. 5波束形成技术43. 6全向波束和赋形波束54智能天线的分类65智能天线的特点75.1智能天线的优点75.2智能天线存在的问题106智能天线的应用及发展前景126.1智能天线在TD-SCDMA中的应用126.2智能天线技术的发展前景137结语14致谢15参考文献161引言随着全球移动通信业务的迅速发展，移动通信技术越来越引起人们的极大 关注。对于移动通信中所要求的信号传输强度也越來越高，由于覆盖范围的增大 和传输数据的增多，对网络的传输和接收都提出了更高要求；此外移动通信迅 速发展给系统带

7、来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱也受到了广泛 的重视，智能天线(Smart Antenna )能很好的解决这方面的问题，智能天线利 用数字信号处理技术将无线电信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线 主波束对准用户信号到达方向DOA (di recti on of arrival) 1 ,旁瓣或零陷对准 干扰信号到达方向，达到充分高效的利用移动用户信号，删除或抑制干扰信号的 H的。因此智能天线也越来越受到人们广泛的关注。2智能天线的概念2.1智能天线的提出智能天线是在口适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的，是通 信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。它

8、利用信号传 输的空间特性，从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号，从而控制 天线阵的方向图,达到增强所需信号抑制干扰信号的H的；同时它还能根据所需 信号和干扰信号位置及入射角度的变化，自动调整天线阵的方向图，实现智能 跟踪环境变化和用户移动的H的，达到最佳收发信号，实现动态“空间滤波”的 效果。采用智能天线的H的主要有以下3点：通过提供最佳增益来增强接收 信号；通过控制天线零点来抑制干扰；利用空间信息增大信道容量。在20 世纪50年代出现的早期的智能天线是旁瓣对消天线，这种天线包含一个用于接 收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。将 儿个这样的环路组合成阵列

9、天线，就构成自适应天线。随着阵列信号处理技术的 发展，与智能天线有关的术语也越来越多。智能天线(intelligent antenna) 相 控阵(phased arrays) 空分多址(SDMA)、空间处理(spatial processing) 数 字波束形成(digital beam forming) 自适应天线系统(adaptive antenna system)等不同的说法，反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。2.2智能天线的定义采用天线阵列，根据信号的空间特性，能够自适应调整加权值，以调整其方 向圆图，形成多个自适应波束，达到抑制干扰、提取信号H的的天线。3智能天线的基本原理智

10、能天线色括多波束智能天线和口适应阵列智能天线，口适应阵列智能天 线己经成为智能天线发展的主流。利用现代数字信号处理技术，选择合适的自适 应算法，动态形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向， 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，利用有用信号和干扰信号在入射方向上有差 异这一空间特征,消除多址干扰(MAI)、共信道干扰(CCI)以及多径衰落的影响, 从而达到充分利用移动用户有用信号并抵消或最大程度抑制干扰信号的H的。 因此，固定的天线阵列与数字信号处理器的结合，就构成了可以动态配置天线特 性的智能天线。3.1智能天线的基本组成典型的智能天线结构图如图1所示。它由天线阵列、A/D和D

11、/A转换、自适 应算法控制器和波束形成网络组成。其中波束形成网络是由每个单元天线的空间 感应信号加权相加，其权系数为复数，即毎路信号的幅度和相位均可以改变。自 适应控制网络是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定的算法和优化准则 来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态的产生空间定向波束sk(0A/D或者xn(0D/A转换自适应算法控制器图1智能天线的典型结构3.2智能天线的基本原理由于天线有发射和接收两种工作状态，所以智能天线包括智能发射和智能接 收两部分，它们的工作原理基本相同。智能接受时，口适应天线阵能在干扰方向 未知的情况下对阵列中各个阵元的信号输入进行自适应的加权调整，使阵列天线 方向图

12、的零点对准干扰方向调零，以减小甚至抵消干扰信号，从而达到从混合的 接收信号中解调出期望得到的信号的n的。即使在干扰和信号同频率的情况下， 也能成功地抑制干扰。如天线的阵元数增加，还可增加零点数来抑制不同方向上 的儿个干扰源，实际效果可达25dB、30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄 波束分别跟踪多个移动H标，同吋抑制来口窄波束以外的干扰和噪声，使系统处 于最佳状态。智能发射时，根据从接收信号中获取的UE信号方位图，鬥适应地调 整每个辐射阵元输岀的幅度和相位，使得他们的输岀在空间叠加，产生指向UE 的赋形波束。3.3智能天线的实现波束形成技术是智能天线能否实现的关键。简单地说，波朿形成就是

13、将天线 阵列上接收到的信号变换到基带，然后进行相应的空间谱处理，获得该信号的 空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。在此基础上，依据一定的 准则，计算信号在各个天线阵元的加权矢量，生成多个高增益的动态窄波束來 跟踪多个期望用户。可以说波束形成是一种空间滤波方法，H的是从信号、干扰 和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。在接收模式下，抑制來自窄波束之 外的信号；而在发射模式下，使期望用户接收的信号功率最大，同吋使窄波束 范围以外的非期望用户受到的干扰最小五。智能天线采用数字波束形成（DBF）方 式，用软件完成自适应算法的更新，或采用数模结合的处理方法，在不改变系 统硬件配置前提下，

14、即保证处理精度，又保证处理速度和灵活性。智能天线的波 束形成算法，主要有盲算法、非盲算法和半盲算法三种。非盲算法需要参考信号, 因此需要占用一定的频谱，从而导致频谱的有效利用率降低;盲算法不需要任何 先验信息，但收敛性和捕获能力方面尚有许多不足；半盲算法是二者的折中。3. 4智能天线的自适应算法自适应算法是智能天线研究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类。（1）非盲算法 非盲算法是指需要借助参考信号（导频序列或导频信道）的算 法，此吋收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天线 输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE（最小均方误差）、LMS（最小均 方）和LS （最

15、小二乘）等。（2）盲算法无需发端传送己知的导频信号，他一般利用调制信号本身固有 的、与具体承载的信息比特无关的-些特征，如恒模、子空间、有限符号集、循 环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不 同约束量的算法。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一 定的系统资源。将二者结合产生一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值, 再用盲算法进行跟踪和调整，这样做可综合二者的优点，同时也与实际的通信系 统相一致，因为通常导频符不会吋时发送而是与对应的业务信道时分复用的。3. 5波束形成技术在蜂窝移动通信系统中，由于用户通常分布在各个方向，加之无线移动

16、信道 的多径效应，有用信号存在一定的空间分布。其一，当基站接收信号时，来自各个 用户的有用信号到达基站的方向可能不同，且信号与其到达角度Z间存在复杂的 依赖关系;其二，半基站发射信号时，可被用户有效接收的也只是部分的信号。考 虑到这一因素，调整天线方向使其能实现指向性的接收与发射是很自然的想法， 这也就是波束形成概念的最初来源。波束形成的H标是根据系统性能指标，形成 对基带信号的最佳组合与分配。具体说，波束形成的主要任务就是补偿无线传播 过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落与失真，同吋降低用户间的共信 道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束形成，即数字波束形成(DBF)天线,从而可 以使用软件设计完成自适应算法更新,在不改变系统硬件配置的前提下增加系统 的灵活性DI