智能天線技術(shù)的研究

王海濤

摘 要：經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及電子技術(shù)的進(jìn)步使得通信技術(shù)相較于以往取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是智能天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)傳輸方面都得取得良好的應(yīng)用效果。智能天線技術(shù)是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中最為重要也是最為核心的環(huán)節(jié)。通過(guò)智能天線的應(yīng)用能夠有效地增大移動(dòng)通信系統(tǒng)的容納量，其通過(guò)對(duì)頻譜資源進(jìn)行合理的利用，從而使得移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠發(fā)揮出更好的效果。智能天線得以發(fā)揮良好應(yīng)用效果的核心主要是由于自適應(yīng)波束形額成器在其中的應(yīng)用。自適應(yīng)波束形額成器在使用時(shí)通過(guò)對(duì)用于信號(hào)的來(lái)波方向進(jìn)行分析，從而將通信的主波束對(duì)準(zhǔn)所期望的方向，自適應(yīng)波束形額成器中的旁瓣或是零陷則對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的來(lái)向。從而最大限度地提高通信的質(zhì)量。文章在分析智能天線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上智能天線的應(yīng)用原理進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：智能天線；自適應(yīng)波束形額成器；研究

1 智能天線陣元模型簡(jiǎn)述

在智能天線的陣元模型中根據(jù)單元所布置形式的不同可以將其分為直線陣列、圓形陣列以及方形陣列等多種類型。直線陣列是一種在智能天線陣元布置中采用較多的一種布陣方式，在這一形式中通過(guò)將多個(gè)互相分離的單元的中心按照一條直線進(jìn)行排列，在排列中采用較多的是均勻排列的方式。采用此種振元分布方式，各分布單元的電流、相位等都呈現(xiàn)出等差級(jí)數(shù)分布的特點(diǎn)，且各單元都會(huì)依次超前或滯后一個(gè)相同的角度α。圓形陣列也是在智能天線中采用較多的振元排布方式，其多應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)、無(wú)線電定位、聲納等的系統(tǒng)中，當(dāng)采用圓形的智能天線振元排布方式時(shí)由于其是平面陣列，因此其能夠?qū)χ苓呥M(jìn)行360°全方位角的覆蓋，此外，采用此種方式還能夠通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)源的俯仰角進(jìn)行相應(yīng)的估算。此外，采用此種振元排布形式其在進(jìn)行平面旋轉(zhuǎn)時(shí)波束形狀能夠較為穩(wěn)定的進(jìn)行工作，且圓環(huán)陣既能形成的360°全方向的方向圖也能形成單向波束因此能夠在掃描領(lǐng)域體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在智能天線中沿著X、Y方向分別布設(shè)（M×N）個(gè)無(wú)方向性陣元從而構(gòu)成方形陣列，令陣元均為各向同性陣元。第（m，n）陣元的坐標(biāo)為（（m-1）dx，（n-1）dy），其中dx表示x軸方向上各振元之間的間隔，dy所表示的意義與dx相同表示的是y軸方向上各振元之間的間隔.x，y軸方向上所組成的陣列的參考點(diǎn)位于原點(diǎn)。

2 智能天線基本工作原理分析

智能天線主要工作模式分為波束形成系統(tǒng)和自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)兩種實(shí)現(xiàn)形式。其工作原理如圖1所示。

切換波束形成系統(tǒng)通過(guò)利用多個(gè)預(yù)定義的并行波束實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域用戶的全覆蓋，各并行波束所指向的方向和寬度都是預(yù)先設(shè)定且相對(duì)固定的。當(dāng)進(jìn)行移動(dòng)通信時(shí)，如通信的信號(hào)在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)為確保取得良好的通信質(zhì)量，切換波束陣列系統(tǒng)會(huì)通過(guò)計(jì)算選擇最優(yōu)信號(hào)接收方式，通過(guò)在在預(yù)定義的并行波束中選擇能夠使接收信號(hào)電平最強(qiáng)的波束。通過(guò)所選用并行波束同時(shí)實(shí)現(xiàn)以移動(dòng)通信信號(hào)的傳輸，從而獲取良好的通信質(zhì)量。采用此系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行通信的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)預(yù)定義的固定波束來(lái)實(shí)現(xiàn)各波束之間的最優(yōu)切換，這一模式的采用實(shí)現(xiàn)的成本較低且技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，能夠與現(xiàn)有基站進(jìn)行較為方便的連接，不足之處則是無(wú)法對(duì)移動(dòng)通信信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤。

自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)主要由前端天線陣列和中央信號(hào)處理器所組成，兩者之間形成一個(gè)閉環(huán)形式的反饋系統(tǒng)。反饋控制模塊通過(guò)依靠某種判決準(zhǔn)則（代價(jià)函數(shù)）動(dòng)態(tài)地調(diào)整天線陣列的權(quán)值來(lái)調(diào)整天線的方向圖，從而確保用戶在通信時(shí)能夠?qū)⒎较驁D的最大增益方向?qū)?zhǔn)期望用戶，從而確保最佳通信質(zhì)量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在智能天線通信的過(guò)程中會(huì)包含有多種成分，既包含有期望振元所接收到的電磁信號(hào)也包含有其他因振元位置差異而存在的相角超前或是滯后及相位差，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的良好通信在經(jīng)過(guò)計(jì)算后對(duì)相應(yīng)振元的相角和相位進(jìn)行一系列的調(diào)整，而反饋單元主要實(shí)現(xiàn)的是通過(guò)輸出與期望信號(hào)的誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制加權(quán)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以此來(lái)將智能天線的輸出信號(hào)調(diào)整為最佳接收模式。

3 智能天線LMS算法

根據(jù)上述兩種通信模式的不同可以將智能天線的通信算法分為傳統(tǒng)自適應(yīng)算法與基于波源方向 （DOA）和空間特征檢測(cè)的控制算法兩大類，其中傳統(tǒng)自適應(yīng)控制算法主要是通過(guò)對(duì)陣列輸出和信號(hào)特征 （如信干比SIR、信號(hào)包絡(luò)、信號(hào)強(qiáng)度、與參考信號(hào)的誤差等）進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，并通過(guò)算法來(lái)對(duì)其中某些不達(dá)標(biāo)的信號(hào)特征進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的調(diào)節(jié)可以通過(guò)采用最小均方算法（（LMS），遞歸最小平方算法（（RLS）和恒模算法（CMA）等的調(diào)整方案。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)先期測(cè)量來(lái)對(duì)本地參考信號(hào)進(jìn)行一定的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于陣列權(quán)矢量的調(diào)整從而將陣列輸出與參考信號(hào)的誤差均方值降至最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能天線是移動(dòng)通信的核心，通過(guò)提高頻譜的利用率，能夠有效的環(huán)節(jié)頻譜資源匱乏所帶來(lái)的通信不足缺陷，并同時(shí)提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。本文在分析智能天線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)LMS算法進(jìn)行了分析介紹，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方式對(duì)其通信性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]李世鶴.智能天線的原理和實(shí)現(xiàn)[J].電信建設(shè)，2001，1（4）：12-19.

[2]沈建鋒，王宗欣.智能天線中新的波束形成方法[J].電子學(xué)報(bào)，2004，32（3）：373-376.

[3]王大慶，張惠民，吳偉陵.CDMA中智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法研究[J].通信學(xué)報(bào)，1998，19（6）：33-39.