基于无线通信的智能天线发展研究

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摘要：随着通信的和技术的进步，对所用器件、部件的要求也越来越高。智能天线正是适应通信发展而产生的新事物——在无线接入系统、卫星通信系统和移动通信系统(不论在公众通信网中,还是在专用通信网中)以及军事通信等系统中,均有其重要应用。本文主要就智能天线在无线通信中的应用及发展进行了分析。

关键字：无线通信；智能天线；应用

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一、概述

无线通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域，近年内，几乎所有先进的无线通信系统都将采用此技术。智能天线技术对无线通信系统所带来的优势是目前任何技术难以替代的。智能天线技术已经成为无线通信中最具有吸引力的技术之一。

二、智能天线在无线通信系统中的应用

智能天线能用于很多种无线通信系统中,以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公众移动通信网方向发展,或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝社区正在向微型化、智能化方向发展,站距将更小,分布也更广泛,波束跟踪也更需智能化、实时化,基站配置也将更灵活,智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。由于智能天线的使用,不论在专用移动通信系统,例如集群系统、无线本地环路,还是在公众蜂窝系统,一改控制通道的发射方式——由全社区(或全扇区或全无线区)范围内的辐射为跟踪性的极窄波束辐射,全区内同频可以多次复用,从而形成了智能无线区(智能社区、智能扇区)的新概念。因为智能天线具有跟踪功能的固有性,无需通信系统另设“定位功能”,从而使采用智能天线的移动通信系统、个人通信系统的越区切换产生了“智能切换”的又一个新概念。而且,智能天线的应用也降低了成本。智能天线用于移动通信系统时,主要用于基站的发和收。应该承认,移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大,其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度,所以移动通信和个人通信中智能天线应用较晚,而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。智能天线工作于TDD双工方式的无线接入系统时,可以把上、下行链路的加权系数统一。但在上、下行频率不同时,即采用FDD双工方式时,则下行链路的加权系数在上行链路的加权系数基础上,还需作适当处理。智能天线有望用于移动市话,以改善其频率配置的难度和提高网络的容量,以及提高网络的抗干扰能力。

智能天线也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等体制的无绳电话系统,都能改善它们的系统性能。

智能天线还可用于卫星移动通信系统(如图1所示),例如用于L波段的卫星移动系统的智能天线就是用16单元、环形分布的微带天线阵列和一个波束形成网络构成,采用左旋园极化。而波束形成网络则采用10块FPGA芯片,其中2块用于波束选择、控制和界面,8块用于天线阵列的准相干检测和快速傅立叶变换。

同时智能天线在网络管理上也有十分突出的特点。由于智能天线具有测向功能,因此利用相邻社区基台得到的方向信息,可以确定用户在社区的位置,为实现正确切换提供更可靠的依据。社区采用智能天线后,可以根据移动用户与基台的距离,自适应调整基台的功率增益来简化移动用户的功率控制和克服远近效应。

三、未来无线系统中的智能天线技术

未来无线系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术，因此未来智能天线设计的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。下面，我们将介绍未来无线通信中智能天线的发展趋势和会遇到的问题。

3.1物理层的可重配置性。为了使无线通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中，需要在收发机中采用可重新配置的自适应技术来调节结构，从而获得最好的性能。智能天线收发机中的可重配置性可以看作是在各种不同环境中收发机结构的智能切换。例如，已经有专家提出了在MIMO通道中用于空间分集和复用相互折衷的算法。

3.2不同层之间的优化。通过由OSI(Open System Interconnection，开放系统互连)模型定义的高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。可以通过结合物理层、链路层、网络层的参数来设计智能天线，也就是说要考虑到各层之间相互关系来设计，而不是单独考虑某一层。实践表明，单独考虑一层的设计方法所得到性能评估是低效的。例如，当引入调度后，通过空时编码所得到的增益将会减小，甚至会消失。在OSI不同层之间交换的信息可以归类如下：(1)CSI：需要估计出通道脉冲回应、定位信息、车载速度、信号强度、干扰强度、干扰模型等。(2)QoS相关的参数：包括时延、吞吐量、误比特率、分组差错率(PER，Packet Error Rate)等。(3)物理层资源：包括空间处理机制、天线阵列的数目、电池电量的损耗等。考虑层之间的优化准则是非常重要的。在实际系统中，使用智能天线的链路质量不仅取决于采用的数据检测方法，而且还取决于特定的编码机制以及在链路层采用的媒体接入控制(MAC，Medium Access Control)功能，甚至取决于高层采用的协议栈性能。因此，在设计时应该综合考虑上述因素，而不是单独考虑某一个因素。对于时延不敏感业务，将智能天线技术如V-BLAST同混合自动请求重复(H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)机制结合的前景是非常看好的。

3.3多用户分集。在多用户通信中，一种叫作机会机制的通信方式得到了人们的重视。其基本思想是通过把通道分配给那些最有可能完成连续传输的用户来复用。这样可以使系统的吞吐量最大化。对于反射空间通道，机会波束成形方法会指向具有最高SNR的用户；另一方面，在充分散射情况下，机会机制会把通道分配给那些具有最高瞬时容量的用户。机会机制可以产生多用户分集，多用户分集可以是码分集、时间分集、频率分集或者空间分集的补充。但是这样也会带来新的问题，即影响MAC协议的设计，MAC将放弃冲突检测机制而转向多用户机制。

3.4实际的性能评估。在未来无线系统中，采用智能天线主要依赖下面两种研究的结果：(1)在未来系统的设计阶段就要考虑到智能天线的特性，保证兼容性；(2)根据与未来系统相关的关键参数来评估智能天线的实际性能。最新发展趋势比较偏向前者，后者的研究结果要基于具有准确建模的仿真方法，因此若要实现还有一定的难度。①仿真方法。链路级仿真可以提供智能天线收发机在各种传播、干扰、调制编码情况下单通信链路的误帧率(FER，Frame Error Rate)性能评估，但是无法考虑多用户多社区的影响，此时高层的参数将作为关键角色。另一方面，系统级仿真利用某种业务图样通过容量、吞吐量、SNR分布来提供整个系统的性能。为了对链路级和系统级的仿真进行折衷优化，需要在两者之间有个界面，选择的界面参数一定要惟一地描述链路级和系统级的性能。②建模。智能天线的效率取决于通信环境的特征，比如传播特性、天线阵列配置、业务模式、干扰情况、信号带宽的有效性。因此，建立一个可行的MIMO通道模型来描述通信环境的特征是非常重要的。干扰模型通常被用于分析智能天线收发机的性能。最近的研究表明，干扰模型应当基于系统级的仿真结果来建立，其中，必须考虑智能天线技术对社区内、社区间的影响，还必须考虑到业务的非一致性和混合的业务环境。 最后，实现损耗模型的建立，该模型包括通道估计差错、反馈量化误差、时延、互耦合等关键参数，该模型有利于系统的进一步改进。

四、结束语

总之，智能天线对提高专用网和公众网通信系统容量、抗干扰能力,提高通信质量以及实现同一地址的各专用网的频率共享等具有巨大潜力,近年来备受关注。合理地使用智能天线技术将大大地提高未来无线通信系统的性能。