智能天线技术资料学习教案.pptx

会计学1智能天线智能天线(tinxin)技术资料技术资料第一页，共29页。目录目录(ml)n n智能天线技术基本概念智能天线技术基本概念n n智能天线技术的基本原理智能天线技术的基本原理n n智能天线的用途智能天线的用途(yngt)(yngt)n n智能无线技术的分类智能无线技术的分类n n智能天线对无线网络性能及电磁辐射的改善智能天线对无线网络性能及电磁辐射的改善n nTDTD智能天线的四大趋势智能天线的四大趋势第1页/共29页第二页，共29页。智能天线智能天线(tinxin)技术技术基本概念基本概念n n智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线 技 术 适 宜 于 TDD方 式(fngsh)的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。但是由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。第2页/共29页第三页，共29页。栅状抛物面天线栅状抛物面天线栅状抛物面天线栅状抛物面天线(tinxin)(tinxin)(tinxin)(tinxin)八木定向天线(dngxingtinxin)基站天线(tinxin)它是为了扩频通信系统而设计的它是由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，它的特点是有很好的方向性基站天线设置需要重点考虑下倾角、方向角、天线挂高、天线分集距离和隔离距离等参数。第3页/共29页第四页，共29页。手机手机手机手机(sh(sh u j)u j)天天天天线线线线车载(ch zi)卫星天线它是配合GPS定位仪和RSSI信号强度分析(fnx)设备，实现高速移动中变向搜索信号的功能，内置多个控制电机。同时可收看国内外超过300个频道，和更多电影电视频道的电视节目。我们打电话、发短信、玩网络游戏、转微博都是通过天线模块实现的。第4页/共29页第五页，共29页。智能天线智能天线(tinxin)技术技术的基本原理的基本原理n n智能天线采用空分多址技术(SCDMA),利用信号在传输(chun sh)方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。第5页/共29页第六页，共29页。智能智能(zh nn)天线技术的天线技术的基本原理基本原理n n右右 图图 描描 述述 了了 一一 个个 具具 有有 智智 能能(zh(zh nn)nn)天天线线、工工作作于于TDD TDD 方方式式CDMA CDMA 基基站站的的示示意意方方框框 图图。和和 传传 统统 的的 没没 有有 智智 能能(zh(zh nn)nn)天天线线的的基基站站比比较较,他他在在硬硬件件上上由由一一个个天天线线阵阵和和一一组组收收发发信信机机组组成成了了其其射射频频部部分分,而而在在基基带带信信号号处处理理部部分分的的硬硬件件则则基基本本相相同同。必必须须说说明明的的是是,这这一一组组收收发发信信机机将将使使用用同同一一个个本本振振源源,以以保保证证此此组组收收发发信信机机是是相相干干工作的。工作的。第6页/共29页第七页，共29页。智能天线智能天线(tinxin)技技术的基本原理术的基本原理n n人人们们在在习习惯惯上上还还将将智智能能天天线线系系统统分分为为两两类类，开开关关(kigun)(kigun)波波束束和和自自适适应阵列系统。应阵列系统。开关波束具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，其天线系统可形成多个固定的波束，在特定的方向上提高(t go)灵敏度。它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。自适应天线具有无限数目的、随时间调整的方向图，该技术是目前最先进的智能天线方法，它采用多种较新的信号处理算法，可以有效地跟踪、锁定各种类型的信号，动态抑制其干扰到最小，而所希望的信号最大。第7页/共29页第八页，共29页。开关开关开关开关(kigun)(kigun)波束天波束天波束天波束天线接收机线接收机线接收机线接收机波束切换(qi hun)系统原理图开关(kigun)波束天线方向图第8页/共29页第九页，共29页。波束形成(xngchng)步骤n n首首先先，估估计计所所有有多多径径分分量量的入射角；的入射角；n n其其次次，确确定定某某一一方方向向的的信信号号为为有有用用信信号号还还是是干干扰扰信信号号，当当然然这这需需要要有有用用户户识识别信号；别信号；n n第第三三，计计算算出出天天线线加加权权值值，形形成成特特定定(tdng)(tdng)的的波波束束，得得到到最最优优化化的的信信号号噪噪声声干干扰扰信信号号比比。该该波波束束自自适适应应波波束束形形成成需需三三个个能能够够最最大大限限度度地地放放大大有有效效信信号号，同同时时以以零零陷陷对对准准干干扰扰信信号号，使使干干扰扰信信号号在在理理论论上上被被完完全地抑制。全地抑制。第9页/共29页第十页，共29页。智能智能(zh nn)天线的用途天线的用途n n智智能能天天线线在在移移动动(ydng)(ydng)通通信信中中的的用用途途主主要要包包括括抗抗衰衰落落、抗干扰、增加系统容量以及移动抗干扰、增加系统容量以及移动(ydng)(ydng)台的定位。台的定位。第10页/共29页第十一页，共29页。抗衰落抗衰落抗衰落抗衰落(shuilu(shuilu)n n采采用用智智能能天天线线控控制制接接收收方方向向，天天线线自自适适应应地地构构成成波波束束的的方方向向性性，使使得得延延迟迟(ynch)(ynch)波波方方向向的的增增益益最最小小，减减少少信信号号衰衰落落的的影影响响。智智能能天天线线还还可可以以用用于于分分集集，减减少少衰落。衰落。抗干扰高增益、窄波束智能 天 线 阵 用 于WCDMA基站，可减少(jinsho)移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。增加系统容量为了满足移动 通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。第11页/共29页第十二页，共29页。智能智能(zh nn)无线技术的分无线技术的分类类n n智智能能天天线线是是一一个个天天线线阵阵列列，它它由由N N个个天天线线单单元元组组成成。每每个个天天线线单单元元有有M M套套加加权权器器，可可以以形形成成(xngchng)M(xngchng)M个个不不同同方方向向的的波波束束，用用户户数数M M可可以以大大于于天天线线单单元元数数N N。根根据据采采用用的的天线方向图形状，可以分为两类：天线方向图形状，可以分为两类：第12页/共29页第十三页，共29页。自适应自适应(shyng)方向图智能天方向图智能天线线n n采用自适应算法(sun f)，其方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法(sun f)较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。第13页/共29页第十四页，共29页。自适应自适应自适应自适应(shyng)(shyng)天线天线天线天线阵接收机阵接收机阵接收机阵接收机自适应(shyng)天线阵方向图第14页/共29页第十五页，共29页。自适应天线自适应天线(tinxin)的发展的发展n n自自适适应应(shyng)(shyng)天天线线已已有有3030多多年年，大大体体上上可可以以分分成成三三个个发发展阶段展阶段第二个10年主要集中 在 自 适 应(shyng)零 点控制上。第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。第一个10年主要集中在自适应波束控制上。第15页/共29页第十六页，共29页。自适应自适应(shyng)算法算法最小均方误差(wch)(LMS)准则最小二乘(LS)准则(zhnz)最大信噪比准则统计检测准则最优准则自适应算法是采用基于梯度的算法，其中最小均方误差算法（即LMS算法）尤为常用。自适应算法可以用硬件(处理电路)或软件（程序控制）两种办法实现。前者依据算法的数学模型设计电路，后者则将算法的数学模型编制成程序并用计算机实现。第16页/共29页第十七页，共29页。固定形状固定形状(xngzhun)(xngzhun)方向方向图智能天线图智能天线n n固定形状方向图智能天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适(hsh)的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。第17页/共29页第十八页，共29页。智能智能(zh nn)天线对无天线对无线网络性能及电磁辐射的线网络性能及电磁辐射的改善改善n n对无线干扰(gnro)的控制一直是移动通信运营商关注的问题，良好的干扰(gnro)控制不仅可以提高通信质量，而且可以提升网络所能承载的用户数。为了有效地控制干扰(gnro)，移动通信基站从单小区全向站发展到了三小区定向站，CDMA系统甚至使用六小区定向站。第18页/共29页第十九页，共29页。麦得威的麦得威的GSMGSM智能智能(zh nn)(zh nn)天天线线n n麦麦得得威威的的GSMGSM智智能能天天线线系系统统实实际际是是一一个个 近近 似似 十十 二二 小小 区区(xio(xio q)q)的的系系统统，在在使使用用上上，广广播播信信道道和和公公用用控控制制信信 道道 使使 用用 三三 小小 区区(xio(xio q)q)系系统统，而而话话务务信信道道使使用用十十二二 小小 区区(xio(xio q)q)系系统统。如如图图是是1212小小区区(xio(xio q)q)的的系系统统相相对对与与全全向向站站，载载干干比比有有大约大约11dB11dB的增益。的增益。第19页/共29页第二十页，共29页。n n对一些同频信道进行了干扰强度的比较测试，结果是这些(zhxi)信道的干扰强度在使用智能天线后，得到了很大程度的控制。从表中可以看出对其他小区同频信道的干扰减少了3.56dB。上行、下行信号的误率也降 低，移动台的发射功率、场强也降低了。第20页/共29页第二十一页，共29页。测试次测试次数数 测试测试频点频点 平均干扰强度平均干扰强度（传统天线）（传统天线）平均干扰强平均干扰强度（智能天度（智能天线）线）干扰降低干扰降低 第一次 同频1-80.19 dBm-85.70 dBm 5.52 dB 同频2-82.27 dBm-87.91 dBm 5.64 dB 第二次 同频1-82.91 dBm-89.00 dBm 6.09 dB 同频2-84.14 dBm-87.62 dBm 3.48 dB 第21页/共29页第二十二页，共29页。第22页/共29页第二十三页，共29页。第23页/共29页第二十四页，共29页。TDTD智能天线智能天线(tinxin)(tinxin)的四大的四大趋势趋势n n趋势一：与趋势一：与MIMOMIMO技术相结合技术相结合n nMIMOMIMO技技术术是是4G4G中中的的一一项项关关键键技技术术，可可以以大大大大增增加加无无线线通通信信系系统统的的容容量量，并并有有效效改改善善无无线线通通信信系系统统的的性性能能，非非常常适合未来移动通信系统中对高速率业务的要求。适合未来移动通信系统中对高速率业务的要求。n n智智能能天天线线和和MIMOMIMO都都属属于于多多天天线线系系统统中中的的技技术术，两两者者既既有有共共性性又又有有显显著著区区别别：智智能能天天线线是是仅仅在在无无线线链链路路的的一一端端采采用用阵阵列列天天线线捕捕获获与与合合并并信信号号的的处处理理(chl)(chl)技技术术；而而MIMOMIMO是是在在无无线线链链路路两两端端都都使使用用多多元元天天线线阵阵列列，将将发发送送分分集集和和接接收收分分集集结结合合起起来来的的技技术术。智智能能天天线线的的原原理理是是利利用用到到达达天天线线阵阵的的信信号号之之间间完完全全相相关关性性形形成成天天线线方方向向图图，利利用用信信号号的的相相位位关关系系克克服服多多径径干干扰扰，实实现现信信号号的的定定向向发发送送和和接接收收；而而在在MIMOMIMO中中天天线线收收发发信信号号是是全全方方位位的的，并并且且到到达达天天线线阵阵的的信信号号必必须须相相互互独独立立，用用多多个个天天线线接接收收信信号号来来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。n n智智能能天天线线技技术术可可以以形形成成能能量量集集中中的的波波束束，增增强强有有用用信信号号并并降降低低干干扰扰，而而MIMOMIMO技技术术可可以以充充分分利利用用多多径径信信息息来来提提高高系系统统容容量量。如如果果将将两两者者结结合合起起来来，充充分分利利用用两两种种技技术术带带来来的的增增益益，将将给给系系统统性性能能和和容容量量带带来来极极大大的的提提升升。因因此此，充充分分结结合合MIMOMIMO技技术术和和智智能能天天线线技技术术的的优优点点，进进一一步步开开发发空空域域资资源源，使使得得通通信信终终端端能能在在更更高高的的移移动动速速度度下下实实现现可可靠传输，则成为智能天线未来发展的必然趋势之一。靠传输，则成为智能天线未来发展的必然趋势之一。第24页/共29页第二十五页，共29页。TDTD智能天线智能天线(tinxin)(tinxin)的四大的四大趋势趋势n n趋势二：一体化智能天线趋势二：一体化智能天线n n目前，现网使用的双极化智能天线都需要通过目前，现网使用的双极化智能天线都需要通过9 9条上跳线额外连接条上跳线额外连接RRURRU设备，其中设备，其中8 8条连接天线射频通道，条连接天线射频通道，1 1条是智能天线校准线。这条是智能天线校准线。这种智能天线和种智能天线和RRURRU分体通过电缆连接的方式有着一些不可避免的缺分体通过电缆连接的方式有着一些不可避免的缺点，如：点，如：9 9条上跳线均需要做好接头防水处理，电大量防水接头施条上跳线均需要做好接头防水处理，电大量防水接头施工给工程带来极大的不便，使得安装困难的同时还降低了设备的工给工程带来极大的不便，使得安装困难的同时还降低了设备的稳定性；天线和稳定性；天线和RRURRU设备之间的线缆连接也使得基站室外美观性大设备之间的线缆连接也使得基站室外美观性大大降低，站点选择及协调困难，周围居民抵触情绪较高；分别安大降低，站点选择及协调困难，周围居民抵触情绪较高；分别安装装RRURRU和天线，耗费工时，安装复杂；和天线，耗费工时，安装复杂；8 8个天线端口需要有很好的个天线端口需要有很好的幅度和相位一致性，以便在智能天线的方向图合成中以及校准中幅度和相位一致性，以便在智能天线的方向图合成中以及校准中获得准确的结果。在实际应用中，获得准确的结果。在实际应用中，9 9根上跳线的幅相一致性以及长根上跳线的幅相一致性以及长期户外期户外(h wi)(h wi)应用中的稳定性和可靠性都将难以保证等。应用中的稳定性和可靠性都将难以保证等。n n一体化智能天线是将天线与一体化智能天线是将天线与RRURRU整合为一体的智能天线，此类天线整合为一体的智能天线，此类天线是在普通双极化天线的基础上，外部结构做相应调整完成的，在是在普通双极化天线的基础上，外部结构做相应调整完成的，在电气性能，电性能测试等方面，与普通双极化天线一致。电气性能，电性能测试等方面，与普通双极化天线一致。n n考虑到室外考虑到室外F F、E E频段的引入，一体化智能天线必将登上频段的引入，一体化智能天线必将登上TD-SCDMATD-SCDMA网络建设的舞台，成为智能天线发展的重要趋势之一。网络建设的舞台，成为智能天线发展的重要趋势之一。第25页/共29页第二十六页，共29页。TDTD智能智能(zh nn)(zh nn)天天线的四大趋势线的四大趋势n n趋势三：电调智能天线趋势三：电调智能天线n n目前，现网采用的智能天线均采用预置下倾和机械目前，现网采用的智能天线均采用预置下倾和机械下倾相结合的方式下倾相结合的方式(fngsh)(fngsh)来调整天线的下倾来调整天线的下倾角。虽然这种方式角。虽然这种方式(fngsh)(fngsh)也能满足覆盖要求，也能满足覆盖要求，但在工程应用中也暴露了一些机械调下倾角无法但在工程应用中也暴露了一些机械调下倾角无法克服的缺点，如：调整下倾角困难，在网络优化克服的缺点，如：调整下倾角困难，在网络优化的工程中，需要耗费大量的人力资源，调节效率的工程中，需要耗费大量的人力资源，调节效率低；由于采用机械下倾，站点在进行隐蔽工程时，低；由于采用机械下倾，站点在进行隐蔽工程时，隐蔽外罩需要预留较大的下倾角调节空间，造成隐蔽外罩需要预留较大的下倾角调节空间，造成隐蔽工程体积庞大；在大角度下倾时水平面覆盖隐蔽工程体积庞大；在大角度下倾时水平面覆盖产生畸变，且伴随交叉极化和主极化特性变差、产生畸变，且伴随交叉极化和主极化特性变差、水平面前后比与无下倾时趋势不一致等。水平面前后比与无下倾时趋势不一致等。n n正是由于常规智能天线存在这些不可克服的缺点，正是由于常规智能天线存在这些不可克服的缺点，电调智能天线的开发与应用将必然成为未来电调智能天线的开发与应用将必然成为未来TD-TD-SCDMASCDMA智能天线发展的重要趋势之一。电调智能智能天线发展的重要趋势之一。电调智能天线有以下优点：天线有以下优点：n n可实现波束下倾角的连续动态调整，网络优化动态可实现波束下倾角的连续动态调整，网络优化动态实时调整时不需要闭站，可以及时平衡覆盖、容实时调整时不需要闭站，可以及时平衡覆盖、容量、干扰等多方面的矛盾；量、干扰等多方面的矛盾；n n在结构上垂直安装，无需考虑下倾预留空间，安装在结构上垂直安装，无需考虑下倾预留空间，安装件简单可靠，且便于美化；件简单可靠，且便于美化；n n监控数据库保存各站址天线波束的调整数据和历史监控数据库保存各站址天线波束的调整数据和历史数据，便于结合远程监控分析和优化网络覆盖。数据，便于结合远程监控分析和优化网络覆盖。第26页/共29页第二十七页，共29页。n n趋势四：介质智能天线趋势四：介质智能天线n n对于基站天线来说，小型化天线有着不可比拟的优对于基站天线来说，小型化天线有着不可比拟的优势：不仅可以降低机械承载，方便天线的安装，而势：不仅可以降低机械承载，方便天线的安装，而且可以节省宝贵的天面资源，为多系统的天线共站且可以节省宝贵的天面资源，为多系统的天线共站提供了更加便利的条件，此外，也非常提供了更加便利的条件，此外，也非常(fichng)(fichng)有利于天线美化和隐蔽工程。虽然目有利于天线美化和隐蔽工程。虽然目前的双极化智能天线尺寸已比最初的智能天线尺寸前的双极化智能天线尺寸已比最初的智能天线尺寸减少了一半左右，但还不能称之为小型化天线，小减少了一半左右，但还不能称之为小型化天线，小尺寸智能天线的研发和应用仍是智能天线未来的发尺寸智能天线的研发和应用仍是智能天线未来的发展方向之一。展方向之一。n n由于电磁波在不同的介质传播特性有所不同，介质由于电磁波在不同的介质传播特性有所不同，介质的存在就会影响电磁波的传播，利用这个特性，采的存在就会影响电磁波的传播，利用这个特性，采用低损耗高频介质作为填充材料，结合适当的天线用低损耗高频介质作为填充材料，结合适当的天线结构，在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的结构，在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下，介质谐振器可以作为天线来使用。介质天情况下，介质谐振器可以作为天线来使用。介质天线的一大优点就是在不改变天线性能的情况下，可线的一大优点就是在不改变天线性能的情况下，可以将天线的尺寸大幅度降低。以将天线的尺寸大幅度降低。n n介质智能天线就是将介质天线和智能天线相结合而介质智能天线就是将介质天线和智能天线相结合而制造出来的几何尺寸较小的智能天线。制造出来的几何尺寸较小的智能天线。TD-SCDMATD-SCDMA系系统使用的智能天线是由多个天线单元组成的天线阵，统使用的智能天线是由多个天线单元组成的天线阵，介质材料的使用不仅可以减小单个天线单元的尺寸，介质材料的使用不仅可以减小单个天线单元的尺寸，还可以减小天线单元之间的间距，从而减小智能天还可以减小天线单元之间的间距，从而减小智能天线整体尺寸。小型化的介质智能天线不仅减小了天线整体尺寸。小型化的介质智能天线不仅减小了天线尺寸，同时还降低了成本，便于实际工程安装，线尺寸，同时还降低了成本，便于实际工程安装，对环境的影响减小，有很强的实际可操作性。对环境的影响减小，有很强的实际可操作性。n n近些年来，在微波系统小型化的推动下发展起来的近些年来，在微波系统小型化的推动下发展起来的介质微波器件，已在无线领域得到了广泛的应用，介质微波器件，已在无线领域得到了广泛的应用，与此同时，普通型介质天线特别是微带介质天线的与此同时，普通型介质天线特别是微带介质天线的应用也有了长足的发展。介质天线的应用技术成熟应用也有了长足的发展。介质天线的应用技术成熟可靠，也为未来介质智能天线的推出起到很好的作可靠，也为未来介质智能天线的推出起到很好的作用。用。TD智能天线(tinxin)的四大趋势第27页/共29页第二十八页，共29页。第28页/共29页第二十九页，共29页。