1、1,通信新技术 智能天线 及其在移动通信中的应用,冯正和 2003年7月18日,2,目录,一、序 二、天线阵列 三、天线阵列流形和脉冲响应 四、自适应天线 五、测向技术(DOA) 六、容量分析 七、MIMO 八、结束语,3,一、序 1、智能天线的特点和应用 阵列天线，匹配传播环境，波束跟用户， 功率和增益（环境、能量），提高频谱利用率，定位 FDMA、TDMA、CDMA、SDMA 应用：移动通信，卫星通信，平流层通信，军事通信 2、主要技术和发展历史 通信对抗，雷达对抗 移动通信中的多径衰落，天线分集 3、多天线通信 提高信息传输速度MIMO，分集 改善通信覆盖，网络优化,4,5,3、三种智能
2、天线,切换波束式天线,6,笔形波束天线,7,自适应天线,8,4、空分信道：,扇形波束天线、笔形波束天线，天线阵列 多用户接入，空分信道,9,二个用户,10,二、天线阵列,1、天线阵列的方向图，线阵,11,对于平面波斜入射，相邻二个天线间信号相位差为：k为自由空间波数，d 为天线单元间距离 天线单元 n 收到的电压信号为：,12,天线阵列的方向图合成：,13,如果 Wn()1, n=0,N1, 当来波方向为时， 用户收到的信号为：,14,五单元直线阵的方向图如下图， 具有对称性：,15,七单元直线阵的方向图如下图， 具有对称性,16,天线间距离通常为半波长 kd=，时，阵列增益降低，时，出现裂瓣
3、。N个天线组成的线阵天线的波瓣有N个最大值，N个零点。,17,2、波束形成和DBF技术,在天线口上按权函数加权，可以把最大值方向指向我们希望的方向。如果要在方向上最大，加权函数 Wn（），使各路信号通过移相后相加。,18,30，60 天线方向图（八单元线阵）,19,数字波束成形,微波移相,20,数字波束成形,数字技术，基带信号处理,21,3、切换波束天线：Butler Matrix Circuits,22,Butler Matrix Circuits,令,23,四波束天线阵,24,25,26,27,28,4、天线阵列主要指标,带宽、增益带宽与d、k 有关；与天线单元带宽有关； 主瓣宽度，增益与
4、天线孔径（线阵为其长度）、波长有关, 也与天线单元增益有关。 它决定了空分数，和链路增益。,29,三、天线阵列流形和脉冲响应,1、天线阵列的流形：讨论线阵，假设：幅度相等；忽略互耦；窄带信号；设各天线单元的信号为：un(t)，加权相加后输出信号为：,30,把时间和空间信号分开，令 对于线阵，称为对于方向的方向矢量，对于全部方向的方向矢量组成的矩阵称为天线阵列的流形，它可以通过测量或计算得到。天线阵的流形对于DOA或DBF都是关键参数。,31,2、矢量通道脉冲响应(VCIR)， Vector Channel Impulse Response,矢量通道脉冲响应给出了从发到收的脉冲响应（包括天线阵列
5、）。它是传播空间与流形的总响应。其中I是多径总数，i 是i路多径方向，a，i，i是它的方向矢量,幅度和时延。如发射信号为s(t), 则接收信号为：,32,四、自适应天线：,自适应算法，使输出信干比最大，采用零点技术（用零点对准干扰）。,33,结构框图：自适应的反馈控制系统，进行误差采集与反馈控制（权函数）。,34,3、自适应迭代算法，,MMSE(Minimum Mean Square Error) 和LS(Least Square) 泛函 i为时间序列，其中空间用矢量，时间用右下标i ，T是采样周期，di是目标时间函数。重写泛函：,35,对矢量复变量求变分，一般公式：采用迭代方法求解： k为迭
6、代次数,，,36,如果去掉期望符号，便得到：为瞬间误差，这是LMS法（Least Mean Square error ）,37,LS法，如对P个采样取平均，便成为LS法，Least Square。设泛函：展开上式，并求变分：不用迭代，d可利用训练序列,38,五、测向技术(DOA),1、天线阵测向的基本概念，基于幅度的测向，最大值测向和零点测向（3dB点）,39,2、阵列信号处理测向（DOA，AOA），延迟求和法：空间的FFT技术，用于窄带信号，为权函数，形成波束Ruu 是阵列输入信号的自相关函数。a是方向矢量， 信号, 噪声,40,连续变化 W（），当 时， 输出最大。称为空间谱，空间角度FF
7、T，寻找峰值。缺点：由于主瓣宽，分辩力低；不能处理多目标。,41,42,子空间法：MUSIC(MUltiple Signal Classification) 求输入信号自相关矩阵的本征值，它可以进行多信号分辨，是信号参量估计法。可以求出信号个数和幅度，信号方向，信号的交叉相关及噪声。如有N个天线和M个用户，MN。天线阵得到的信号矢量为：其中 A是M个用户信号的方向矢量组成的矩阵，流形矩阵。 由信号矢量组成的自相关矩阵为：矩阵的本征值方程为： 即：,43,ARA的本征值为： , i=1,2,M因为A是方向矢量组成的, 线性独立，A满秩，只要自相关矩阵R非奇异，即输入信号数M小于天线数N，则ARA
8、正定，其秩为M。而NM个本征值为另，由上式知，v应为 。它们的本征矢量为qi, 满足： i=0,1,NM，代入R，,44,所以： 因A满秩，R非奇异，有： 即：因此整个空间分为二个子空间，信号子空间和噪声子空间。令：为噪声矢量空间， 当天线阵方向矢量 对着信号方向时，我们有：则可得信号谱：或,45,46,六、容量分析,图1自适应方向图 图2等旁瓣针状波束方向图,47,图1是一个8元圆形自适应阵列对1用户(实心矩形)、10干扰用户(空心矩形)通信环境的等效方向图。由图可见，系统在干扰方向形成凹点，并在所需信号方向形成峰值。通常自适应算法在无干扰信号的其它角度上也可能出现峰值。图3给出了一个门限值
9、为6dB的32用户CDMA系统中，在基站引入采用自适应、-15dB等旁瓣针状波束、-20dB等旁瓣针状波束和简单同相叠加方向图四种不同智能天线后，系统的累积概率分布。在0.01的出界概率下，采用上述四种智能天线系统的扩容能力分别为6.56、6.41、5.47、4.9倍。,48,比较不同天线的容量图3 32用户时四种智能 图4四种智能天线天线系统累积概率 扩容能力的出界概率,49,50个用户的自适应方向图,等旁瓣针状波束方向图,50,七、MIMO,51,52,53,54,55,56,57,58,59,空时编码STC的通信过程,星座图,H,60,61,62,63,时空信号联合处理,64,八、结束语,1、时空信号处理是增加容量、提高频谱利用率、改善电磁环境的主要手段； 2、基站、手机的多天线技术； 3、采用新技术、新材料、新信号处理技术；,65,谢谢！,
