1、第6章 无线通信新技术6.1 软件无线电技术6.2 超宽带无线技术6.3 智能天线技术6.4 WiMAX技术6.5 认知无线电技术习题第第6 6章章 无线通信新技术无线通信新技术第6章 无线通信新技术6.1 软件无线电技术软件无线电技术6.1.1 软件无线电的概念软件无线电的概念基于软件的无线电(SBR, Software Based Radio)也叫做软件定义无线电(SDR, Software Defined Radio)，或者叫做软件无线电(SR，Software Radio)，它通常被定义为对数字化无线电信号使用软件技术来处理。软件无线电的基本含义是把以往采用以硬件为核心、 以特殊应用为
2、目的的无线电实现方法，过渡到在某一个计算机平台上用软件来完成无线电任务的设计思想上来。第6章 无线通信新技术软件无线电只需要改变软件就可以变换系统的功能和所遵从的技术标准，从而使得无线系统体制具有更好的通用性、 灵活性，并使系统互连和升级变得方便。软件无线电要求在尽可能靠近天线处进行信号的数字化，从而在数字域获得完全的灵活性，或者可用灵活的射频前端处理大范围的载频和调制方式。软件无线电模型如图6-1所示。第6章 无线通信新技术图 6-1 软件无线电模型第6章 无线通信新技术6.1.2 软件无线电的特点软件无线电的特点软件无线电具有完全可编程性。软件无线电可通过软件编程的方式来改变通信过程中的各
3、项参数，如RF 频段和带宽、 信道接入方式、 传输速率、 接口类型、 业务种类及加密方法等。由此可以看到，软件无线电具有很高的灵活性。第6章 无线通信新技术软件无线电具有开放式模块化结构。软件无线电的基本平台是由标准化、 模块化的硬件单元以总线方式连接而成的。另外，它还是一种开放式的体系结构。它能在尽可能标准化、 统一化的硬件平台上通过加载不同的软件来实现各种不同门类、不同型号通信产品的不同功能。软件无线电具有集中性。多个信道共享射频前端与宽带A/D 或D/A 转换器以获得每一信道相对廉价的信号处理功能。第6章 无线通信新技术6.1.3 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术软件无线电的关键
4、技术主要包括：宽带多频段天线， 宽带A/D、 D/A转换器， 高速并行的DSP， 总线结构等。第6章 无线通信新技术1. 宽带多频段天线宽带多频段天线理想的软件无线电系统的天线部分应该能覆盖全部无线通信频段，能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。软件无线电覆盖的频段为22000 MHz。就目前的水平而言，研制出一种全频段天线是不可能的，对于大多数系统只是覆盖不同频段的几个窗口，而不是覆盖全部频段。多频段天线的主导思想就是利用多个频段窗口的叠加来实现全部频段的覆盖。普遍采用的一种方案是利用230 MHz、 30500 MHz、 5002000 MHz这三个波段的天线进行组合。另外，还可采用智能
5、化天线技术， 模块化、 通用化收发双工技术， 多倍频程宽带低噪音放大器等其他方案实现。第6章 无线通信新技术2. 宽带宽带A/D、 D/A转换器转换器数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理，而生成的数字信号也需要变换成模拟信号才能进行射频放大输出，完成此项功能的器件就是各种A/D、D/A转换器。软件无线电对A/D和D/A转换器的要求是很高的，主要的性能要求为采样的速率和采样的精度。根据奈奎斯特采样定理，大带宽的输入信号要求A/D转换有很高的采样速率；另一方面多路信号间的远近效应要求A/D转换器具有大的动态范围与采样精度。但是这两者常常是不能同时满足的。采
6、样速率每增加一倍，分辨力损失近1位。现实中常采用多个A/D并联的方法进行处理。第6章 无线通信新技术常用的采样方法有过采样、 正交采样和欠采样等。当采样频率fs为fmax(被采样信号的最高频率)的2.5倍以上时称为过采样。过采样产生的数据量较大，因此对后端数据处理的压力较大。正交采样是将信号分为两路，分别与本振的两个正交分量相乘，将射频信号变到中频或基带再采样。由于每路信号分量仅为原始信号带宽的一半，采样速率就可以降为原来的一半，因此需要两片相位一致的A/D转换器，实现起来相对困难。欠采样又叫带通采样，欠采样的采样速率可以更低，后端可直接在信号采样后较低的谐波分量上进行处理，既提高了效率，又简
7、化了电路设计。第6章 无线通信新技术A/D转换器结构主要有结构和管状结构。结构的A/D转换器的优势在于能提供较大的动态范围和高的线性度，但转换速度有限。管状A/D转换器能实现很高的转换速率，但其分辨力只能限于1314位。据有关研究显示，采用两种结构、 通过不同形式的混合而形成的混合转换器，不仅能综合不同结构在分辨率和转换速率方面的优势，而且还具有纠错算法、 降低功耗和适应不同环境的能力。第6章 无线通信新技术最常用的A/D转换器为半导体A/D转换器。目前，将超导和光取样技术应用于A/D转换器已成为未来的发展趋势。例如，基于超导基本量子机械特性的“快速单通量”(RSFQ)技术，利用单磁通量子脉冲
8、代表二进制值，它可以通过对处理速度与分辨率进行折中的方法来达到最佳技术性能；采用超导的A/D转换器还具有高灵敏度的特点。在光取样A/D转换器中，取样与量化功能分别是在光域和电子域中完成的。光取样A/D转换器的主要优点在于模式锁定激光源的定时抖动小。当然，与较为成熟的半导体A/D转换器相比，超导和光取样两种A/D转换器技术还在不断地探索和发展当中。第6章 无线通信新技术3. 高速并行的高速并行的DSPDSP芯片是软件无线电所必须的、 最基本的器件，软件对数字信号的处理都是在DSP上进行的。软件对数字信号的处理功能主要包括三部分：基带处理、 比特流处理和信源编码。基带处理主要完成各种波形的调制解调
9、、 扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百MIPS(Million Instructions Per Second)的处理能力。第6章 无线通信新技术比特流处理主要完成信道编解码(软判决译码)、复用、分解、交换、 信令、 控制、 操作和管理以及加密、解密等功能，每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码要完成话音、 图像等的编码算法，每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算量，一般可采用数字信号处理技术DSP、 专用集成电路ASIC、 可编程门阵列FPGA这几种技术。第6章 无线通信新技术 DSP采用基于微处理器的体系结构，支持采用高级语言
10、进行编程，使得DSP具有最大的灵活性；ASIC在固定的硅片上实现系统电路，是速度和功耗最优的电路实现，但其功能比较固定；FPGA也具有速度快、 功耗低的特点，提供了底层硬件的可重构能力，其灵活性介于DSP和ASIC之间。与DSP相比，FPGA要求开发人员对硬件有一定的了解，从而受到一定的限制。目前也可将这几种技术相结合来提高数据的处理能力。第6章 无线通信新技术4. 总线结构总线结构软件无线电需要进行大量的数据传输，为保证性能，要求总线具有较高的数据传输和输入/输出(I/O)能力，传输速率至少要在50 Mb/s以上，支持3264 bit独立的数据总线和地址总线；具备良好的机械特性和电磁特性，以
11、便在恶劣的通信环境下也能正常工作，保证一定的通信性能。目前技术最成熟、 通用性最好且得到最广泛支持的是VME总线。VME总线支持独立32位地址和32位数据总线，支持面向多主机的并行处理，能保证多个并行的处理器协调工作，并能共享系统资源，它已被公认为是未来工控系统总线标准的基础。第6章 无线通信新技术6.1.4 软件无线电的应用软件无线电的应用1. 军事领域军事领域在军事领域，软件无线电可用于实现各种军用电台互联互通的多功能无线网关，用于实现可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台，还可用于实现各种军用无线系统空中转信的多功能空中平台，以及智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等。第6章 无线通
12、信新技术雷达也是现代战争中相当重要的设备，不同用途、 不同功能的雷达对雷达信号的各项参数如载波、 脉宽、 调制方式等均有不同的要求。显然，如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计，那么就能利用软件的方式来修改参数，可以比较圆满地解决目前雷达设计中所存在的问题。第6章 无线通信新技术2. 移动通信移动通信由于软件无线电可充分利用数字化射频信号中的大量信息来评估传输质量，分析信道特点，采用最佳接入模式灵活地分配无线资源，所以软件无线电技术的应用很快渗透到移动通信特别是第三代移动通信(主要是CDMA2000、 WCDMA和TD-SCDMA)的研究中。多频段多模式移动电话通用手机、 多频段多模式移
13、动电话通用基站、 无线局域网及无线用户环路的通用网关等都是软件无线电的重要应用领域。实际上，软件无线电是TD-SCDMA系统的关键技术之一。第6章 无线通信新技术3. 卫星通信卫星通信在当今通信领域中，卫星通信是最重要的通信方式之一。但是，目前卫星通信系统设备种类繁多，设备管理和维护工作复杂，使得卫星通信系统更新换代周期长，不能很好地适应现代高科技的发展步伐，而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题，因此，研究具有软件无线电特征的卫星通信系统很有意义。第6章 无线通信新技术在卫星通信系统中，系统功能主要指多址方式网络结构、 组网协议和通信业务等
14、；设备功能指接口标准、 调制解调方式、 信道编码方式、 信源编码方式、 信息速率、 复用方式等。软件无线电技术的思想就是采用先进的技术手段，使得上述功能可以用软件来定义，通过友好的人机界面，人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能，从而使该系统能适应各种应用环境，具有很强的适用性和灵活性。第6章 无线通信新技术6.2 超宽带无线技术超宽带无线技术6.2.1 超宽带的概念超宽带的概念超宽带(UWB，Ultra-WideBand)是指系统带宽与系统中心频率之比大于20或者系统带宽大于500 MHz的通信系统。这种新颖的无线技术与传统的无线技术有着本质的不同，尤其适用于室内等密集多径
15、场所的高速无线接入。第6章 无线通信新技术6.2.2 超宽带技术的主要特点超宽带技术的主要特点超宽带技术的主要特点如下：(1) 结构简单。UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，不需要传统收发器所需的上、 下变频，也不需要本地振荡器、 功率放大器和混频器等，系统结构实现比较简单，设备集成更为简化。(2) 隐蔽性好， 保密性强。UWB通信系统发射的信号是占空比很小的窄脉冲，所需的平均功率很小，可以隐蔽在噪声或其他信号当中传输。另外，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，其他系统对这种脉冲信号的检测将更加困难。第6章 无线通信新技术(3) 功耗低。UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，
16、一般UWB的发射功率小于0.56 mW，所以其系统耗电很低。(4) 多径分辨能力强。UWB发射的是持续时间极短的单脉冲且占空比较低，多径信号在时间上很容易分离，不容易产生符号间干扰。(5) 数据传输率高。UWB以非常宽的频率范围来换取高速的数据传输，在近距离传输速率可达500 Mb/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。第6章 无线通信新技术(6) 穿透能力强，定位精确。超带宽无线电具有很强的穿透障碍物的能力，还可在室内和地下进行精确定位，定位精度可达厘米级。(7) 抗干扰能力强。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较宽阔的频带，根据香农公式C=B lb(1+S/N)，高带宽可以降低信
17、噪比，因此具有很强的抗干扰性。第6章 无线通信新技术6.2.3 超宽带的关键技术超宽带的关键技术1. 超宽带脉冲信号超宽带脉冲信号超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电(IR，Impulse Radio)，它是一种占空比很小的窄脉冲(纳秒级宽度)。典型的脉冲波形有高斯脉冲、 基于正弦波的窄脉冲、 Hermite多项式脉冲等。无论哪种波形，都能够满足单个无载波窄脉冲信号的两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲; 二是激励信号具有包括从直流到微波的很宽的频谱。目前脉冲源的产生可采用集成电路或现有半导体器件实现，也可采用光导开关的高开关速率特性实现。第6章 无线通信新技术2. 超宽带
18、信道模型超宽带信道模型信道的传播环境是影响无线通信系统性能的主要因素之一。建立准确的传输信道模型对于系统的设计是十分重要的。UWB 信道不同于一般的无线多径衰落信道。传统无线多径衰落信道一般采用瑞利分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个多径分量可以视为多个同时到达多径分量的合成。UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，在典型的室内环境下，每个多径分量包含的路径数目是有限的，而且频率选择性衰落要比一般窄带信号严重得多。第6章 无线通信新技术IEEE 802委员会关于UWB的信道模型提案主要有：Intel模型、 Win-Cassioli模型、Ghassemzadeh-Greens
19、tein模型和Pendergrass-Beeler模型。除了Intel模型外，其他模型采用的基带脉冲宽度都不能提供足够的空间或者时间分辨力，因此不能准确描述UWB系统的多径衰落特征。由于UWB系统工作环境所带来的诸多挑战，目前UWB信道的建模还不够成熟；在对所提出的各种UWB信道模型的评价方面，也还缺乏准确的比较准则；现在的研究也主要集中于室内传播环境，对室外传播的信道特点的研究还远远不够。第6章 无线通信新技术3. 调制方式调制方式超宽带无线通信的调制方式有两种：传统的基于脉冲无线电方式和非传统的基于频域处理方式。脉冲位置调制(PPM)是最典型的超宽带无线通信调制方式。它是一种利用脉冲位置承
20、载数据信息的调制方式，即采用改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，脉冲的极性和幅度都不改变。按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制TH-PPM(二进制跳时脉冲位置调制)和多进制TH-PPM。第6章 无线通信新技术在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应。多进制TH-PPM又分为正交调制和等相关调制，两者的区别在于信息符号控制脉冲时延的机理不同，等相关调制要比正交调制相对复杂。此外，还有一种PPM调制称为PC-PPM(Pseudo Chaotic-PPM)调制，它在PPM调制的基础上采用了伪混沌理论，这种方法具有
21、很好的频谱特性，但不能满足多用户系统。第6章 无线通信新技术另一种典型的超宽带无线通信调制方式为脉冲幅度调制(PAM)，它利用信息符号控制脉冲幅度，PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，即信息直接触发超宽带脉冲信号发生器以产生超宽带脉冲。对于数字信号“1”，驱动信号发生器产生一个较大幅度的超宽带脉冲；对于数字信号“0”，则产生一个较小幅度的超宽带脉冲，而发射脉冲的时间间隔是固定不变的。二相调制(BPM)和开关键控(OOK)是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同；OOK则通过
22、脉冲的有和无来传递信息。第6章 无线通信新技术除了以上两种基本的调制方式外，UWB系统中还有一些其他的调制方式，如直接序列超宽带(DS-UWB，Direct Sequency-UWB)调制、混合调制、 数字脉冲间隔调制(DPIM，Digital Pulse Interval Modulation)等。DS-UWB调制方式与DS-CDMA的基带信号有很多相同的地方，但它采用了占空比低的窄高斯脉冲，因此这种信号有很大的带宽；混合调制方式是将DS-UWB和PPM进行结合；DPIM在传输带宽需求和传输容量方面有较高的效率，同步也相对简单(只需要时隙同步)，但它没有考虑多用户的情况。第6章 无线通信新技
23、术基于频域处理方式的调制方式为载波干涉(CI，Carrier Interferometry)，它的波形能量不是分布在连续的频域，而是分布在离散的单频上。还有一种调制方式叫做多频带(Multi-band)调制，它采用具有不同频段频谱的信号进行传输。也就是说，所有发射信号的频谱是由多个频带组成的，这也是“多频带”这个名字的由来。多频带调制可以采用正交频分复用(OFDM)或时频多址(TFMA，Time Frequency Multiple Access)。第6章 无线通信新技术多频带调制的优势有： 由于Multi-band调制方式的频带带宽可以根据不同的情况进行调整，因此可以提高UWB的频谱利用率；
24、 UWB的允许频带是一系列的分离频带，Multi-band调制可以使这些频带独立应用，提高了UWB系统频带利用的灵活性； Multi-band的多个频带相互独立，因此可以根据不同的情况进行取舍，更有利于与现存无线系统的共存。Multi-band调制有很多优点，但它也有着系统复杂、 成本高和功耗高的缺点。第6章 无线通信新技术4. 天线设计天线设计天线是任何无线系统物理层的重要组成部分，UWB系统也不例外。通常天线频域分析证明任何标准的天线都是受带宽限制的，但是UWB系统的频带宽度非常宽，甚至高达几个GHz，如何在如此宽的频宽范围内兼顾不同频率的信号的特点，实现一个高性能的匹配阻抗的天线，是一个
25、十分棘手的问题。第6章 无线通信新技术半波偶极子是通信系统中常用的天线，但是它不适合于UWB系统，因为在UWB系统中，它会产生严重的色散，导致波形严重畸变。对数周期天线可以发射宽带信号，但它是窄带系统中常用的宽带天线，同样不适用于UWB系统，因为它会带来拖尾振荡。在UWB系统中，通常使用的是面天线，它的特点是能产生对称波束， 可平衡UWB馈电，因此它能够保证比较好的波形。目前，UWB系统天线设计还处于研究阶段，没有形成有效的统一数学模型。第6章 无线通信新技术5. 收发信机设计收发信机设计在得到相同性能的前提下，UWB收发信机的结构比传统的无线收发信机要简单。传统的无线收发信机大多采用超外差式
26、结构，而UWB收发信机则采用零差结构，它无需本振、 功放、 压控振荡器、 锁相环、 混频器等环节，实现起来十分简单。另外，还可以采用数字信号处理芯片(DSP)和软件无线电提高系统的性能。UWB收发信机的基本结构如图6-2所示。第6章 无线通信新技术图 6-2 UWB收发信机的基本结构第6章 无线通信新技术6.2.4 超宽带与其他近距离无线通信技术的比较超宽带与其他近距离无线通信技术的比较当今流行的近距离无线通信技术主要有超宽带技术(UWB)、 蓝牙(Bluetooth)、 红外(IrDA)、 ZigBee(IEEE 802.15.4)、 RFID等。下面将这几种近距离无线通信技术分别和超宽带技
27、术进行比较。第6章 无线通信新技术1. IEEE 802.11aIEEE 802.11a是IEEE制定的无线局域网标准之一，它在IEEE 802.11的基础上作了适当改进，主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。IEEE 802.11a工作在5 GHz 频带，物理层速率可达54 Mb/s，传输层速率可达25 Mb/s。IEEE 802.11a 用作无线局域网时的通信距离可以达到100 m，而 UWB只能在10 m以内的范围通信，但是在10 m以内的范围中，UWB有着几百兆的高传输速率，这是802.11a所无法比拟的。另外与UWB相比，IEEE 802.11a的功耗相当大，芯
28、片价格也较为昂贵。第6章 无线通信新技术2. 蓝牙蓝牙蓝牙技术是爱立信、 IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。蓝牙工作于2.4 GHz的ISM(即工业、 科学、 医学)频段，无需申请专用许可证；其传输距离为 10 cm10 m，传输速率为1 Mb/s；它采用跳频技术，能够抗信号衰落。从技术参数上来看，UWB的优越性在于其高的传输速率，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的传输速率是蓝牙速度的几百倍。蓝牙的优势在于：经过多年的发展，蓝牙已经具有较完善的通信协议，而UWB的工业实用协议还在制定中。从市场角度分析，蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用，而UWB的研究还处在起步阶段。
29、第6章 无线通信新技术3. HomeRFHomeRF是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802.11规范中支持的TCP/IP协议，而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话)标准。HomeRF工作于2.4 GHz的ISM频段，传输距离约为50 m，传输速率为12 Mb/s。与 UWB技术相比，HomeRF具有传输距离较远的优势，但是在10 m以内，其传输速率也远小于UWB。第6章 无线通信新技术4. ZigBeeZigBee是一种低速率、 低时延、 低功耗、 低成本、 低复杂度的无线连接技术，固定、 便携或移动设备均可使用。ZigBee的传输速率为20250 kb/s，分别在2
30、0 kb/s(868 MHz)、 40 kb/s(915 MHz)以及250 kb/s(2.4 GHz)提供数据传输；ZigBee的时延很低，从睡眠状态转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms；ZigBee设备的功耗很低，可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。第6章 无线通信新技术ZigBee填补了低成本、 低功耗和低速率无线通信市场的空缺，与其他近距离无线通信标准在应用上几乎无交叉。其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。如今，它广泛应用在自动控制、 家居自动化、 军事领域、 环境科学、 医疗健康、 空间探索、 商业应用等诸多领域的实际应用环境中。 表6-1所示为几
31、种近距离无线通信技术的比较。第6章 无线通信新技术表 6-1 几种近距离无线通信技术的比较第6章 无线通信新技术从表6-1中可以看出，UWB的优势较为明显，在10 m以内，具有几百 Mb/s的高传输速率，其不足之处在于较小的发射功率限制了传输距离。由于各种技术有着各自的特点，因此相互间存在着竞争，但也可以互相结合、 互相弥补、 共同发展。第6章 无线通信新技术6.2.5 超宽带的应用超宽带的应用由于UWB具有高速率、 低功耗和低成本的特点，因此它非常适合于无线个域网 (WPAN，Wireless PersonalArea Networks)。UWB可用于数字电视、 投影机、 摄录一体机、 PC
32、机、 机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现数据传输。第6章 无线通信新技术UWB还具有定位功能，可方便地应用于高精度定位导航和智能交通系统中，为车辆防撞、 电子牌照、 电子驾照、 智能收费、 车内智能网络、 测速、 监视、 分布式信息站等应用提供高性能、低成本的解决方案。UWB也可应用在小范围， 高分辨率， 能够穿透墙壁、 地面、身体的雷达和图像系统中，诸如军事、 公安、 消防、 医疗、 救援、 测量、 勘探和科研等领域，用作隐秘安全通信、 救援应急通信、 精确测距和定位、 探测雷达、 穿墙雷达、 监视和入侵检测、 医学成像等。第6章 无线通信新技术6.2.6 超宽
33、带的发展趋势超宽带的发展趋势从技术上看，UWB有比较广阔的发展前景，但是其发展也面临着许多挑战，还有许多技术问题需要研究解决，诸如高速脉冲信号的生成、 处理。如何更好地理解UWB传播信道的特点以建立信道模型，如何解决多径传播，如何实现高精度的匹配滤波、 天线的设计， 如何消除UWB设备之间的相互干扰，多址方案的研究和设计(如TH-CDMA、 DS-CDMA 或CSMA)，QoS如何保证，如何制定完善的标准、 规范等，都是业界应该共同努力解决的问题。第6章 无线通信新技术虽然目前国际上尚未确立统一的UWB商用体制标准，但是应该相信，UWB作为一种高性能的近距离无线传输技术具有巨大的潜力，它一定会
34、在未来无线数据通信领域充分发挥自己的优势。第6章 无线通信新技术6.3 智能天线技术智能天线技术智能天线的思想就是利用信号的传输特性，达到抑制干扰、 提取有用信号的目的。20世纪90年代中期，各国开始考虑将智能天线技术应用于无线通信系统中。美国Arraycom 公司在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。1997年，由我国信息产业部电信科学技术研究院控股的北京信威通信技术公司成功开发了使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统。第6章 无线通信新技术另外，在国内外也开始有众多大学和研究机构广泛地开展对智能天线的波束赋形算法和实现方案的研究。1998年我国向国际电联提交的TD-SCDMA RT
35、T建议，就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。该系统使智能天线能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端，正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态。由于智能天线技术给无线通信系统带来的优势是目前任何技术都难以替代的，因此近几年内，几乎所有先进的无线通信系统都采用了此技术。目前，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。第6章 无线通信新技术6.3.1 智能天线的组成智能天线的组成一般来讲，智能天线由三部分构成：天线阵列、 波束形成网络和自适应控制单元。智能天线的结构如图6-3所示。第6章 无线通信新技术图 6-3 智能天线的结构图第6章 无线通信新技术天线阵列就是一
36、列取向相同、 同极化的天线按一定方式排列的一组天线。它可以利用波的干涉原理产生强方向性的方向图，形成所希望的波束。天线阵列有多种排列方式，一般是等距的，主要有直线阵、 圆环阵和平面阵。天线阵列的最大特点就是所有阵元协同工作，功能虽等效于单一的天线，却比单一天线拥有更高的性能。第6章 无线通信新技术智能天线一般采用416天线阵元结构，阵元的间距多为1/2波长，因为阵元间距过大会降低接收信号的相关程度，太小又会在方向图上形成不必要的栅瓣。自适应算法是智能天线的核心，算法的功能是根据一定的优化准则，主动地适应周围电磁环境的变化，将来自每个单元天线的空间感应信号进行幅相加权，改变每路信号的幅度和相位，
37、使接收信号达到最佳。第6章 无线通信新技术6.3.2 智能天线的主要功能智能天线的主要功能(1) 提高基站接收机的灵敏度。采用智能天线后，基站所接收到的信号为来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。例如，采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件的影响时，总的接收信号将增加10 lgN(dB)。其中，N为天线阵列单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将随多径传播条件及上行波束赋形算法而变，其结果也在10 lgN(dB)上下。第6章 无线通信新技术(2) 提高基站发射机的等效发射功率。发射天线阵列在进行波束赋形后，用户终端所接收到的等效发射功率可能增加20 lgN(dB)。其中，10 lgN
38、(dB)是N个发射机的效果，与波束成形算法无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。(3) 降低系统的干扰。基站的接收方向图形是有方向性的，对接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用最大功率合成算法，则可能将干扰降低10 lgN(dB)。第6章 无线通信新技术(4) 增加CDMA系统的容量。CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。降低干扰对CDMA系统极为重要，它可大大增加系统的容量。在CDMA 系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码提供的资源全部利用的可能性。第6章 无线通信新技术(5) 改进小区的覆盖。对使用普通天线的无线基站，其小
39、区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形可能是根据需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。智能天线的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变时，均可非常简单地通过软件来优化天线的辐射波形。第6章 无线通信新技术(6) 降低无线基站的成本。在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的部分是高功率放大器(HPA)。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，其成本占总成本的主要部分。智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可能降低20 lgN(dB)。这样，在智能天线系统
40、中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来了降低对电源的要求和增加可靠性等好处。第6章 无线通信新技术6.3.3 智能天线的分类智能天线的分类根据智能天线所采用的天线方向图形，可以将智能天线分为两类：切换波束系统(Switched BeamSystem)和自适应天线系统(Adaptive Antenna System)。第6章 无线通信新技术切换波束系统预先设置了一组不同入射角方向的窄波束，每个波束的指向是固定的，波束宽度随阵元数目而定。通信中判断出的有用信号的来波方向，在满足一定误差范围的情况下，在多个窄波束中选取一个最合适的波束，并及时切换至该波束上进行
41、通信。切换波束系统容易实现，但不能实现信号的最佳接收。第6章 无线通信新技术自适应天线系统能够针对噪声、 干扰和多径效应，利用天线阵列动态地调节天线的增益方向图。自适应天线的“智能”程度高于切换波束系统，它可以根据到达的信号，通过不同的自适应方法实时地调整加权值。它不仅可以对目标信号进行加权，也可以对干扰信号进行抑制(甚至达到零干扰抑制)，所以在一定的信号检测准则下可以达到天线阵系统所能得到的最优性能。第6章 无线通信新技术下面用一个例子说明切换波束系统和自适应天线系统的区别。如图6-4所示，粗线表示有用信号，细线表示干扰信号。当有用信号和干扰信号同时到来时，两个系统都会把主瓣的最大增益指向有
42、用信号的方向。由于切换波束系统窄波束是预先设定的，系统只能在一定的误差范围内选取一个最合适的波束，而不能改变波束的入射角方向；自适应天线系统通过改变权值，不仅可以将主瓣对准有用信号，还可以将低增益或者零陷调整到干扰信号。因此，我们可以看到，自适应天线系统选择了更为精确的位置，为有用信号提供了更强的增益，更好地保证了在接收到最强有用信号的同时最大程度地抑制干扰。第6章 无线通信新技术图 6-4 切换波束系统和自适应天线系统的比较第6章 无线通信新技术6.3.4 智能天线的算法智能天线的算法智能天线技术的核心是算法，主要分为以下三种：(1) 非盲算法：该算法对信号的处理需要借助参考信号，接收端根据
43、参考信号，按照一定的准则确定或调整加权系数，使智能天线的输出与输入信号最大相关。该法虽然占用了部分频谱资源，但实现容易且稳定性好。三种常用的非盲算法分别是：LMS(最小均方)算法、 RLS(递归最小平方)算法、 SMI(直接矩阵求逆)算法。第6章 无线通信新技术虽然LMS算法在三者中最为简单，硬件实现成本低，但抑制干扰能力最弱，收敛速度慢；RLS算法和SMI算法的收敛速度均快于LMS算法，其中SMI算法收敛最快，但计算复杂度最高，且需要矩阵求逆运算。在智能天线设计中，权衡具体要求、 性能价格比及实现的复杂程度，非盲算法已成为设计的首选。第6章 无线通信新技术(2) 盲算法：该算法不需要在发送端
44、预先发射参考序列，只要按照一定的准则，保证代价函数取得极小值。其优点是频谱利用率高，能够节约频谱资源，但它的算法复杂，运算量大，收敛速度比较慢，并且存在相位模糊。CMA算法(恒模算法)是应用最广泛的一种盲自适应波束形成算法，它通过调整天线阵的加权向量使天线阵输出信号的包络变化减小，算法收敛后可以在信号到达方向上形成一个主波束，而在干扰方向上形成零陷。第6章 无线通信新技术 CMA算法能很好地补偿多径衰落，克服信号间的时间延迟，对抗干扰；它的不足之处是对相位变化不敏感，收敛速度较慢，且得到最优权值时会有较大的剩余误差。SS算法(子空间算法)也是一种盲算法，它将接收端包含其他用户干扰及信道噪声的混
45、合空间划分为信号子空间和噪声子空间，对信号子空间进行处理，但由于计算量大，只有在用户数目不太大时才能正常使用。第6章 无线通信新技术(3) 半盲算法：该算法的思想是用非盲算法确定初始值，再用盲算法进行跟踪调整。在初始化加权向量时利用导频符号，然后用自适应算法跟踪用户和信道变化，在有导频符号时，借助导频符号防止算法发散，加快算法的收敛速度。该算法结合了非盲算法和盲算法两者的优点，特别适合于传送导频符号的通信系统。第6章 无线通信新技术6.3.5 智能天线的应用智能天线的应用1. 车载数字电视车载数字电视由于车载电视处于快速移动环境之中，信道特性十分恶劣，因此一辆快速行驶的车辆上的电视接收信号在一
46、秒钟之内的显著衰落可达数十次。在这种具有严重衰落现象的信道中，要想保证电视信号的质量和可靠性，就必须采用各种抗衰落技术来抵消衰落的不利影响。第6章 无线通信新技术将智能天线用于车载 HDTV并结合时域信号处理，不仅能抗衰落、 抗多径、 抗干扰，还能充分利用多径信号极大地提高信号接收的可靠性。采用智能天线技术后，智能天线系统能够在几毫秒内在干扰方向形成方向图零点，从而有效地抑制脉冲干扰对信号接收的影响，极大地提高信号的接收性能。第6章 无线通信新技术2. 移动通信移动通信在实际的移动通信信道传输环境中，干扰和多径衰落现象异常复杂，智能天线的使用能有效改善系统的性能，扩大系统的覆盖区域， 增大系统
47、容量， 提高数据传输速率和频谱利用效率， 降低基站发射功率， 节省系统成本， 减少信号间干扰和电磁环境污染等。由于智能天线技术是物理层技术，不会影响系统的高层协议，因此，它适用于各种无线接口，在现有和未来的移动通信系统中将发挥越来越大的作用。第6章 无线通信新技术在第二代移动通信系统中，智能天线技术已得到初步应用。由于智能天线引入时需对网络作相应的硬件改造，同时考虑到其价格，在目前的GSM网络中比较适合的策略是在局部站点引入智能天线。在GSM网络中所采用的智能天线多为切换波束系统。也就是说，天线具有多个波束并且能自动跟踪手机位置变化，从而在多个波束之间进行切换。切换波束系统是用多个更窄的波束代
48、替原来扇区的一个宽波束，对某一具体用户只用一个窄波束对准它。通过在GSM网络中的应用可见，智能天线可以匹配原网络的覆盖情况，通过上下行的波束切换进行干扰控制，从而达到提高信干比、 优化通信质量、 降低干扰以及扩容的目的。第6章 无线通信新技术众所周知，CDMA系统是干扰受限系统，系统内部干扰大小决定系统的容量和性能。在CDMA系统中，前向信道由于采用同步传输、 相干解调，使多址干扰很低。但在反向信道中采用异步传输，不同用户伪随机码间的互相关值会很大。为了减少由此带来的容量降低的问题，智能天线常常用来对容量降低进行补偿。在CDMA系统中运用智能天线系统，通过有选择性的空间传输，基站的发射功率可以
49、远远低于普通的基站，从而减少网络内的射频污染。此外，智能天线的使用还有增大CDMA基站覆盖范围、 提高系统信噪比等优点。因此，智能天线在CDMA系统中的应用使得CDMA系统的性能取得了显著的提高。第6章 无线通信新技术在第三代移动通信系统中，TD-SCDMA标准明确使用智能天线(从某种意义上讲，TD-SCDMA系统就是基于智能天线设计的)，WCDMA和CDMA2000标准也已经将智能天线的应用作为下一阶段的发展目标。智能天线技术在第三代移动通信系统中的应用主要体现在两个方面：基站的接收和发射，具体而言就是上行收与下行发。对智能天线上行技术的研究相对较早，因此上行技术也较为成熟，可采用切换波束系
50、统和自适应天线系统的方法实现。实现基站智能天线下行技术的难度相对较大，这主要是因为智能天线在设计波束时需要准确获知下行信道的特征信息。目前在这方面主要有下述两种方案：第6章 无线通信新技术(1) 利用上行信道信息估计下行信道。这种方法用在TD-SCDMA系统中，由于TD-SCDMA 采用TDD模式，信号收发都在完全相同的频率上进行，因此很容易根据上行信道信息估计下行信道的状态； WCDMA和CDMA2000系统采用FDD模式，其上下行频率存在90 MHz的间隔，已远远超过了信号的相关区间，所以无法采用上行信道信息估计下行信道的状态。(2) 采用上行功率控制技术，形成闭环反馈测试结构形式。WCD
