第九章 智能天线与软件无线电技术

第九章  智能天线与软件无线电技术 9.1  智能天线技术 9.1.1  智能天线基本概念与发展过程 智能天线（Smart Antenna）可定义为：天线阵+智能算法。其中，智能算法的作用是根据不同的无线电传播环境，调整天线波束，以达到提取期望信号、抑制干扰和滤除噪声的目的。智能天线的本质是一种自适应空分多址技术（SDMA），智能天线+软件无线电（Software radio）技术是未来无线通信的发展方向。智能天线的发展过程如下： （1）智能天线的概念最早源于雷达和声纳系统中采用的阵列天线。 （2）阵列天线根据波束形成方式的不同，又可分为模拟波束成形和数字波束成型两种。模拟波束成形一般可用于中频、射频直接成形，实现难度大、精度低，而数字波束成形一般在中频以下，实现方便、精度高。现阶段移动通信中的智能天线就属于这一类。数字波束成形的发展方向是在射频实现。 （3）智能天线技术中，将中频和射频看作是一个线性系统的信道，为了实现在基带数字信号处理与最终的射频调整的一致性和等效性，要求中频和射频系统有较高的线性度。 （4）自1959年Van Atta提出自适应天线阵列的概念以来，到目前已经历了45年发展历程，可分为5个阶段： a.1964年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在自适应波束的控制上。例如，自适应相控制阵列天线和自适应波束操纵天线等。 b.1976年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在自适应零陷控制上。例如，自适应滤波、自适应调零、自适应旁瓣对消和自适应杂波控制等。 c.1986年IEEE Tran.AP的特刊为标志，研究工作主要集中在空间谱估计上。例如，最大似然谱估计、最大熵谱估计和空间正交谱估计等。 d.1997年Godara对智能天线在移动通信中的应用进行了综述。 e.2002年Reed出版了专著，首次从无线电工程的角度全面介绍了软件无线电设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 学，提出了图9.1所示的软件无线电模型，明确了智能天线在未来无线通信发展中的作用。 图9.1  软件无线电模型图 9.1.2  智能天线提高移动通信的性能 智能天线能够通过波束形成、空时均衡或分集处理来提高移动通信的性能。 1.波束形成 智能天线通过波束形成能够降低同信道干扰，并且增大对期望信号的增益，从而获得比传统天线更好的性能。 图9.2清楚地表明，智能天线使用波束形成来改变阵列的方向性，能够获得比全向天线更有效的抑制同信道干扰的能力。 图9.2 波束形成天线抑制通信道干扰示意图 图9.3b表明，智能天线由于天线的分集作用，减少了来自相邻小区的干扰。图9.3c表明，智能天线采用SDMA技术，在同一小区可采用相同载频分别向4个独立方向辐射不同的波束, 这些不同波束分别支持相同小区的4图9.3  智能天线减弱来自相邻小区的干扰 个用户，增加了移动通信系统的容量。利用4单元天线和功率控制技术增加CDMA网络容量的仿真结果见图9.4。 图9.4  智能天线技术增加CDMA网络的容量 2.空时均衡 频率选择性衰落是限制无线通信系统数据传输速率提高的一个主要因素。当无线电波在多径环境中传播时，接收信号会引入频率失真，这种失真将产生码间干扰（ISI）。信道均衡能够减少ISI，但是随着多径延时的增加，信道均衡变得更困难。但是, 通过空时处理，天线阵能够在空间上和时间上同时分离多径信号，从而提高均衡性能。图9.5给出了一个通用二维RAKE接收机的结构框图，它可以更好地抗多径衰落。上图中只用一副天线，去掉波束形成器就是传统的一维RAKE接收机。 3.分集 多径衰落是降低无线通信系统可靠性的一个主要因素。当使用单个天线，并且出现多径现象时，接收信号的幅度将随时间发生波动，如果进入深度衰落，传输就不可靠。虽然采用前向纠错（FEC）编码技术可以克服衰落，但这种技术降低了信息传输速率。另一方面，通过简单地将阵列天线单元间隔排列得足够远，每个单元天线经历的衰落过程就变得不相关了，阵列天线输出的信号无深度衰落，无线电传输的可靠性增强了。 图9.5 二维RAKE接收机 9.1.3  智能天线在移动通信中的应用 1.智能天线在2G中的应用 由于2G在制定 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 时没有考虑采用智能天线，所以前述的智能天线无法直接应用于2G中，但可采用开关波束天线、扇区赋形天线和扇区深赋形天线等技术来改善目前2G网络的覆盖质量和提高系统容量。 开关波束天线阵系统的结构见图9.6。开关波束天线阵具有多个固定波束，这些波束能自动跟踪手机位置变化，并能在多个波束之间进行切换。假定将每个扇区用4个窄波束来覆盖，此时系统的干扰会降低四分之一。开关波束天线只适用于GSM，不适用于CDMA。主要原因是：同步问题难以解决；波束切换会产生额外的误码片；用窄波束会使RAKE接收机失去接收多径信号的机会；同频工作条件下基站必须对每一个用户窄波束信号进行解调。 图9.6  开关波束天线阵系统 扇区赋形天线是对扇区的天线方向图赋形，通过赋形使扇区覆盖夹角发生变化，对各扇区的覆盖面积进行调整，使每个小区的话务量得到均衡，如图9.7所示。图9.7a表示该基站的第一个扇区已有3个用户被阻塞（黑色），而另外两个扇区的话务量很低，这种现象称为话务不均衡。通过扇区赋形，可将各扇区的覆盖角度范围进行调整，使话务量在每个扇区得到均衡，如图9.7b所示。这种均衡增加了扇区容量，提高了网络质量。 a                              b 图9.7  扇区大小变化示意图 扇区赋形天线除了可以调整扇区覆盖的夹角范围外，还可以调整在夹角范围内的覆盖纵深度。扇区赋形可以针对有干扰的区域进行纵深的赋形而又不影响其它方向的覆盖，见图9.8所示。扇区纵深方向的赋形能较好地解决网络干扰问题，但对GSM系统而言存在一定难度。因为不同的扇区会使用不同的平板天线，在实际安装中不同平板天线的安装位置不能保证，所以不同扇区的波束很难做到合并。CDMA中因为使用了RAKE接收机，这个问题能很好地解决。 2.智能天线在3G中的应用 ITU的3G标准中，几乎都附有一条：如果有可能，本建议将采用智能天线技术。我国提出的TDD-SCDMA 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中已明确提出了采用智能天线技术。可见，智能天线技术在第三代移动通信及未来移动通信体制中的地位。下面简要介绍各国的研究进展及基于软件无线电的基站上行收的智能天线。 （1）欧洲的进展 欧洲通信委员会在RACE 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中实施了第一阶段的智能天线研究。项目组在DECT基站基础上建造智能天线试验模型，并于1995年开始现场试验。天线由8个阵元组成，阵元分布有直线型、平面型和圆环型三类，阵元间距可调；射频工作于1.89GHz，采用TDD双向双工方式；数字波束成形采用ERA公司专用的ASIC芯片DBF1108，并使用TMS320C40的DSP芯片作为中央控制。欧洲通信委员会将在ACTS计划中继续进行第二阶段的智能天线技术研究。研究内容包括：最优波束成形算法；系统 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 研究和系统性能评估；多用户检测与自适应天线的结合；时空信道特性估计；微蜂窝优化与现场试验。 （2）美国的进展 美国Array Comm公司与我国信威公司共同研制出用于无线本地环路WLL智能天线系统。Array Comm公司产品采用可变阵元配置，有四元和十二元环形自适应阵列可供不同环境选用。威信公司产品为八元圆环形阵列。Array Comm公司产品在日本用于PHS基站进行现场试验，试验结果表明该技术可使系统容量扩大4倍。以上两类均采用TDD双向双工方式。 美国Virginia Tech工学院空时自适应无线电系统（VT-STAR）实验研究，VT-STAR是基于二元发射天线阵和二元接收天线阵，允许利用发射和接收分集。 （3）日本的研究进展 日本ATR光电通信研究所研制基于加预处理的自适应波束形成处理方式的智能天线，主要特点是：采用十六阵元平面方阵形式，阵元间距λ/2；射频频率1.545GHz；天线数字信号处理部分由10片FPGA芯片完成；野外移动试验确认采用恒模的多波束天线功能；理论分析和试验证明，使用最大比值合并算法，可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。 （4）我国的进展 信息产业部电信科学技术研究院所属的信威公司走在了技术与产品开发的前列。已成功开发了用于WLL的TDD方式S-CDMA产品，提交的TD-SCDMA建议被ITU采纳，并计划推出拥有自主知识产权的第三代移动通信TD-SCDMA系统。 （5）基于软件无线电的基站上行收的智能天线 由于受体积、电源等方面的限制，目前手机智能天线技术难以实现。智能天线主要用于基站的收发，图9.9是基于软件无线电的基站上行收的智能天线框图。 图9.9  基于软件无线电的基站上行收的智能天线框图 9.2  软件无线电技术 9.2.1  软件无线电概述 1.市场需求 20世纪80年代末至今，已开发了大量的无线通信标准，这些标准互不兼容，相互竞争，开始使无线通讯系统被割据。类似地，美国军方的大量互不兼容的无线通信标准已降低了他们执行联合作战的能力。所有这些再加上其它方面的压力，迫使商业市场和美国军方去寻求设计一种能够使用不同标准（或协议）的无线电系统。经过十多年的发展，1999年成立的软件定义无线电论坛（SDR Forum）将自身作为开发软件无线电体系结构新标准的团体，希望在无线市场内形成一个类似于PC那样的商业市场，但却不需要像微软/英特尔这样的商业巨头来制定标准。表9.1列出了PC市场与未来无线市场的相似性。 表9.1 可比较的方面 个人计算机市场 未来的无线市场 基准硬件 像IBM、Dell和Compaq等许多制造商提供几乎完全相同的CPU，并且按照各自的质量、技术支持和价格来进行区分，而不是根据各自所运行的应用程序以及今后可能改变的组件和软件来区分。在构建最终的产品时存在许多不同的选择，如处理器速度或存储器 像Motorola、爱立信、诺基亚、北电和朗讯等许多制造商都提供无线产品，例如基站和蜂窝电话。这些制造商的产品仅仅只按照质量、价格和技术支持来区分，而不是通过各自产品所支持的业务来区分。当购买产品时，买主可以在几个不同的选项之间进行选择，例如处理器或存储器 软件 软件由许多公司来提供。应用程序执行各种任务，从对个别业务进行性能优化到纯粹的娱乐 软件由许多不同的公司来提供。软件用作高层的应用程序或用于更改波形。业务提供商可以提供包含了更好的执行算法在内的波形补丁 组件 组件由大量的制造商来制造。基准硬件支持各种扩展，例如增加存储器，甚至支持组件的替换 组件由许多不同的提供商来制造。基准硬件支持各种扩展（即可扩展）。例如添加存储器，甚至支持部件的替换 用途 个人计算机市场成为许多可能存在的计算应用的途径 未来的无线市场将作为许多可能存在的通信应用的途径       2.软件无线电的研究发展 1992年5月，Mitola首次提出了软件无线电概念。同年，美国军方启动了Speakeasy Ⅰ计划（1992～1995）。目标是证明软件无线电系统的可行性和软件无线电系统作为MBMMR（多频段多模式无线电）的适宜性，并重点研制一种软件可重构的调制解调器。在初期，构建MBMMR的大部分工作是试图在单个机箱内放置支持所有不同系统的硬件，因此这种系统称为组合无线电系统。Speakeasy Ⅰ计划完成后，又启动了为期4年的Speakeasy Ⅱ计划。主要目标是：实现一个可重构的体系结构；实现一个开放式体系结构；实现互信道连接。次要目标是：采用更多的商业现货组件；减小形状因子，使大小适于野战环境；采用可重构的硬件；提高CYPRIS芯片的上下文切换时间。 Speakeasy Ⅱ计划仅用了15个月就被验证达到了设计要求，计划成功完成后，所开发的技术和得到的教训都转到可编程模块通信系统（PMCS）研究项目中。PMCS项目的开发，特别是它的实体参考模型，被用来作为美国军方在联合战术无线电系统（JTRS）中继续采用软件无线电研究的基础，还用于帮助开发与美国合作的软件无线电项目。为了将技术转移到商业市场，还将Speakeasy技术提供给模块化多功能信息传输系统（MMITS）论坛，即现在的软件无线电论坛。 JTRS是美军正在开发的软件无线电体系结构计划。其目标是：支持的工作频率范围最初为2MHz～2GHz；可以通过波形软件进行重构；支持话音、视频和数据应用；在软件和硬件方面都是可扩展的；利用商业现货组件以节省开支；能够与不同的波形、传统的装备以及为不同环境而设计的无线电系统进行互操作。JTRS计划确定了机载、固定/舰载、车载、背负和手持。JTRS是一种软件通信体系结构（SCA）。构建这种SCA的目的是：在SCA的不同实现之间，允许应用程序的可移植性；使用现有商业技术来降低成本；提供面向对象的框架来缩短新系统的开发周期；保持充分的开放性，从而允许整合新的商业框架和体系结构。从此，软件无线电模型从依赖于硬件的无线电体系结构发展成为软件定义的无线电体系结构。软件定义无线电论坛的体系结构目标是：实现一个开放式系统体系结构；独立于所有商业、民用和军用实现的使用环境；支持现有的所有波形，即商用、民用和军用波形；支持未来新技术的添加。 无线信息传输系统（WITS）是Motorola长期从事软件无线电系统开发的成果。WITS体系结构是从Motorola参与的Speakeasy项目、JTRS计划和海军的数字模块化无线电系统（DMR）计划发展而来。它是一种与JTRS兼容，并且基于软件定义无线电论坛的体系结构。 SDR-3000数字收发机子系统是由频谱信号处理（Spectrum Signal Processing）公司生产的，它与JIRS的SCA完全兼容。每个信道具有独立的空中接口协议，能支持包括2G和3G在内的各种空中接口标准。 Spectrum Wave是由美国麻省理工学院完成的项目，这个由DAPPA（国防高级研究计划局）资助的项目尝试将通用处理器应用到软件无线电中，并获得了巨大成功。一家新公司Vanu将Spectrum Wave项目商业化，已成功地应用到AMPS、GSM和无线网络接口。 CHARIOT项目是美国Virginia Tech工学院开发的，是DARPA的全球移动信息系统（GLOMO）计划的一部分，该计划集中于发展自适应天线阵、多用户基站和自适应移动接收机。 随着新技术的逐渐采用，软件无线电技术将不断发展，见图9.10。实现除天线、扬声器和麦克风是模拟的外，其它所有部分都是可编程的理想软件无线电。甚至发展到无线电系统能够意识到所处的环境，并自行决定其操作的感知无线电时代。 图9.10  软件无线电及其实现技术的发展 9.2.2  软件无线电关键参数和技术 1.软件无线电关键参数 在众多的软件无线电参数中，能表征软件无线电的关键参数是： （1）同时支持空中接口的信道数和标准数 空中接口的信道数包括单信道、多信道和全接入。空中接口标准包括现存的所有标准。例如：SDR-3000平台能支持包括JTRS所要求的所有波形、2G和3G标准。 （2）可编成数字接入水平 a.不可编程：完全模拟的或固定功能的数字无线电。 b.基带可编程：可编程的数字无线电PDR，而不是SDR。 c.中频可编程：当前的SDR，集中在中频可编程。 d.RF可编程：目前处于实验室水平，不久将来可出现全可编程的理想无线电。 （3）硬件模块化程度 体系结构将立足于面向能力的无线电模块和面向技术的模块。硬件可扩展，采用商业现货组件。 （4）软件的灵活性和可承受能力 采用软件定义无线电论坛的体系结构和软件通信体系结构SCA模型。这样能保证系统的开放性，便于引入新技术。 2.软件无线电的关键技术 由图9.1所示软件无线电模型可知，软件无线电系统包括智能天线、灵活的射频硬件、ADC/DAC、通道化和取样速率转换等。下面主要介绍软件无线电的部分关键技术。 （1）智能天线 智能天线由天线阵和智能算法构成，不同传输环境下的智能算法是关键。智能天线最好能感知无线电传输环境。 （2）灵活的射频硬件 采用MEMS的可调天线、可开关阻抗匹配电路和高质量的MEMS滤波器。 （3）ADC/DAC ADC是最难选择的器件，同时也是对系统制约最多的器件。ADC的局限性可能会影响整个结构的设计。Walden给出了图9.11所示的ADC性能随时间的变化。由该图可见，从1990～1999年，ADC仅增加了大约1.69bit的分辨率，阻碍ADC性能的关键是热噪声、孔径噪声和比较器的不确定性。 图9.11  ADC性能随时间的变化 （4）通道化和取样速率转换 通道化就是通过数字中频处理，将信道提取出来，并经过抗混叠中频数字滤波和数字下变频处理，将这个信号转换到基带。在这些处理进程中，取样速率是可变的，亦称为多速率信号处理。 9.2.3  软件无线电技术 图9.12 SpeakeasyⅡ方框图 图9.13 WITS的硬件体系结构 软件无线电技术涉及无线电技术、信号处理和软件技术等专业，全面介绍这些知识超出了本书的范围。下面简要介绍几个软件无线电设计实例，供读者参考。 1.Speakeasy Ⅱ 图9.12表示了Speakeasy Ⅱ各组件的方框图。该硬件体系结构清晰地定义并区分了红边和黑边处理单元, 而且通过PCI总线和ISA总线来支持4个通道。红边体系结构与黑边体系结构之间的信息流通过INFOSEC设备来管理，该INFOSEC设备具有4个加密处理器（CP）和1个密钥处理器（KP）。模拟域和数字域之间的数据转换通过数据转换器模块实现。中频（IF）和基带之间的模拟转换通过发射/接收（T/R）单元来实现。多框架多链接点对点协议（MMP）设备提供对话音线路的连接，这些设备也可能桥接在一起，还提供了标准的民用和军用网络连接。基带处理是在DSP和FPGA内完成。该系统还提供了RS-232、Etherenet和FDDI接口。 2.WITS 图9.13表示了WITS各组件的方框图。当信号输入到WITS时，信号直接下变频到基带，并传送给调制解调模块，调制解调模块对信号进行数字化和解调。如果需要的话, 解调后的信号就传送到INFOSEC模块进行解密。被解密的消息接着被传递到红边或黑边输入/输出模块，在那里对信号进行处理并通过合适的线路（模拟话音、网络或者上另一个天线）输出。对于被发射的信号，信号沿着与被接受信号所通过路径相反的方向进行传送。 3.软件蜂窝接收机 虚拟无线电概念是在Spectrum Wave项目支持下，由Bose等人正式提出的，其基本思想是用ADC作为数字与模拟间的接口，用高性能工作站处理ADC后的数字信号。图9.14是Bose等人提出的用虚拟无线电建立的软件蜂窝接收机的方框图。 图9.14  软件蜂窝接收机的方框图 其特点为： a.它是用于蜂窝A频段的宽带数字式接收机，可持续监控10MHz的蜂窝频段，并在频段的任何部分解调FM信号。 b.GUPPI是MIT开发的通用PCI接口，它提供了工作站与系统中模拟前端的外部接口，它将数据在前端与主存之间以接近最高的总线速度传输。 c.软件处理的第一步是信道选择滤波器，这个模块提供从10MHz频段中提取某一个30kHz FM的AMPS信道。 c.软件处理的第二步是FM的解调算法。 d.软件处理的最后两步采用FIR滤波器来实现，以分别去掉高频部分和话音的带外噪声。 e.这个虚拟无线电实现的蜂窝FM接收机是用Pentium Ⅱ 300MHz PC机来实现的，它可以实时完成，需要大约60%CPU，话音质量比商用手机还好，且无任何故障。