自适应天线电子科大50课件

第五章第五章 自适应天线的应用自适应天线的应用 5.1 无线移动通信系统中的自适应天线无线移动通信系统中的自适应天线 5.2 智能天线智能天线(Smart Antenna)5.3 MIMO天线技术天线技术 5.4 自适应天线在雷达中的应用自适应天线在雷达中的应用11 龚耀寰龚耀寰,自适应滤波自适应滤波第第11、12、13章，电子工业出版社，章，电子工业出版社，2003.2 J.C.Liberti,T.S.Rappaport,Smart Antennas for Wireless Communications,Pearson Education,2002。(中译中译本：无线通信中的智能天线，机械工业出版社本：无线通信中的智能天线，机械工业出版社)3 刘鸣刘鸣,袁超伟等袁超伟等智能天线技术与应用智能天线技术与应用，机械工业出版，机械工业出版社，社，2007.4 IEEE上相关文献资料。上相关文献资料。References25.1.1 概述概述5.1 无线移动通信系统中的自适应天线无线移动通信系统中的自适应天线无线移动通信的发展进程：无线移动通信的发展进程：TD-SCDMA342G系统主要性能：系统主要性能：5不同代的主要功能：不同代的主要功能：678 双工方式双工方式 多址方式多址方式9 多径、多址信道；多径、多址信道；存在着信号衰落，时延扩展，多普勒频率扩展，共道干存在着信号衰落，时延扩展，多普勒频率扩展，共道干扰，多址干扰等问题扰，多址干扰等问题；已采用的办法：已采用的办法：调制解调，信道编码，均衡，普通分集调制解调，信道编码，均衡，普通分集联合等技术；日益成熟；联合等技术；日益成熟；但进一步解决上述问题的能力有限；但进一步解决上述问题的能力有限；自适应天线技术智能天线：自适应天线技术智能天线：The Last Frontier。由于在无线移动通信频段内的频谱资源非常有限，如何由于在无线移动通信频段内的频谱资源非常有限，如何在有限的可用频谱范围尽可能提高频谱利用率（每在有限的可用频谱范围尽可能提高频谱利用率（每Hz带宽带宽可能传输的比特率，可能传输的比特率，bps/Hz）就成为目前无线移动通信的）就成为目前无线移动通信的基本任务。基本任务。无线移动通信信道的特点：无线移动通信信道的特点：1011 智能天线采用指向期望用户的定向波束，增加了有用信智能天线采用指向期望用户的定向波束，增加了有用信号功率；号功率；窄定向波束降低了主波束外的干扰；窄定向波束降低了主波束外的干扰；自适应波束零点指向强干扰用户；自适应波束零点指向强干扰用户；上述措施均使上述措施均使SINR增加，从而扩展了系统容量，提高了增加，从而扩展了系统容量，提高了频谱利用率。频谱利用率。5.1.2 采用智能天线后无线通信系统的性能改善采用智能天线后无线通信系统的性能改善 增加信号对干扰噪音比增加信号对干扰噪音比(SINR)1.1.提高频谱利用率和系统容量，降低误码率及出界概率提高频谱利用率和系统容量，降低误码率及出界概率12 减轻时延扩展及多径衰落减轻时延扩展及多径衰落 能实现空分多址能实现空分多址(SDMA)传统多址技术：传统多址技术：FDMA、TDMA、CDMA；智能天线采用多个固定波束或自适应波束对服务空间进行智能天线采用多个固定波束或自适应波束对服务空间进行划分划分-空分多址空分多址(SDMA)；SDMA能够在不增加所用频带的条件下用多波束创造更多能够在不增加所用频带的条件下用多波束创造更多信道，从而大大提高频率利用率和系统容量。信道，从而大大提高频率利用率和系统容量。多径效应是形成时延扩展及衰落的原因，也是造成码间多径效应是形成时延扩展及衰落的原因，也是造成码间干扰干扰(ISI)的主要原因；的主要原因；采用智能天线可以大大减轻时延扩展及多径衰落对接收采用智能天线可以大大减轻时延扩展及多径衰落对接收信号的影响；信号的影响；智能天线也提供了除空间分集、极化分集之外的另一种智能天线也提供了除空间分集、极化分集之外的另一种分集分集-角度分集。角度分集。13 减少发射功率和空间电磁干扰；减少发射功率和空间电磁干扰；增加发射效率；增加发射效率；在同样的最大发射功率情况下，可以扩大了基站小区的覆在同样的最大发射功率情况下，可以扩大了基站小区的覆盖范围，从而减少基站数目；盖范围，从而减少基站数目；减少切换率；减少切换率；大大降低系统对功率控制精度的要求。大大降低系统对功率控制精度的要求。2.2.改善蜂窝通信系统功能改善蜂窝通信系统功能 多发多收天线多发多收天线(MTMRA)，也称作多入多出也称作多入多出(MIMO)技术；技术；将信道编码、调制与智能天线相结合，能实现最优的分集将信道编码、调制与智能天线相结合，能实现最优的分集处理；处理；系统容量与收发最小天线数成线性关系，极大地提高频谱系统容量与收发最小天线数成线性关系，极大地提高频谱利用率。利用率。3.3.实现更完善的空间分集和实现更完善的空间分集和MIMO14 将空间分成扇区已在传统蜂窝系统中应用。原理：将空将空间分成扇区已在传统蜂窝系统中应用。原理：将空间分成扇区，通常采用间分成扇区，通常采用120度扇区，在蜂窝系统中用度扇区，在蜂窝系统中用3个扇个扇区覆盖区覆盖360度。度。5.2 智能天线智能天线切换波束方式切换波束方式(Switched Beam)智能天线切换波束采用智能天线切换波束采用更窄波束，进一步将宏扇区更窄波束，进一步将宏扇区分成几个微扇区。当用户进分成几个微扇区。当用户进入某个扇区时，切换波束系入某个扇区时，切换波束系统选择一个最强波束对准该统选择一个最强波束对准该用户。用户。5.21 智能天线的工作方式智能天线的工作方式15相对于全向或相对于全向或120度扇区波束系统，能提供更大的度扇区波束系统，能提供更大的SINR，更大的覆盖范围或更小的发射功率；，更大的覆盖范围或更小的发射功率；结构简单，工程造价低；结构简单，工程造价低；易于与现有基站系统连接；易于与现有基站系统连接；只需检测信号强度以确定所用波束，无需进行只需检测信号强度以确定所用波束，无需进行DOA(Direction of Arrival)估计。估计。实现快速跟踪。实现快速跟踪。当用户信号在波束边缘，干扰信号在波束中央时接收效当用户信号在波束边缘，干扰信号在波束中央时接收效果差；果差；不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差；不能实现自适应干扰置零，干扰抑制差；不能对多径分量进行相干分集联合；不能对多径分量进行相干分集联合；扇贝现象扇贝现象(Scalloping)。切换切换波束波束方式的优点方式的优点 切换切换波束波束方式的缺点方式的缺点16自适应阵自适应阵的工作方式见右图。的工作方式见右图。自适应阵方式自适应阵方式 通过指向波束提高期望用户的增通过指向波束提高期望用户的增益，降低噪声与干扰的影响，益，降低噪声与干扰的影响，SINR的改善优于切换波束，从而的改善优于切换波束，从而大大增加了信道容量和频谱利用率；大大增加了信道容量和频谱利用率；可在更复杂的干扰环境下工作；可在更复杂的干扰环境下工作；自适应阵列自适应阵列方式的优点方式的优点 能对期望用户的多径信号进行合成，利用路径分集；能对期望用户的多径信号进行合成，利用路径分集；能够根据用户到来角度的变化不断改变波束形状，使波束主能够根据用户到来角度的变化不断改变波束形状，使波束主瓣对准期望用户，零点对准干扰用户；瓣对准期望用户，零点对准干扰用户；能实现动态小区，减少切换率。能实现动态小区，减少切换率。17 实现难度及系统造价较切换波束系统大；实现难度及系统造价较切换波束系统大；与现有基站结合比切换波束系统困难。与现有基站结合比切换波束系统困难。自适应阵列自适应阵列方式的缺点方式的缺点1.M.Chryssomallis,“Smart antennas,”IEEE Antennas Propagat.Mag.,vol.42,no.3 pp.129-136,June 2000.185.2.2 算法分类算法分类 根据智能天线的工作方式，可分为多波束形成算法和自根据智能天线的工作方式，可分为多波束形成算法和自适应波束形成算法；适应波束形成算法；根据是否利用阵列输入数据，分为数据独立波束形成算根据是否利用阵列输入数据，分为数据独立波束形成算法，最佳波束形成或自适应波束形成算法；法，最佳波束形成或自适应波束形成算法；根据参考信号形式可分为：根据参考信号形式可分为：空间参考方式：最佳加权矢量取决于需要信号及干扰信号空间参考方式：最佳加权矢量取决于需要信号及干扰信号的到来方向的到来方向(DOA);主要优点：特别适用于频分双工主要优点：特别适用于频分双工(FDD)系统；系统；缺点：取决于扩散角缺点：取决于扩散角(扩散角很大或存在相关多径时，性能扩散角很大或存在相关多径时，性能会显著下降会显著下降)；对通道失配误差很敏感；高分辨；对通道失配误差很敏感；高分辨DOA算法一算法一般收敛性能不好或需时较长。般收敛性能不好或需时较长。19时间参考方式：参考信号由训练信号或导频信号产生。时间参考方式：参考信号由训练信号或导频信号产生。如如2GGSM可用专用码训练序列，可用专用码训练序列，3GUMTS可用用户可用用户专用导频。（专用导频。（LMS,RLS,SMI,）优点：不需优点：不需DOA；有较强鲁棒性；有较强鲁棒性(Robust)；可结合最佳；可结合最佳多径从而降低衰落影响；多径从而降低衰落影响；缺点：要求精确同步，对于缺点：要求精确同步，对于FDD体制不能从上行接受信体制不能从上行接受信息确定下行波束加权；息确定下行波束加权；盲处理方式：不需盲处理方式：不需DOA或训练信号，但存在收敛和捕捉或训练信号，但存在收敛和捕捉问题。问题。（CMA,LS-CMA,）根据应用功能可分为：根据应用功能可分为：高灵敏度接收方式；高灵敏度接收方式；干扰抑制方式；干扰抑制方式；SDMA 方式。方式。205.2.3 智能天线各种方式的应用智能天线各种方式的应用 密集建筑、大量移动物体密集建筑、大量移动物体(大扩散角大扩散角)、高业务流量、移、高业务流量、移动用户机动性小；密集多径环境；微小区；动用户机动性小；密集多径环境；微小区；TDMA：时间参考波束形成方式；：时间参考波束形成方式；TDD、FDD；CDMA：基于训练信号的时间参考自适应波束形成方式；：基于训练信号的时间参考自适应波束形成方式；盲处理。盲处理。扩散角小、业务流量小、移动用户机动性大；宏小区；扩散角小、业务流量小、移动用户机动性大；宏小区；空间参考波束形成方式较为合适；空间参考波束形成方式较为合适；切换波束方式。切换波束方式。市区市区 乡村乡村215.24 智能天线的实验研究与发展状况智能天线的实验研究与发展状况 欧洲通信委员会欧洲通信委员会(CEC)在在RACE计划中的计划中的TSUNAMI智能智能天线实验平台天线实验平台工作频率：工作频率：1.8G1.9GHz；载波数：载波数：10；载波间隔：载波间隔：1.728MHz；峰值发射功率：峰值发射功率：250Mw；天线：天线：8阵元贴片天线阵；阵元贴片天线阵；多址方式：多址方式：TDMA,SDMA；双工方式：双工方式：TDD；实验结果：两用户四信道下，实验结果：两用户四信道下，BER10dB。22 L 波段，波段，f=1.542GHz；44阵元组成；阵元组成；采用自适应恒模算法采用自适应恒模算法(CMA)；实验结果：当需要信号由实验结果：当需要信号由0,3 入射，干扰信号由入射，干扰信号由4,20 入射时，自适应干扰置零使入射时，自适应干扰置零使SINR改善改善9.6dB；当需要信号由；当需要信号由4,25 入射，干扰信号由入射，干扰信号由8,60 入射时，入射时，SINR改善改善18.5dB。日本移动通信日本移动通信 DBF 实验系统实验系统 其他实验系统或产品其他实验系统或产品 美国美国AT&T的智能天线实验平台；的智能天线实验平台；美国美国ArrayComm公司的用于公司的用于GSM、PHS的的Intellicell；Metaware公司的用于公司的用于TDMA和和CDMA的的Smartcell；瑞典瑞典Ericsson的用于的用于GSM的的RBS2206；国内众多研究机构、公司（国内众多研究机构、公司（TD-SCDMA）；）；235.3 MIMO天线技术天线技术 References1.D.Gesbert,M.Shafi,et al,“From theory to practice:an overview of MIMO space-time coded wireless systems,”IEEE J.Selected Areas in Commun.,2003,21(3):281-302.2.A.Hottinen,O.Tirkkonen,and R.Wichman,Multi-antenna transceiver techniques for 3G and beyond,John Wiley,2003.3.3.黄黄韬，袁超，袁超伟等等,MIMO相关技术与应用,机械工业出版社，2007。4.李忻,，电子科技大学博士学位论文,2005。5.5.伍裕江伍裕江,MIMO,，电子科技大学博，电子科技大学博士学位论文士学位论文,2007,2007。245.3.1 MIMO概念概念 无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，又称为多发多收无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，又称为多发多收天线天线(MTMRA)技术。技术。特点：能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和特点：能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。频谱利用率。起源于起源于20世纪世纪70年代；年代；1995年，年，Bell Lab.的的E.Teladar 给出给出MIMO的高斯信道容量；的高斯信道容量；1996年，年，Bell Lab.的的G.J.Foschini 给出一种给出一种MIMO算法算法D-BLAST算法；算法；1998年，年，V.Tarokh 讨论了用于讨论了用于MIMO的空时码；的空时码；1998年，年，P.W.Wolniansky 等采用等采用V-BLAST算法建立了一个算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了实验系统，在室内试验中达到了20bps/Hz以上的频谱利以上的频谱利用率。用率。发展历史发展历史25 普通的多天线技术用于实现分集以对抗衰落，不同天线发普通的多天线技术用于实现分集以对抗衰落，不同天线发射载有同样信息的信号。射载有同样信息的信号。例如例如1个发射天线，个发射天线，M个接收天线，则发射信号通过个接收天线，则发射信号通过M个通个通道到达接收机，最大分集增益为道到达接收机，最大分集增益为M；多径衰落被视作有害因素，发射或接收分集目的在于对抗多径衰落被视作有害因素，发射或接收分集目的在于对抗多径衰落。多径衰落。基本原理基本原理 而而在在MIMO技术中，多径可以作为一个有利因素加以利用技术中，多径可以作为一个有利因素加以利用。若发射、接收天线间的通道衰落是独立的，则若发射、接收天线间的通道衰落是独立的，则MIMO系统可系统可创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，以提高数据率。信息，以提高数据率。26 信道容量：信道容量：SISO(单入单出单入单出)：传统无线通信，信道容量为：传统无线通信，信道容量为：其中其中C为香农为香农(Shannon)容量容量;为接收天接收天线的的SNR;h为规一一化信道复增益。化信道复增益。MIMO系统原理框图：系统原理框图：27 信道容量信道容量(续续)：MISO(多入单出多入单出)：在发端采用：在发端采用N1的的Smart Antenna，信，信道容量为：道容量为：SIMO(单入多出单入多出)：在收端采用：在收端采用N1的的Smart Antenna，信，信道容量为：道容量为：MIMO(多入多出多入多出)：信道容量为：信道容量为：当天线数目较多时，当天线数目较多时，因此因此 C 随天线数目线性增长。随天线数目线性增长。N为发射天线数目，为发射天线数目，M为接受天线数目，为接受天线数目，H为为MN的通道矩阵的通道矩阵。285.3.2 MIMO在在3G和后和后3G无线系统中的应用无线系统中的应用 空时网格码；空时网格码；空时分组码；空时分组码；Bell Lab.的的BLAST MIMO算法。算法。编码编码29 Space Diversity Antenna1 Y.Ebine,and Y.Yamada,“A Vehicular-Mounted Vertical Space DiversityAntenna for a Land Mobile Radio,”,IEEE Trans.Vehicular Tech.,May 1991,40(2):420-425.MIMO天线天线302 F.Demmerle and W.Wiesbeck,A biconical multibeam antenna for space-division multiple access,IEEE Trans.Antennas and Propagation,June 1998,46(6):782-787.Used for Angle diversity(pattern diversity)to separate signals from different DOA.Angle Diversity Antenna311.C.Waldschmidt,and W.Wiesbeck,“Compact Wide-Band Multimode Antennas for MIMO and Diversity,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.52,no.8,pp.1963-1969,Aug.2004.Polarization Diversity Antenna32 MIMO Platform in UESTC 硬件实现部分软件实现部分信源比特流数据获取QPSK星座映射空时编码组帧处理同步头、信道估计序列等脉冲成型中频载波调制数字频率合成上变频及射频接口Transmitter System33软件实现部分硬件实现部分射频接口及下变频中频正交解调幅相误差校正基带过采样本振基带频差预补偿匹配滤波符号同步及帧同步启动帧检测数据帧分离信道参数估 计空时解码QPSK逆映射比特流数据转换信宿Receiver System343 1 22 135 天线问题：天线问题：天线数目天线数目(M,N)以及阵元间距为关键参数，当阵元间距增以及阵元间距为关键参数，当阵元间距增大时，相关性下降，信道容量增大（大时，相关性下降，信道容量增大（BER下降），但天线阵下降），但天线阵尺寸增大；尺寸增大；接收复接收复杂度：度：额外外RF，硬件，硬件，软件，及其复件，及其复杂的接收的接收分离算法；分离算法；系系统集成；集成；MIMO信道模信道模拟。尚需进一步研究的问题尚需进一步研究的问题365.3.3 MIMO研究近况研究近况 MIMO系统理论及性能研究，目前有较多文献。系统理论及性能研究，目前有较多文献。MIMO实验研究：实验研究：Bell Lab.的的BLAST系统：系统：f0=1.9GHz，N=8，M=12，在室内达到，在室内达到25.9bps/Hz的频谱效率。的频谱效率。BYU(Brigham Young Univ):MIMO实验平台，大量信道测实验平台，大量信道测试；试；欧盟欧盟IST METRA等项目：等项目：国内：电子科技大学，东南大学国内：电子科技大学，东南大学,北邮，清华等高校；北邮，清华等高校；中兴、中兴、华为等也积极进行华为等也积极进行MIMO研究与现场测试，并提出了多种编码研究与现场测试，并提出了多种编码算法与信道模型，研制出多种算法与信道模型，研制出多种MIMO天线；天线；中国科技部于中国科技部于2001年启动了未来通用无线通信技术研究规划年启动了未来通用无线通信技术研究规划 FuTURE(Future Technologies for Universal Radio Environment).37 DBF的工作过程及其特点的工作过程及其特点5.5 自适应天线在雷达中的应用自适应天线在雷达中的应用5.5.1 自适应数字波束形成自适应数字波束形成(DBF)特点：自适应天线特点：自适应天线+数字信号处理数字信号处理设有一平面波设有一平面波 从从 p方向入射到间距为方向入射到间距为d的直线阵上，各单元接受的窄带模拟信号为：的直线阵上，各单元接受的窄带模拟信号为：原理框图见下页。原理框图见下页。38模拟信号在接收机模块中被放大，再由下变频变换到基模拟信号在接收机模块中被放大，再由下变频变换到基带，然后利用正交相位检波带，然后利用正交相位检波(I,Q),由由(I,Q)通道分别输出通道分别输出复视频信号的实部和虚部：复视频信号的实部和虚部：在在A/D变换器中，在变换器中，在tn时刻抽样，时刻抽样，数字化，得到数字接受信号：数字化，得到数字接受信号：在在数字波束形成器中乘以自适数字波束形成器中乘以自适应的复加权应的复加权Wn39得到的输出相加得到天线的响应为：得到的输出相加得到天线的响应为：优点：优点：改善自适应的方向图调零；改善自适应的方向图调零；能产生密集多波束；能产生密集多波束；方便于阵列单元方向图的校准；方便于阵列单元方向图的校准；可获得超分辨率；可获得超分辨率；灵活的雷达功率和时间管理；灵活的雷达功率和时间管理；适合于多站点工作。适合于多站点工作。40 DBF的实现方案的实现方案接收模块示意图：接收模块示意图：采用高数据率的采用高数据率的A/D变换器变换器 (100M200M)数字波束形成器是数字波束形成器是DBF雷达进行工作的心脏，主要完成雷达进行工作的心脏，主要完成两大功能：产生多波束和完成自适应处理。两大功能：产生多波束和完成自适应处理。使得干扰信号最小，而对所需目标信号的天线响应最大。使得干扰信号最小，而对所需目标信号的天线响应最大。波束控制器的功能：确定最佳加权向量。波束控制器的功能：确定最佳加权向量。41 DBF系统系统1980年，德国年，德国ELRA相控阵雷达，采用数字技术，能产相控阵雷达，采用数字技术，能产生生6个独立波束。个独立波束。1987年，年，USA超视距雷达超视距雷达CONVSB-OTH，620 MHz100KHz，采用，采用382个接受单元。个接受单元。1991年报道了年报道了Lincoln Lab的的RST-DBF系统。系统。工作于工作于UHF波段，旋转平面阵列天线，垂直方向有波段，旋转平面阵列天线，垂直方向有14行阵元行阵元可在俯仰方向形成自适应波束，在水平方向采用超低副瓣固定可在俯仰方向形成自适应波束，在水平方向采用超低副瓣固定波束，水平方向为机械扫描。波束，水平方向为机械扫描。42 20002002年，年，NRL报道了数字阵列雷达报道了数字阵列雷达(DAR)项目。项目。L波段，采用含波段，采用含224个呈三角栅格分布的平面阵，其中个呈三角栅格分布的平面阵，其中96个个单元为有源阵，其余单元无源接地。单元为有源阵，其余单元无源接地。其目的是：研究采用数字化技术得到性能改善；自适应其目的是：研究采用数字化技术得到性能改善；自适应DBF的应用；低成本商用产品和技术的应用。的应用；低成本商用产品和技术的应用。Ref.：B.Cantrell,“Development of a digital array radar,”IEEE AES,Mag.,2002 Mar.,pp:22-27.DBF的主要应用的主要应用三坐标雷达；三坐标雷达；高频天波超视距雷达；高频天波超视距雷达；相控阵超低副瓣；相控阵超低副瓣；多波束形成。多波束形成。435.5.2 自适应天线在雷达中的其他应用自适应天线在雷达中的其他应用 旁瓣匿影技术旁瓣匿影技术(Sidelobe Blanking)44 旁瓣对消旁瓣对消(Sidelobe Canceller)采用自适应旁瓣对消技术，可以在强干扰方向形成采用自适应旁瓣对消技术，可以在强干扰方向形成Null45 空时自适应处理空时自适应处理(STAP)用于机载雷达来波干扰抑制用于机载雷达来波干扰抑制References：1 王永良，空时自适应信号处理，清华大学出版社，王永良，空时自适应信号处理，清华大学出版社，20002 T.K.Sarkar,et.al.,“A deterministic least-square approach to space time adaptive processing,”IEEE TAP.,2001 Jan.46