《移动通信原理与系统》 ----智能天线在移动通信中的应用 学号：

班级：

姓名：

日期：

一、智能天线的基本原理

智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。

基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。

天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位,提供给各辐射单元,用来确定波束形成网络各部分

自适应处理器产生的各支路幅度和相位调整系数,是波束形成网络工作的重要依据。信号处理器根据所需进行的信号处理,自适应算法器根据均方误差、信噪比、输出噪声功率等性能量度,用适当的算法调整方向图,形成网络的加权系数,使智能天线阵系统性能达到最优化。

最初的智能天线采用复杂的模拟电路,如今采用数字波束形成(DBF)方式,用软件完成算法更新,也可采用数模相结合的处理方法,既保证处理精度,又保证处理速度及灵活性。此外,为了使智能天线具有良好性能,应根据具体的电波传播环境,选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力,提高系统性能。为了尽量减少对现有系统的改动,也可使用多波束智能天线。多波束天线利用多个指向固定的波束覆盖全方向,虽然不能实现信号最佳接收,但结构简单,便于实现,且无需判定所接收信号的方向。

二、智能天线在移动通信中的用途

(一)抗衰落

在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速,且不规则,造成信

号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。

(二)抗干扰

用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。

(三)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。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C /I指标,减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,毋需增加新的基站就可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。

未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案,可在不影响通话质量情况下,将基站配置成全向连接,大幅度提高基站容量。

当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统,但部分省市模拟系统占用了CDMA频段,必须采用清频手段解决此问题。使用智能天线,可大大改善模拟系统小区复用方式,增加模拟系统容量,即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏,为CDMA系统留出频段。

(四)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,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。

在陆地移动通信中,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。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。

（五）用于FDMA、TDMA和CDMA及其他环路系统

据研究,与通常的三扇区基站相比,C /I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果;频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。

无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120°天线,C /I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。 转 在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。

在无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行上行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。 DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低

成本。

(六)用于第三代移动通信

采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用TDD方式,使上下射频信道完全对称,可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能,可实现接力切换,减少信道资源浪费。

三、智能天线技术的研究动向

我国早已将研究智能天线技术列入了国家863-317通信技术主题研究中的个人通信技术分项,许多专家及大学正在进行相关的研究。中国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术,广泛采用了智能天线和软件无线电技术。作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果,足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的。

欧洲在进行了基于DECT基站的智能天线技术研究后,继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件天线概念,即用户所处环境不同,影响系统性能的主要因素亦不同,可通过软件采用相应的算法。

美国的Metawave公司对用于FDMA、CD-MA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发;ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统;美国德州大学建立了智能天线试验环境;加拿大McMaster大学也对算法进行了研究。

当前对智能天线的研究包括智能天线的接收准则及自适应算法;宽带信号波束的高速波束成形处理;用于移动台的智能天线技术;智能天线实现中的硬件技术;智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。

通过智能天线进行空分多址,将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内,其实质是分配移动通信系统工作的空间区域,使空间资源之间的交叠最小,干扰最小,合理利用无线资源。

传统的全向或者定向天线效果并不理想,主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知识,尽管可以在系统建成后,采取某些优化措施改进系统性能,但

由于种种原因,这种优化的余地不大,而且工程量很大。与之相比,智能天线的优越性在于自身可以分析到达天线阵列的信号,灵活、优化地使用波束,减少干扰和被干扰的机会。这就是自适应天线阵列的智能化,它体现了自适应、自优化和自选择的概念,对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。

参考文献：

1、 啜钢 王文博 常永宇 全庆一 《移动通信原理与系统》 北京邮电大学出版社

2、 吴伟陵 牛凯 《移动通信原理（第二版）》 电子工业出版社

3、 宋文涛 《移动通信》 上海交通大学出版社

4、 何林娜 《数字移动通信技术》 机械工业出版社

第二篇：移动通信原理学习心得

移动通信原理

一、移动通信的主要特点

1 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 2 移动通信是在复杂的通信环境中进行的

3 移动通信可以利用的频谱资源非常的有限 ，而移动通信业务量的需求却与日俱增

4 移动通信系统的网络通信结构多种多样，网络管理和控制必须有效 5 移动通信设备（主要是移动台）必须适于在移动的环境中使用

二、移动通信系统

1 无线电寻呼系统 2 蜂窝移动通信系统 3 无绳电话系统

4 集群移动通信系统 5 移动卫星通信系统 6 分组无线网

三、移动通信的主要技术

1 调制技术

2 移动新到中电波传输特性的研究

3 多址方式 4 抗干扰措施

5 组网技术

四、调制解调

调制的目的是把要传输的模拟信号或者是数字信号变换成适合传输的高频信号。该信号称为已调信号。调制可分为模拟调制和数字调制。模拟调制是利用模拟信号直接调制载波的振幅、频率和相位。数字调制是利用数字信号来调制载波的振幅、频率和相位。

1、数字频率调制

2、数字相位调制

3、正交振幅调制（QAM） 4、扩展频谱调制

5、多载波调制

五、移动通信的传播特点和抗衰落技术

1、无线电波的传输特征

电波的传输方式：1直射波，电波从发射天线直射到接收天线的传播方式；2地表面波，是一种沿着地球表面传播的电磁波；3地面反射波，电波经过地面的反射到达接收天线。

电波在大气中传输：1大气折射，由大气的折射率的垂直梯度；2视线传播极限

距离，主要与天线的高度有关。 2、移动信道的特征

1移动信道中存在的衰落：直射波、反射波和散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落；由于移动台的不断运动而造成的衰落比多经衰落慢得多，是慢衰落；由于大气的折射率的平缓的变化造成的衰落更加缓慢。2电波信号的多径时延。3多普勒效应。

为了防止因衰落引起的通信中断，在信道的设计中必须使信号的电平留有足够

的的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量叫做衰落储备。

3、抗衰落技术：分集接收

分集技术(diversity techniques)就是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并(combining)，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。

分集的方式：1.空间分集(Space diversity)2极化分集(polarization diversity)3.角度分集(angle diversity)4.频率分集(frequency diversity)分量分集(field diversity) 4、RAKE接收

利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。接收机利用多个并行相关器，获得多径信号能量，提高了通信质量。 5、纠错编码技术

在信息的码元序列中加入监督码元称为纠错编码技术，监督位码元所占的比率越大，纠错能力越强。 6、均衡技术

各种用来处理码间干扰（ISI）的算法和实现的方法叫做均衡技术。在移动的环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起严重的码间干扰，所以素要均衡技术。

六、组网技术

1、多址技术

A、频分多址（FDMA）

FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用

户。

B、时分多址（TDMA）

TDMA是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。

C、码分多址（CDMA）

CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。

D、空分多址（SDMA）

SDMA(空分多址)方式就是通过空间的分割来区别不同的用户。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。

2、区域覆盖和信道配置

区域覆盖：1带状网，基站的天线如果用全向辐射，覆盖的区域是圆形的，带状应用有向的天线，是每个小区呈扁圆形。2蜂窝网，用正六边形的小区所用的基站最少，也最经济。

区群应该满足两个条件：1区群之间可以邻接，且无重叠无缝隙的覆盖；2邻接之后的区群应该保持各个相邻同信道小区之间的距离相等。

信道的分配方式主要两种：1分区分组分配法，2等频距被配置法

3、网络结构

基本的网络结构：基站通过传输链路和交换机连接，交换机再与固定的电信网连接，这样就形成了移动用户-基站-交换机-固定网络-固定用户或者移动用户-基站-

5.时间分集(time diversity)6.场

交换机-基站-移动用户等不同情况的通信链路。

4、信令

信令是移动台与交换系统之间、交换系统与交换系统之间相互传送的地址信息、管理信息（包括呼叫建立、信道分配与保持信息、拆线信息甚至计费信息等）以及其它交换信息。（1）按信令的传输方式分有共路信令和随路信令两种方式。2）按信令的信号形式分有模拟信令和数字信令。3）按信令的功能分为状态标志信令、拨号信令、控制信令

5、越区切换和位置管理

越区(过区)切换(Handover或Handoff)是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT(Automatic Link Transfer)。

在移动通信系统中，用户可在系统覆盖范围内任意移动。为了能把一个呼叫传送到一个随机移动用户，就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。

位置管理包括两个主要任务：位置登记（Location Registration）和呼叫传递（Call

Delivery）。与任务相关的问题是：位置更新（Location Update）和寻呼（Paging）

七、数字蜂窝网，时分多址（TDMA）

GSM系统的主要组成

MS

OSS：操作支持子系统 BSS：基站子系统 OMC：操作维护中心 NMC：网路管理中心 PCS：用户识别卡个人化中心 NSS：网路子系统 MSC：移动业务交换中心 VLR：来访用户位置寄存器 HLR：归属用户位置寄存器 SEMC：安全性管理中心 AUC：鉴权中心EIR：移动设备识别寄存器BSC：基站控制器 BTS：基站收发信台PDN：公用数据网PSTN：公用电话网 ISDN：综合业务数字网 MS：移动台 DPPS：数据后处理系统 GSM系统的主要接口

Um接口

Abis接口

A接口

MS

GSM系统的主要接口是指A接口、Abis 接口和Um 接口。

A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/s PCM数字传输链路来实现。

Abis 接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，物理链接通过采用标准的2.048Mb/s 或64kbit/s PCM 数字传输链路来实现。

Um 接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。

GSM的区域

在由GSM系统组成的移动通信网络结构中，其相应的区域定义从大到小分别为：GSM服务区-公用陆地移动通信网（PLMN）-MSN区-位置区-基站区-扇区。

GSM信道配置

分为物理信道和逻辑信道

青海移动电子与通信工程在职研究生班 姓名：张亮 学号：20xx01141