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1、-4G通信系统中的智能天线技术 信息技术 张臻 福建省邮电规划设计院有限公司 【摘 要】文章介绍了基于智能天线收发机结构的最新进展和优点，并且探讨了4G移动通信系统的智能天线技术发展趋势和面临的一些问题。 【关键词】MIMO；智能天线 一、引言 智能天线是一种安装于基站的双向天线，它通过一组带可编程电子相位的固定天线单元获取针对覆盖的方向，同时能够获取基站和手机之间各链路的方向特性。智能天线技术是一种能够提高无线通信系统容量和抗干扰能力的技术，利用天线阵列中各个单元之间的位置关系，也就是利用了信号的相位关系来克服多址干扰和多径干扰。 MIMO系统(Multiple-Input Multiple
2、-Output，多输入多输出技术)是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。MIMO系统能够有效的利用随机衰落和可能存在的多径传播成倍的提高业务传输速率。核心技术是空时信号的处理，也就是利用多个时间域和空间域的结合进行信号处理。因此，MIMO系统可以看作是智能天线技术的扩展。 二、智能天线结构和技术分类 下图所示，数据比特流经过编码、调制和空时处理（波束成行或空时编码）后，转换成不同的信息符号，从几个天线同时发射出去，经过无线信道空中传播后，在接收端用多根天线进行接收，同时相应的解调、解码和空时处理，转换为数据。 波束中发送的信息不同而且相互不干扰。每个波束方向都是固定的， 波束的宽度也
3、随着天线阵元数的变化而变化。对于手机用户，基站在发送信息时必须要选择不同的对应波束，这样才能接收到最强的信号。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。多波束天线在整个用户区都是利用多个并行的波束进行覆盖，每个波束都有固定的指向，波束宽度的确定与天线元的数目相关。当手机在覆盖区域中移动时，基站在几个互不相同的对应的波束中进行选择，接收其中最强的信号。用户的信号并不一定会处于波束中心，当用户的位置在波束的边缘或者干扰信号位于波束的中心时，接收效果最差，因此多波束天线在实际应用中无法实现接收到最强的信号，该技术一般只用作接收天线。当然，多波束天线也有一定的优势。与自适应天线阵列相比，多波
4、束天线的结构简单、无需判定用户信号到达方向。 自适应天线阵列在实际工程应用中通常采用4组到16组天线的阵元结构，相邻阵元的间距取值一般为接收信号中心频率波长的二分之一。如果阵元间距过大，会导致接收信号相关度降低；如果阵元间距过小，会导致方向图产生不多余要的波瓣形成干扰，因此阵元间距必须为二分之一波长。天线阵元的分布方式分为直线型、环型和平面型等几种。自适应天线阵列是通信网络中智能天线的主要类型，负责用户信号接收和发送。自适应天线阵列采用数字信号处理技术识别用户信号的DOA，或者是主波束的方向。根据不同空间手机用户信号传播方向的不同，自适应天线阵列能够提供不同的空间通道，有效克服对移动通信网络的
5、干扰。 自适应天线阵列是一个由天线阵列和实时自适应信号接收处理器组成的一个闭环反馈控制系统，天线阵列方向图通过反馈控制法自动调准，这就使得它在干扰方向上产生零陷，从而抵消掉干扰信号，同时还能够加强有用的信号，达到抗干扰的目的。自适应天线阵列接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数。 三、智能天线的优点 多径问题一直都是移动通信网络所面对的主要问题。多径传播会造成接收端信号的幅度变化，也就是多径衰落。多径传播时延扩展导致符号间干扰，严重地影响通信链路质量。同时，共信道干扰是移动通信系统容量的主要限制因素，严重影响了用户对移动通信网络资源（如频率、时间）的复用。智能天线的引用，克服了传统天线
6、无法解决的问题，通过利用多径改善系统通信质量，通过减小相互干扰来增加系统容量，并且不同的天线波束可以发射不同的数据。综合以上几点，智能天线的优点可以归纳如下：（1）增加无线网络覆盖范围；（2）降低功率、减小成本；（3）改善通信质量、增加系统可靠性；（4）增加系统容量。 四、4G移动通信系统中的智能天线技术 4G移动通信系统对通信质量和系统容量有着严格的要求，需要能够适用各种通信环境的信号处理技术，因此，智能天线能够在4G移动通信系统中大量使用，对于系统设计来说，必须认真的考虑在性能和复杂度之间的折衷优化，以在系统质量和投资之间找到一个平衡点。 （1）物理层的可重配置性。为了使基站可以工作在多参
7、数连续改变的环境中，需要在基站中采用可重新配置的自适应技术来调节结构，从而获得最好的性能。智能天线在基站系统中的可重配置性可以看作是在各种不同环境中基站系统结构的智能切换。 （2）不同层之间的优化。OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型定义了高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。我们在设计智能天线系统时，需要考虑物理层、链路层和网络 ( >>下转） 图1 多输入多输出智能天线收发机结构 智能天线技术主要可以分为两大类。分别是波束转换技术(Switched Beam Technology)，即波束转换天线和自适应空间数字处理技术（ada
8、ptive spatial digital processing technology)，即自适应天线阵列。智能天线以自身的多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号均被抑制。但是，智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向。事实上，在随机多径信道上，手机的方向是难以确定的，特别是在基站到手机的直射通道上存在遮挡物的时候，手机的物理方向往往与理想的波束方向存在很大的偏差。所谓智能天线波束跟踪，它的真正意义就是指在最佳的路径方向形成高增益窄波束并且需要时时保持对最佳路径的变化的跟踪，还需要充分利用信号有效的发送功率，尽可能的减小电磁干扰。 波束
9、转换天线具有一定数目的、固定的、预定义的天线方向图。在一个信道中利用几个波束同时给多个手机发送不同的信号，它从几个预定义的、固定的波束中选择其中强度最好的一个信号，当手机从基站的一个扇区到达另一个扇区时，信息从一个波束切换到另一个波束。这就可以在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信的容量和质量。 为了保证波束转换天线共享同一信道的各个手机用户只能接收到发给自己的信号，避免出现串话、干扰，就要求基站的天线阵列必须要产生多个波束来分别提供给不同的手机用户，还要保证在每个 98 科技与企业杂志 2012年12月（上） 信息技术 2.展望 作为一个应用便捷的计算机模拟软件，FLUENT的功能也在不断强
10、大，将它应用在汽车工业中，不仅为汽车的发展提供的有效数据，还可以和相关实验数据，为汽车工业的进一步发展奠定了理论基础。在汽车工业发展领域，FLUENT不仅在传统汽车的开发中有所应用，在电动汽车的研发上也应用广泛。例如，电动汽车电池的温度场和速度场的模拟，这对解决电动汽车电池存在的温度失调问题尤为重要。因此，FLUENT软件在汽车发展领域会越来越被重视。 3.结论 FLUENT软件作为CFD通用软件的代表以其应用便捷、效果逼真、更直观的优点在汽车工业中得到广泛的应用。由于减少了在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的
11、设定，因而提高了工作效率，FLUENT 必然会获得越来越多的应用，应用效果也将越来越好。但它对模型的要求高，忽略一些问题后，使结果不够精确，所以功能更强大的FLUENT软件有待进一步的开发与应用。 参考文献 1Jeffrey J.Case,William A.Cuddy.Application of an Acoustical Resonator to Reduce HVACBlower Noise.SAE.2001-01-1526 2DAMODARAN V,KAUSHIK S.Simulation to Identifyand Resolve Underhood/Underbody Vehi
12、cle ThermalIssuesJ.Journal Articles by Fluent Software Users,JA118,2000 3SUBRAMANIAN S,BANDARU B,BALAJI B.Minimization of Hot Air Re-circulation in Engine CoolingSystemJ.SAE Paper 2009-01-1153. 4薛劲橹,张兵志,徐国英.FLUENT在汽车动力特性研究中的应用J.装甲兵工程学院学报,2009. 作者简介 李阳（1986年11月）、女、硕士在读、学生、研究方向-节能王晓彤（1967年12月）、女、硕士、教授
13、、研究方向-节能 (>>上接）像自动巡检，轮巡的对象可以任意设定，包括不同摄像机、同一摄像机的不同预置位等。巡检画面和参数将记录在数据库日志中，方便查阅。 a开关、刀闸、接地线等设备的巡视：在室外合理位置安装一体化云台摄像机并辅以网络球机可实现对对室外主要生产设备及场地情况进行监视。如不同类型刀闸的分合位置、接地刀闸的分合位置和开关分合指示标志等。 b重要设备指示仪表的状态的巡视：对于室外开关的SF6压力表、液压压力表、CT端子的SF6气密表和避雷器的泄露电流表等重要表计进行监视。对表计的巡视采用小型无线太阳能照片摄像机进行实时的静态图片状态监视，定时将其状态照片上传到平台。通过管
14、 ( >>上接） 层，也就是说需要综合考虑到各层之间相互关系，而不能片面的考虑 其中的某一层。 （3）多用户分集。在多用户通信中，机会机制是一种很重要的通信方式。机会机制的原理是通过把有效信道分配给那些最有需要连续传输的用户来复用。机会机制的应用，可以使通信系统的吞吐量尽量达到最大。对于反射空间信道来说，机会机制下波束成形会将信道指向具有最高SNR的用户，以保障这些用户的通信需求；另一方面，在充分散射情况下，机会机制会把信道分配给那些具有最高瞬时容量的用户。机会机制会产生多用户分集，多用户分集可以是码分集、时间分集、频率分集或者空间分集的补充。机会机制的缺点是会影响MAC协议的设计
15、，MAC协议将放弃冲突检测机制而转向多用户机制，这将给移动通信网络带来一些不稳定性。 （4）实际的性能评估。4G移动通信系统采用智能天线主要依赖以下两种研究结果：（a）智能天线和移动通信环境的特性，如传播特性、天线阵列配置、业务模式、干扰情况、信号带宽的有效性，从而保证系统的兼容性；（b）根据相关的关键参数，通过链路级和系统级仿真的优化折衷来评估智能天线的实际性能。 五、结束语 在基于4G中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加系统容量。本文通过探讨智能天线的原理，讨论了智能天线的优点和智能天线的发展趋势同时也阐述了设计中会遇到的问题。总之，合理的使用智能天线技术将大大地提高
16、4G移动通信系统的性能，同时，也是4G移动通信中天线应用的趋势。 理软件对上传的照片利用图像识别技术进行智能读数,实现自动报警 功能。 （3）红外热成像监控功能：对重要的设备（如变压器），采用一体化红外热成像摄像机实时温度监视，防范由于接头松动、接触不良等的设备隐患而引起设备短路故障。采用红外技术，能准确监测设备的发热缺陷，实现在线测温功能。一是自动预警，当监测到目标设备温度异常升高，系统将自动报警。二是自动巡检，系统具备预置自动循检功能，并能对被监测设备进行录像及快照，能对监控目标进行温差检测，并具有温差趋势分析功能，生成分析报告。 （4）视频监控系统与报警联动功能：将变电站原有的室外摄安防
17、像头通过硬盘录像机智能辅助控制系统，实现对各路安防图像的集中监视。将原有的门禁系统及周界报警子系统触点信号通过综合测控单元接入系统，可实现对变电站围界进行全天时动态智能感知，在有效击退入侵者，同时将入侵信号发送到安全监控中心。将原有的消防系统接入系统，可实现对变电站消防报警信号的远程实时监视，在发生火灾时，能自动切换至相应摄像机，提高火灾远程快速查找定位的速度。 （5）环境采集系统：通过温湿度传感器，实时检测各空调房间温度湿度，将温湿度信号接入综合测控单元。在变电站的计算机房、低压配电室、蓄电池室、继保室等功能间安装温湿度采集器，对各功能间的环境变量进行实时监视。 5.应用效果 （1）防范事故
18、：通过监控中心能清晰地监视变电站场地、保护室内设备操作前后状态及运行状况，能远程及时发现设备的异常情况，以便采取及时、有效的措施进行处置，防止异常事故扩大，减少损失，提高设备运行安全。比如，在远方操作断路器后，可通过智能辅助控制系屏幕进行状态确认，同时监视运行状态，若出现现场状态与遥信不对应或设备外部有异常则立即停止操作，通和专业人员检查处理，避免出现事故。 （2）提高工作率：一方面，发挥系统巡视、测温、告警功能，减少运行人员现场巡视工作量，通过智能分析给出信号，大大减少了人工分析数据的时间，提高巡视效率和质量；另一方面，能通过该系统对现场设备在故障前后录像，在事故处理时可进行即时调阅，还原设备故障期间的状态变化，为事故分析提供第一手资料，利于值班人员正确判断，提高事故处理能力。 6.结束语 智能辅助控制系统应用，满足了变电站远方监控的需求，随着变电站无人值守及远方操作的进一步推进，该系统的应用越来越广泛。从目前情况来看，该系统在变电站的应用范围及方式还具有可拓展性，通过各种信息的汇集，可形成一个功能更强大的综合辅助系统，提高变电运行工作效率，产生了良好的经济社会效益。该系统经过不断的完善与改进， 将来可得到更大范围的应用。 科技与企业杂志 2012年12月（上） 97