智能天線技術(shù)及其應(yīng)用

９０年代以來，陣列處理技術(shù)引入移動通信領(lǐng)域，很快形成了一個新的研究熱點－智能天線（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａｓ）?智能天線應(yīng)用廣泛，它在提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨特的優(yōu)點。

最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。智能天線技術(shù)因此用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數(shù)迅速增長和人們對通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向ＤＯＡ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｒｉｎａｌ），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域（ＴＤＭＡ）、頻率域（ＦＤＭＡ）或碼域（ＣＤＭＡ）而拓展到了空間域，屬于空分多址（ＳＤＭＡ）體制。

一、智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)有兩個主要分支。波束轉(zhuǎn)換技術(shù)?ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｅａｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），或簡稱波束轉(zhuǎn)換天線和自適應(yīng)天線陣。天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個期望信號，來自窄波束以外的信號被抑制。但智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶的物理方向，事實上，在隨機多徑信道上，移動用戶的物理方向是難以確定的，特別是在發(fā)射臺至接收機的直射路徑上存在阻擋物時，用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化，充分利用信號的有效的發(fā)送功率以減小電磁干擾。

１．波束轉(zhuǎn)換天線

波束轉(zhuǎn)換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發(fā)送不同的信號，它從幾個預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。

為保證波束轉(zhuǎn)換天線共享同一信道的各移動用戶只接收到發(fā)給自己的信號而不發(fā)生串話，要求基站天線陣產(chǎn)生多個波束來分別照射不同用戶，特別地，在每個波束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。

每個波束的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數(shù)而變化。對于移動用戶，基站選擇不同的對應(yīng)波束，使接收的信號強度最大。但用戶信號未必在固定波束中心，當(dāng)使用者是在波束邊緣，干擾信號在波束的中央，接收效果最差。因此，與自適應(yīng)天線陣比較，波束轉(zhuǎn)換天線不能實現(xiàn)最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉(zhuǎn)換天線增益在方位角上不均勻分布。但波束轉(zhuǎn)換天線有結(jié)構(gòu)簡單和不需要判斷用戶信號方向（ ＤＯＡ） 的優(yōu)勢。主要用于模擬通信系統(tǒng)。

２．自適應(yīng)天線陣

融入自適應(yīng)數(shù)字處理技術(shù)的智能天線是利用數(shù)字信號處理的算法去測量不同波束的信號強度，因而能動態(tài)地改變波束使天線的傳輸功率集中。應(yīng)用空間處理技術(shù)（ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）可以增強信號能力，使多個用戶共同使用一個信道。自適應(yīng)天線陣結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

Ｔ０是相鄰的抽頭之間的延遲，Ｗｎ．ｍ是ｎ天線第ｍ個抽頭因子。每個天線后接一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)，可自適應(yīng)的調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這樣一來同時具有時域和空域處理能力。

自適應(yīng)天線陣是一個由天線陣和實時自適應(yīng)信號接收處理器所組成的一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動調(diào)準天線陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而且可以使有用信號得到加強，從而達到抗干擾的目的。

由自適應(yīng)天線陣接收到的信號被加權(quán)和合并，取得最佳的信噪比系數(shù)。采用Ｍ個陣元自適應(yīng)天線，理論上，自適應(yīng)天線陣的價值是能產(chǎn)生（ Ｍ－１）倍天線放大，可帶來１０ｌｇＭ的ＳＮＲ改善，消除扇形失真的影響，并且它的（Ｍ－１）倍分集增益相關(guān)性是足夠低的。對相同的通信質(zhì)量要求，移動臺的發(fā)射功率可減�。保埃欤纾�。這不但表明可以延長移動臺電池壽命或可采用體積更小的電池，也意味著基站可以和信號微弱的用戶建立正常的通信鏈路。對基站發(fā)射而言，總功率被分配到Ｍ個陣元，又由于采用ＤＢＦ?Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ�牽梢允顾�需總功率下降，因此，每個陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進而可使用低功率器件。

采用自適應(yīng)抽頭時延線天線陣對信號接收、均衡和測試很有幫助。對每一接收天線加上若干抽頭延時線，然后送入智能處理器，則可以對多徑信號進行最佳接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站的接收信號的信噪比得到很大程度的提高，降低了系統(tǒng)的誤碼率。

通常采用４－１６ 天線陣元結(jié)構(gòu)，相鄰陣元間距一般取為接收信號中心頻率波長的 １／２ 。陣元間距過大，降低接收信號相關(guān)度；陣元間距過小，將在方向圖引起不必要的波瓣，因此陣元半波長間距通常是優(yōu)選的。天線陣元配置方式包含直線的型，環(huán)型和平面的型，自適應(yīng)天線是智能天線的主要的型式 。自適應(yīng)天線完成用戶信號接收和發(fā)送可認為是全向天線。它采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號的 ＤＯＡ ，或者是主波束方向。根據(jù)不同空間用戶信號傳播方向，提供不同空間通道，有效克服對系統(tǒng)干擾。自適應(yīng)天線主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)。

二、智能天線算法

智能天線系統(tǒng)的核心是智能的算法，智能的算法決定瞬時響應(yīng)速率和電路實現(xiàn)的復(fù)雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。通過算法自動調(diào)整加權(quán)值得到所需空間和頻率濾波器的作用。目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，進行算法處理時要么先確定信道響應(yīng)再按一定準則（比如最優(yōu)的迫零準則ｚｅｒｏ ｆｏｒｃｉｎｇ）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有ＭＭＳＥ（最小均方誤差）、ＬＭＳ（最小均方）和ＬＳ（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號，判決反饋算法（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是一類較特殊的算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。

三、智能天線技術(shù)的研究動向

美國，日本和歐洲等國非常重視未來移動通信中智能天線的作用，已經(jīng)開展了大量的理論分析和研究。我國也早已將研究智能天線技術(shù)列入國家８６３－３１７通信技術(shù)主題研究中的個人通信技術(shù)分項，許多專家及大學(xué)正在進行相關(guān)的研究。在連續(xù)獲得ＩＴＵ和３ＧＰＰ通過的我國自主研發(fā)的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技術(shù)體制中，就廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術(shù)。

歐洲進行了基于ＤＥＣＴ基站的智能天線技術(shù)初步研究，于１９９５年初開始現(xiàn)場試驗。實驗系統(tǒng)驗證了智能天線的功能，在兩個用戶四個空間信道?包括上行和下行鏈路�犗拢�試驗系統(tǒng)比特差錯率?ＢＥＲ�爟�(yōu)于１０－３。實驗評測了采用ＭＵＳＩＣ算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。在此基礎(chǔ)上又繼續(xù)進行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評估、多用戶檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時空信道特性估計及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗等研究。

日本某研究所制作了基于波束空間處理方式的波束轉(zhuǎn)換智能天線。天線陣元布局為間距半波長的１６陣元平面方陣，射頻工作頻率是１．５４５ＧＨｚ。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后，進行快速付氏變換?ＦＦＴ�犔幚恚�形成正交波束后，分別采用恒模?ＣＭＡ�犓惴ɑ蜃畲蟊戎岛喜⒎旨�算法，提出了基于智能天線的軟件無線概念，即用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素亦不同，可通過軟件采用相應(yīng)的算法。

美國的Ｍｅｔａｗａｖｅ公司對用于ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ系統(tǒng)的智能天線進行了大量研究開發(fā)； ＡｒｒａｙＣｏｍｍ公司也研制了用于無線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；美國德州大學(xué)建立了智能天線試驗環(huán)境；。加拿大ＭｃＭａｓｔｅｒ大學(xué)研究開發(fā)了４元陣列天線，采用恒模?ＣＭＡ�犓惴�。

四、智能天線對系統(tǒng)的改善和主要用途

智能天線潛在的性能效益表現(xiàn)在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數(shù)據(jù)速率、抑制干擾、減少遠近效應(yīng)、減小中斷概率、改善ＢＥＲ?Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ�犘阅�、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區(qū)切換、擴大小區(qū)覆蓋范圍、靈活的小區(qū)管理、延長移動臺電池壽命、以及維護和運營成本較低，等等。

１．改善系統(tǒng)性能

采用智能天線技術(shù)可提高第三代移動通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量，Ｗ－ＣＤＭＡ系統(tǒng)就采用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。我國ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)采用ＴＤＤ方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統(tǒng)具有精確定位功能，可實現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費；

歐洲在ＤＥＣＴ基站中進行智能天線實驗時，采用和評估了多種自適應(yīng)算法，并驗證了智能天線的功能。日本在ＰＨＳ系統(tǒng)中的測試表明，采用智能天線可減少基站數(shù)量。由于ＰＨＳ等系統(tǒng)的通信距離有限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術(shù)，則可降低成本；

無線本地環(huán)路系統(tǒng)的基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行上行波束賦形，達到最佳接收效果。天線波束賦形等效于提高天線增益，改善了接收靈敏度和基站發(fā)射功率，擴大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響；

ＦＤＭＡ系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)，與通常的三扇區(qū)基站相比，Ｃ／Ｉ值平均提高約８ｄＢ，大大改善了基站覆蓋效果；頻率復(fù)用系數(shù)由７改善為４，增加了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，采用智能天線技術(shù)可降低無線掉話率和切換失敗率��

ＴＤＭＡ系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)?可提高Ｃ／Ｉ指標。據(jù)研究，用４個 ３０°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的１２０?天線，Ｃ／Ｉ可提高６ｄＢ，提高了服務(wù)質(zhì)量。在滿足ＧＳＭ系統(tǒng)Ｃ／Ｉ比最小的前提下，提高頻率復(fù)用系數(shù)，增加了系統(tǒng)容量；

ＣＤＭＡ系統(tǒng)系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)，可進行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟／硬切換控制；智能天線的空間域濾波可改善遠近效應(yīng)，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。

２．提高頻譜利用效率

容量和頻譜利用率的問題是發(fā)展移動通信根本性的問題。智能天線通過空分多址，將基站天線的收發(fā)限定在一定的方向角范圍內(nèi)，其實質(zhì)是分配移動通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無線資源。

對于給定的頻譜帶寬，系統(tǒng)容量愈大，頻譜利用率愈高。因此，增加系統(tǒng)容量與提高頻譜效率一致。為了滿足移動通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用自適應(yīng)天線代替普通天線。由于天線波束變窄，提高了天線增益及Ｃ／Ｉ指標，減少了移動通信系統(tǒng)的同頻干擾，降低了頻率復(fù)用系數(shù)，提高了頻譜利用效率。使用智能天線后，無須增加新的基站就可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量，擴大系統(tǒng)容量，增強現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。

未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密市區(qū)容量難題既經(jīng)濟又高效的方案，可在不影響通話質(zhì)量的情況下，將基站配置成全向連接，大幅度提高基站容量。

五、結(jié)論

在無線電通信領(lǐng)域，智能天線有誘人的前景。智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會。提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念，對當(dāng)前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動作用。智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但要實現(xiàn)理想的智能的天線，還需要許多問題有待研究解決。智能天線研究值得關(guān)注的有以下內(nèi)容：智能天線的接收準則及自適應(yīng)算法；寬帶信號波束的高速波束成形處理；用于移動臺的智能天線技術(shù)；智能天線實現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測試平臺及軟件無線電技術(shù)研究等方面。

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