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智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始發(fā)展，其研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣。而真正的發(fā)展是在20世紀(jì)90年代初，以微計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)。
到20世紀(jì)90年代中，美國(guó)和中國(guó)開(kāi)始考慮將智能天線技術(shù)使用于無(wú)線通信系統(tǒng)。1997年，北京信威通信技術(shù)公司開(kāi)發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無(wú)線用戶環(huán)路系統(tǒng)；美國(guó)Redcom公司則在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線，以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始研究多種智能天線的波束成形算法和實(shí)現(xiàn)方案。在1998年，電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國(guó)電信主管部門(mén)向國(guó)際電聯(lián)提交的TD-SCDMARTT 建議和現(xiàn)在成為國(guó)際第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMA TDD技術(shù)(低碼片速率選項(xiàng))，就是第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛的認(rèn)可和支持。
智能天線優(yōu)化CDMA系統(tǒng)
在無(wú)線基站中使用了智能天線技術(shù)后，將帶來(lái)許多益處�；窘邮盏降男盘�(hào)是來(lái)自各天線單元和收信機(jī)所接收到的信號(hào)之和，如果采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播的條件下，則總的接收信號(hào)將增加101gN dB，其中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(shí)，此接收靈敏度的改善將視多徑傳播條件及上行波束賦形算法而變，其結(jié)果也在101gN dB上下。
同樣，發(fā)射天線陣在進(jìn)行波束賦形后，該用戶終端所接收到的等效發(fā)射功率可能增加201gN dB。其中，101gN dB是N個(gè)發(fā)射機(jī)的效果，與波束成形算法無(wú)關(guān)，另外部分將和接收靈敏度的改善類似，隨傳播條件和下行波束賦形算法而變。信號(hào)的接收是有方向性的，對(duì)接收方向以外的干擾有強(qiáng)的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，則可能將干擾降低101gN dB 。
眾所周知，CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來(lái)自本系統(tǒng)的干擾。也就是說(shuō)，降低干擾對(duì)CDMA系統(tǒng)極為重要，降低干擾就可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。在CDMA系統(tǒng)中使用了智能天線后，就提供了將所有擴(kuò)頻碼所提供的資源全部利用的可能性，使得CDMA系統(tǒng)容量增加一倍以上成為可能。對(duì)使用普通天線的無(wú)線基站，其小區(qū)的覆蓋完全由天線的輻射方向確定。當(dāng)然，天線的輻射方向是可能根據(jù)需要而設(shè)計(jì)的。但在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，除非更換天線，其輻射方向是不可能改變和很難調(diào)整的。但智能天線陣的輻射則完全可以用軟件控制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要調(diào)整或出現(xiàn)新的建筑物使原覆蓋改變時(shí)，均可非常簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件來(lái)優(yōu)化。所有無(wú)線基站設(shè)備中，最昂貴的是高功率放大器(HPA)。CDMA系統(tǒng)中要使用高線性的HPA，因而成本更高。如上述，智能天線使等效發(fā)射功率增加，在同等覆蓋要求下，每只功率放大器的輸出可降低201gN dB 。這樣，在智能天線系統(tǒng)中，使用N只低功率的放大器來(lái)代替單只高功率HPA，可大大降低成本。此外，還帶來(lái)降低對(duì)電源的要求和增加可靠性等好處。
不能忽視的問(wèn)題
智能天線技術(shù)對(duì)無(wú)線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統(tǒng)時(shí)，必將考慮所帶來(lái)的問(wèn)題，并在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上解決它們。
上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而且，接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號(hào)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒(méi)有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射(如系統(tǒng)中的Pilot 、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的。即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來(lái)，對(duì)全向信道來(lái)說(shuō)，將要求高得多的發(fā)射功率(最大可能為比專用信道高101gN dB)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。
在提供IP型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，均設(shè)計(jì)了多用戶共享的上下行信道并在基站和用戶終端使用不連續(xù)發(fā)射技術(shù)。在使用智能天線的基站中，由于用戶移動(dòng)，基站不可能知道用戶的位置，故一般只能采用全向下行波束。此外，也可以增加一次接入過(guò)程，對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行定向發(fā)射。這兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，均可使用。
在使用智能天線時(shí)，必須具有對(duì)智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的技術(shù)。我們?cè)赥DD系統(tǒng)中使用智能天線時(shí)是根據(jù)電磁場(chǎng)理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來(lái)進(jìn)行下行波束賦形。但對(duì)實(shí)際無(wú)線基站，每一條通路的無(wú)線收發(fā)信機(jī)不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢(shì)，甚至完全不能通信。而且，基本的物理層技術(shù)，如調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻、信道編碼、交織、糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)復(fù)接等，與不使用智能天線是完全一樣的。但是使用了智能天線，可以將物理層的效率設(shè)計(jì)得更高。例如在TD-SCDMA建議的系統(tǒng)中，使用了同步CDMA技術(shù)，簡(jiǎn)化了接收機(jī)；在物理層時(shí)隙設(shè)計(jì)中使用了特定的上下行 Pilot時(shí)隙，減少了小區(qū)搜索及隨機(jī)接入時(shí)的干擾等，都使智能天線的功能得以充分發(fā)揮。
目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實(shí)用的智能天線算法還不能解決時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片寬度的多徑干擾，也無(wú)法克服高速移動(dòng)多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動(dòng)環(huán)境下，必須將智能天線和其它抗干擾的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達(dá)到最佳的效果。這些數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(cè)、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測(cè)或干擾抵消的結(jié)合已有實(shí)用的算法，而和Rake接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。
必須注意的是，由于用戶終端的移動(dòng)性，移動(dòng)通信是一個(gè)時(shí)變的信道，智能天線是由接收信號(hào)來(lái)對(duì)上下行波束賦形，故要求TDD的周期不能太長(zhǎng)。例如當(dāng)用戶終端的移動(dòng)速度達(dá)到100km/h時(shí)，其多普勒頻移接近200Hz ，用戶終端在10ms內(nèi)的位置變化達(dá)到28cm，在2GHz頻段已超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)下行波束賦形將帶來(lái)巨大的誤差。故希望將TDD周期至少縮短一半，使收發(fā)之間的間隔控制在2至3ms內(nèi)，以保證智能天線的正常工作。如果要求此系統(tǒng)的終端能以更高的速度移動(dòng)，則TDD上下行轉(zhuǎn)換周期還要進(jìn)一步縮短。
顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字信號(hào)處理的量將成幾何級(jí)數(shù)遞增�，F(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復(fù)雜性已對(duì)微電子技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6至16之間。
移動(dòng)通信領(lǐng)域的亮點(diǎn)
基于上面的技術(shù)分析，我們可以看到：在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個(gè)最活躍的領(lǐng)域。近年來(lái)，幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都需要采用此技術(shù)。智能天線技術(shù)給移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)都難以替代的。當(dāng)然，在使用智能天線時(shí)也必須結(jié)合使用其它基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如聯(lián)合檢測(cè)、干擾抵消及Rake接收等。
目前，國(guó)際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為3G技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。智能天線技術(shù)不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中，也完全可以使用到FDD系統(tǒng)中，在世界上各國(guó)都在加緊對(duì)FDD系統(tǒng)中使用智能天線的技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)使用智能天線的FDD基站樣機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。毫無(wú)疑問(wèn)，智能天線的廣泛應(yīng)用正是為我們提供了一個(gè)領(lǐng)先的、完善的技術(shù)平臺(tái)，它在一定程度上推動(dòng)了3G技術(shù)的發(fā)展。
----《通信產(chǎn)業(yè)報(bào)》
