智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)

第2代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)成熟，在多址方式上主要采用TDMA和CDMA。但是第2代系統(tǒng)采用的窄帶
CDMA由于受到傳輸頻帶窄的限制，未能真正發(fā)揮CDMA的特性。因而移動通信系統(tǒng)在經(jīng)歷了第1代模
擬系統(tǒng)和第2代（2G）數(shù)字系統(tǒng)之后，正向以寬帶CDMA技術(shù)為核心的第3代（3G）數(shù)字移動通信系
統(tǒng)發(fā)展。CDMA技術(shù)本身為順利引進(jìn)包括智能天線在內(nèi)的現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)創(chuàng)造了條件。可以
說，智能天線是3G區(qū)別于2G系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)志之一�，F(xiàn)在，智能天線已成為國內(nèi)爭取自主知識產(chǎn)權(quán)
的一個熱點領(lǐng)域。

一、智能天線的基本概念

人們研究智能天線的最初動機是，在頻譜資源日益擁擠的情況下考慮如何將自適應(yīng)波束形成應(yīng)用于
蜂窩小區(qū)的基站（BS），以便能更有效地增加系統(tǒng)容量和提高頻譜利用率。智能天線的基本思想
是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶，接收模式下，來自窄波來之外的信號被抑
制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受
到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址
（FDMA）、時分多址（TDMA）或碼分多址（CDMA），智能天線引入第4種多址方式：空分多址
（SDMA）。即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的中間傳播
路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現(xiàn)組合的多址方
式，例如空分一碼分多址（SD-CDMA）。

智能天線與傳統(tǒng)天線概念有本質(zhì)的區(qū)別，其理論支撐是信號統(tǒng)計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)
控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陳列信號處理。

二、智能天線的波束形成方案

未來移動智能天線均采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束形成，即數(shù)字波束形成（DBF）天線，從而可以使用軟
件設(shè)計完成自適應(yīng)算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。DBF對陣元接收
信號進(jìn)行加權(quán)求和處理形成天線波束，主波束對準(zhǔn)期望用戶反向，而將波束零點對準(zhǔn)干擾方向。根
據(jù)波束形成的不同過程，實現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方
式，下面分別予以介紹。

1、陣元空間處理方式

陣元空間處理方式直接對各陣元按收信號采樣進(jìn)行加權(quán)求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖
主瓣對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向。由于各樣陣元均參與自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整，這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處
理。

2、波束空間處理方式

這是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。它實際上是兩級處理過程，第1級對各陣元信號進(jìn)行固
定加權(quán)求和，形成多個指向不同方向的波速率；第2級對第1級的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合
成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對其中
的部分陣元作自適應(yīng)處理，因此，屬于部分自適應(yīng)陣列處理。這種結(jié)構(gòu)的特點是計算量小，收斂
快，并且具有良好的波束保形性能。

三、智能天線在3G系統(tǒng)基站中的應(yīng)用

作為提高移動通信系統(tǒng)容量的重要手段，智能天線主要在基站使用，未來移動通信系統(tǒng)的工作頻率
更高，在半波長陣元間隔的條件下，天線尺寸可做得很小，使得移動用戶端有可能也采用智能天
線，下面重點介紹在基站應(yīng)用智能天線所帶來的好處。

1、形成多個波束

最簡單的情況是基站的智能天線形成多個波束覆蓋整個小區(qū)。例如，一個小區(qū)可由3個寬度為
120°的波束覆蓋，或由6個寬度為 60°的波束覆蓋。每個波束可當(dāng)作一個獨立的小區(qū)對待，當(dāng)移
動臺（MS）離開一個波束覆蓋區(qū)到另一個波束覆蓋區(qū)時，也要進(jìn)行切換。

2、形成自適應(yīng)波束

智能天線可用于定位每個MS，并形成覆蓋MS或MS群的波束，這樣每個波束都可以看成一個同頻小
區(qū)。不斷改變波束形狀以便覆蓋動態(tài)變化的業(yè)務(wù)量。當(dāng)MS移動時，選用不同的波束覆蓋不同的MS
群，這對于控制BS發(fā)射功率有利。這個辦法在MS結(jié)隊移動或沿限定路線（如在高速公路上）移動
時尤其有效。

3、形成波束零點

智能天線在其陣列方向圖上形成對準(zhǔn)同頻MS的波束零點有助于減小收發(fā)兩個方向上的同頻干擾。


4、構(gòu)造動態(tài)小區(qū)

波束自適應(yīng)形成的概念可推廣至小區(qū)形狀的動態(tài)改變，即小區(qū)形狀不再固定，利用智能天線構(gòu)造基
于業(yè)務(wù)需求的動態(tài)小區(qū)，這要求智能天線具備定位和跟蹤MS的能力，從而自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以
滿足業(yè)務(wù)要求，這表明使用智能天線可以改變小區(qū)邊界，從而能隨著業(yè)務(wù)需求的變化為每個小區(qū)分
配一定數(shù)量的信道，即實現(xiàn)信道的動態(tài)分配。

四、智能天線實現(xiàn)的實際考慮

智能天線為了實現(xiàn)其改善系統(tǒng)性能的目標(biāo)，必須在動態(tài)環(huán)境下對許多時變參數(shù)進(jìn)行估計和最優(yōu)化。
諸如動態(tài)切換、動態(tài)信道分配、覆蓋一族MS的波束動態(tài)成形。同道干擾動態(tài)零陷，以及為形成波束
而獲取期望MS的先驗知識都需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)。并且這些系統(tǒng)參數(shù)的更新耗費的時間也是必須考
慮的問題。例如，系統(tǒng)要求實時更新處于快速移動中的MS的位置信息，而響應(yīng)時間卻受到方向角估
計，跟蹤方案以及收斂至滿足水平的波束形成算法所需時間的限制。盡管可以通過算法的并行來實
現(xiàn)增強信號處理能力，但同時也增加了系統(tǒng)費用。

系統(tǒng)費用不僅包括實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)所需的硬件費用，還包括有源天線、移相器、高功率放大器以及驅(qū)
動這些組件的電路所需的費用。這些組件目前大都很昂貴，且不采用SDMA的系統(tǒng)不需這些組件。
這正是在移動通信中應(yīng)用智能天線的不利因素。除了系統(tǒng)費用，另一個關(guān)鍵問題是要找到一種真正
快速收斂而性能優(yōu)良的自適應(yīng)算法。

五、結(jié)束語

目前尚沒有智能天線的確切定義，大多數(shù)文獻(xiàn)將智能天線和自適應(yīng)天線混用。但是，智能天線必定
是建立在自適應(yīng)天線基礎(chǔ)之上的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過抑制干擾和對抗衰落來增加系統(tǒng)容
量，進(jìn)而提高頻譜利用率，不僅涉及智能化接收，還包括智能化發(fā)射�，F(xiàn)在第3代移動通信系統(tǒng)的
發(fā)展為我國提供了不可多得的機遇，我們應(yīng)爭取在移動通信的關(guān)鍵技術(shù)中有所突破，形成自主開發(fā)
的專利技術(shù)。其中，智能天線就是一個大有所為的領(lǐng)域。智能天線的研究必須和軟件無線電技術(shù)結(jié)
合起來。