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(dòng)通信領(lǐng)域，很快形成了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)－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(jià)和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、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(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)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(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)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(dòng)通信。此外，隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)迅速增長(zhǎng)和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動(dòng)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(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向ＤＯＡ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｒｉｎａｌ），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)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(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號(hào)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(kuò)容的需要。實(shí)際上它使通信資源不再局限于時(shí)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(gè)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(jiǎn)稱波束轉(zhuǎn)換天線和自適應(yīng)天線陣。天線以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號(hào)，來自窄波束以外的信號(hào)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(shí)上，在隨機(jī)多徑信道上，移動(dòng)用戶的物理方向是難以確定的，特別是在發(fā)射臺(tái)至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時(shí)，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(hào)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(gè)波束同時(shí)給多個(gè)用戶發(fā)送不同的信號(hào)，它從幾個(gè)預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)越過扇區(qū)時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)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(dòng)用戶只接收到發(fā)給自己的信號(hào)而不發(fā)生串話，要求基站天線陣產(chǎn)生多個(gè)波束來分別照射不同用戶，特別地，在每個(gè)波束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。

每個(gè)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(duì)于移動(dòng)用戶，基站選擇不同的對(duì)應(yīng)波束，使接收的信號(hào)強(qiáng)度最大。但用戶信號(hào)未必在固定波束中心，當(dāng)使用者是在波束邊緣，干擾信號(hào)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(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)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(jiǎn)單和不需要判斷用戶信號(hào)方向（ ＤＯＡ） 的優(yōu)勢(shì)。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(hào)處理的算法去測(cè)量不同波束的信號(hào)強(qiáng)度，因而能動(dòng)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(qiáng)信號(hào)能力，使多個(gè)用戶共同使用一個(gè)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(gè)抽頭因子。每個(gè)天線后接一個(gè)延時(shí)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(shí)具有時(shí)域和空域處理能力。

自適應(yīng)天線陣是一個(gè)由天線陣和實(shí)時(shí)自適應(yīng)信號(hào)接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)天線陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號(hào)抵消，而且可以使有用信號(hào)得到加強(qiáng)，從而達(dá)到抗干擾的目的。

由自適應(yīng)天線陣接收到的信號(hào)被加權(quán)和合并，取得最佳的信噪比系數(shù)。采用Ｍ個(gè)陣元自適應(yīng)天線，理論上，自適應(yīng)天線陣的價(jià)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(duì)相同的通信質(zhì)量要求，移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率可減�。保埃欤纾�。這不但表明可以延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)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(hào)微弱的用戶建立正常的通信鏈路。對(duì)基站發(fā)射而言，總功率被分配到Ｍ個(gè)陣元，又由于采用ＤＢＦ?Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ　可以使所需總功率下降，因此，每個(gè)陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進(jìn)而可使用低功率器件。

采用自適應(yīng)抽頭時(shí)延線天線陣對(duì)信號(hào)接收、均衡和測(cè)試很有幫助。對(duì)每一接收天線加上若干抽頭延時(shí)線，然后送入智能處理器，則可以對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行最佳接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站的接收信號(hào)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(hào)中心頻率波長(zhǎng)的 １／２ 。陣元間距過大，降低接收信號(hào)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(zhǎng)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(hào)接收和發(fā)送可認(rèn)為是全向天線。它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)的 ＤＯＡ ，或者是主波束方向。根據(jù)不同空間用戶信號(hào)傳播方向，提供不同空間通道，有效克服對(duì)系統(tǒng)干擾。自適應(yīng)天線主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)。