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�。保埃欤纾汀＿@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�牽梢允顾�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)。

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(shí)響應(yīng)速率和電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，因此重要的是選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。通過算法自動(dòng)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(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則（比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則ｚｅｒｏ ｆｏｒｃｉｎｇ）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)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(zhǔn)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(hào)，判決反饋算法（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是一類較特殊的算法，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。

三、智能天線技術(shù)的研究動(dòng)向

美國，日本和歐洲等國非常重視未來移動(dòng)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(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)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(jìn)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(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了智能天線的功能，在兩個(gè)用戶四個(gè)空間信道?包括上行和下行鏈路�犗�，試驗(yàn)系統(tǒng)比特差錯(cuò)率?ＢＥＲ�爟�(yōu)于１０－３。實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)了采用ＭＵＳＩＣ算法判別用戶信號(hào)方向的能力，同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jiǎn)單的直線陣更合適。在此基礎(chǔ)上又繼續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評(píng)估、多用戶檢測(cè)與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時(shí)空信道特性估計(jì)及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(zhǎng)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(hào)在模數(shù)變換后，進(jìn)行快速付氏變換?ＦＦＴ�犔幚�，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(duì)用于ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ系統(tǒng)的智能天線進(jìn)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(yàn)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(duì)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(shí)延擴(kuò)展、支持高數(shù)據(jù)速率、抑制干擾、減少遠(yuǎn)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(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、靈活的小區(qū)管理、延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池壽命、以及維護(hù)和運(yùn)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(dòng)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(duì)稱，可同時(shí)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(shí)現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費(fèi)；

歐洲在ＤＥＣＴ基站中進(jìn)行智能天線實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用和評(píng)估了多種自適應(yīng)算法，并驗(yàn)證了智能天線的功能。日本在ＰＨＳ系統(tǒng)中的測(cè)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(duì)收到的上行信號(hào)進(jìn)行處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量，進(jìn)行上行波束賦形，達(dá)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(kuò)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(shí)，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(biāo)。據(jù)研究，用４個(gè) 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(jìn)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(jìn)行軟／硬切換控制；智能天線的空間域?yàn)V波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng)，簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)質(zhì)是分配移動(dòng)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(duì)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(dòng)通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)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(biāo)，減少了移動(dòng)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(kuò)大系統(tǒng)容量，增強(qiáng)現(xiàn)有移動(dòng)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(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)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(jì)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(dá)無線陣列的信號(hào)，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機(jī)會(huì)。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(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動(dòng)作用。智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但要實(shí)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(zhǔn)則及自適應(yīng)算法；寬帶信號(hào)波束的高速波束成形處理；用于移動(dòng)臺(tái)的智能天線技術(shù)；智能天線實(shí)現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測(cè)試平臺(tái)及軟件無線電技術(shù)研究等方面。

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