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一． 引言
智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始發(fā)展，最初研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣，目的是提高雷達(dá)的性能和電子對(duì)抗的能力。而其真正的發(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)，其發(fā)展也是從雷達(dá)開始的。到20世紀(jì)90年代中，在美國(guó)和中國(guó)開始考慮將智能天線技術(shù)使用于無(wú)線通信系統(tǒng)。在1997年，北京信威通信技術(shù)公司開發(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)和研究結(jié)構(gòu)內(nèi)也廣泛研究了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)電信主管部門向國(guó)際電聯(lián)提交的TD-SCDMA RTT建議并與2000年5月已被ITU批準(zhǔn)為第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一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。
二、智能天線概念及其分類
通常，智能天線技術(shù)將使用于無(wú)線通信系統(tǒng)中的無(wú)線基站。具有智能天線的TDD無(wú)線基站描述了一個(gè)具有智能的天線工作于TDD方式的CDMA基站的示意方框圖。由此可見，和傳統(tǒng)的、沒有智能天線的基站比較，它在硬件上由一個(gè)天線陣和一組收發(fā)信機(jī)組成了其射頻部分；而在基帶信號(hào)處理部分的硬件則基本相同。每個(gè)射頻收發(fā)信機(jī)都有ADC和DAC，它們將接收到的基帶模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將待發(fā)射的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)，最后完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。而所有收發(fā)數(shù)字信號(hào)都通過(guò)一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號(hào)處理器連接。
智能天線是一個(gè)天線陣列。它由個(gè)天線單元組成，不同天線元對(duì)信號(hào)施以不同的權(quán)值，然后相加，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。每個(gè)天線單元有 套加權(quán)器，可以形成 個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù) 可以大于天線單元數(shù) 。人們研究智能天線的最初動(dòng)機(jī)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。智能天線在空間選擇有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，又稱為空間濾波器，其基本思想是：天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶，在接收模式下抑制來(lái)自窄波束之外的信號(hào)，在發(fā)射模式下能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大，同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小，甚至為零。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以將只能天線分為兩類。
1．自適應(yīng)方向圖智能天線
自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送，它采用自適應(yīng)算法，其方向圖沒有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)單，可以得到最大的信號(hào)干擾比。自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化上, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢。
自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。
2. 多波束智能天線
多波束天線多波束天線在工作時(shí)，天線方向圖形狀基本不變，其利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號(hào)的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。波束智能天線對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過(guò)控制低的旁瓣電平來(lái)確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無(wú)需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對(duì)天線單元與信道的要求較高，而且用戶信號(hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。
三、智能天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)多是無(wú)線基站端使用天線陣和相干無(wú)線收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射，同時(shí)，通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。根據(jù)上面的原理分析，移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用智能天線技術(shù)將帶來(lái)以下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1．提高了基站接收機(jī)的靈敏度
如果采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播條件下，則總的接收信號(hào)相對(duì)單個(gè)天線單元將增加 dB，其中， 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由多徑傳播條件及上行波束賦形算法決定，其增加相對(duì)單個(gè)天線單元一般也為 dB左右。
2．提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率
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 dB。其中， dB是 個(gè)發(fā)射機(jī)的效果，與波束成形算法和傳播條件無(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。
3．降低了系統(tǒng)的干擾，增加了CDMA系統(tǒng)的容量
基站的接收方向圖形是有方向性的，在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 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，導(dǎo)致至少將CDMA系統(tǒng)容量增加一倍以上的可能性。
4．改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋，并提高了頻譜利用率。
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圖形確定。當(dāng)然，天線的輻射方向圖形是根據(jù)可能需要而設(shè)計(jì)的。但在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，除非更換天線，其輻射方向圖形是不可能改變和很難調(diào)整的。但智能天線陣的輻射圖形則完全可以用軟件控制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要調(diào)整或由于新的建筑物等原因使原覆蓋改變等情況下，均可能非常簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件來(lái)優(yōu)化，非常方便。而且采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高了小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，隨著移動(dòng)通信需求的日益增長(zhǎng)，則可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運(yùn)營(yíng)商成本。
5．降低了無(wú)線基站的成本
在無(wú)線基站設(shè)備中，高功率放大器(HPA)成本很高。特別是在CDMA系統(tǒng)中要求使用高線性的HPA，更是其主要部分的成本。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以降低到單個(gè)功率放大器的1/N。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。
6．實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。
采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向(DOA)。通過(guò)此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然手段。
四、結(jié)論
1． 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求增長(zhǎng)迅速，采用智能天線技術(shù)將很好的提高移動(dòng)通信特別是CDMA系統(tǒng)性能，改善服務(wù)，擴(kuò)大系統(tǒng)容量、增大現(xiàn)有基站覆蓋范圍和提高頻譜利用率，大大降低運(yùn)營(yíng)商成本。
2． 由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來(lái)幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。 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,CDMA2000系統(tǒng)也正在研究采用智能天線技術(shù)。我國(guó)TD-SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例,從一定意義上，TD-SCDMA系統(tǒng)就是基于智能天線來(lái)設(shè)計(jì)的。目前，國(guó)際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為一個(gè)三代以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。
3． 智能天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)所難以替代的。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接收等等。
4．據(jù)資料介紹，智能天線技術(shù)不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中，也完全可能使用到FDD系統(tǒng)中。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)行開發(fā)，相信在移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中，智能天線有著美好的前景。
----《通信世界》
