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智能天線技術在20世紀60年代就開始發(fā)展，其研究對象是雷達天線陣。而真正的發(fā)展是在20世紀90年代初，以微計算機和數(shù)字信號處理技術為基礎。
到20世紀90年代中，美國和中國開始考慮將智能天線技術使用于無線通信系統(tǒng)。1997年，北京信威通信技術公司開發(fā)成功使用智能天線技術的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；美國Redcom公司則在時分多址的PHS系統(tǒng)中實現(xiàn)了智能天線，以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。同時，在國內(nèi)外眾多大學和研究機構也開始研究多種智能天線的波束成形算法和實現(xiàn)方案。在1998年，電信科學技術研究院代表我國電信主管部門向國際電聯(lián)提交的TD-SCDMARTT 建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動通信標準之一的CDMA TDD技術(低碼片速率選項)，就是第一次提出以智能天線為核心技術的CDMA通信系統(tǒng)，在國內(nèi)外獲得了廣泛的認可和支持。
智能天線優(yōu)化CDMA系統(tǒng)
在無線基站中使用了智能天線技術后，將帶來許多益處�；窘邮盏降男盘柺莵碜愿魈炀�單元和收信機所接收到的信號之和，如果采用最大功率合成算法，在不計多徑傳播的條件下，則總的接收信號將增加101gN dB，其中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時，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，其結果也在101gN dB上下。
同樣，發(fā)射天線陣在進行波束賦形后，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個發(fā)射機的效果，與波束成形算法無關，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。信號的接收是有方向性的，對接收方向以外的干擾有強的抑制。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)是一個自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾。也就是說，降低干擾對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。對使用普通天線的無線基站，其小區(qū)的覆蓋完全由天線的輻射方向確定。當然，天線的輻射方向是可能根據(jù)需要而設計的。但在現(xiàn)場安裝后，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)絡覆蓋需要調(diào)整或出現(xiàn)新的建筑物使原覆蓋改變時，均可非常簡單地通過軟件來優(yōu)化。所有無線基站設備中，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代替單只高功率HPA，可大大降低成本。此外，還帶來降低對電源的要求和增加可靠性等好處。
不能忽視的問題
智能天線技術對無線通信，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，必將考慮所帶來的問題，并在標準和產(chǎn)品設計上解決它們。
上述智能天線的功能主要是由自適應的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的。而且，接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結構、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，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)移動時(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行發(fā)射(如系統(tǒng)中的Pilot 、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個全向覆蓋的基站，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，對全向信道來說，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)設計時所必須考慮的。
在提供IP型數(shù)據(jù)業(yè)務的移動通信系統(tǒng)中，均設計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。在使用智能天線的基站中，由于用戶移動，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程，對每個用戶進行定向發(fā)射。這兩種方式各有優(yōu)點，均可使用。
在使用智能天線時，必須具有對智能天線進行實時自動校準的技術。我們在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進行實時自動校準，則下行波束賦形將受嚴重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。而且，基本的物理層技術，如調(diào)制解調(diào)、擴頻、信道編碼、交織、糾錯、數(shù)據(jù)復接等，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計得更高。例如在TD-SCDMA建議的系統(tǒng)中，使用了同步CDMA技術，簡化了接收機；在物理層時隙設計中使用了特定的上下行 Pilot時隙，減少了小區(qū)搜索及隨機接入時的干擾等，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雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其它抗干擾的數(shù)字信號處理技術結合使用，才可能達到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術包括聯(lián)合檢測、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結合已有實用的算法，而和Rake接收機的結合算法還在研究中。
必須注意的是，由于用戶終端的移動性，移動通信是一個時變的信道，智能天線是由接收信號來對上下行波束賦形，故要求TDD的周期不能太長。例如當用戶終端的移動速度達到100km/h時，其多普勒頻移接近200Hz ，用戶終端在10ms內(nèi)的位置變化達到28cm，在2GHz頻段已超過一個波長，對下行波束賦形將帶來巨大的誤差。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，則TDD上下行轉換周期還要進一步縮短。
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)的復雜性。此復雜性主要是基帶數(shù)字信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增。現(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向寬帶方向發(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復雜性已對微電子技術提出了越來越高的要求，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。
移動通信領域的亮點
基于上面的技術分析，我們可以看到：在移動通信技術的發(fā)展中，智能天線已成為一個最活躍的領域。近年來，幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都需要采用此技術。智能天線技術給移動通信系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢是目前任何技術都難以替代的。當然，在使用智能天線時也必須結合使用其它基帶數(shù)字信號處理技術，如聯(lián)合檢測、干擾抵消及Rake接收等。
目前，國際上已經(jīng)將智能天線技術作為3G技術發(fā)展的主要方向之一。智能天線技術不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中，也完全可以使用到FDD系統(tǒng)中，在世界上各國都在加緊對FDD系統(tǒng)中使用智能天線的技術進行研究，對使用智能天線的FDD基站樣機進行開發(fā)。毫無疑問，智能天線的廣泛應用正是為我們提供了一個領先的、完善的技術平臺，它在一定程度上推動了3G技術的發(fā)展。
----《通信產(chǎn)業(yè)報》
