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(dòng)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(dòng)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(hào)處理技術(shù)創(chuàng)造了條件�？梢�
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(guó)內(nèi)爭(zhēng)取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)
的一個(gè)熱點(diǎn)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(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。智能天線的基本思想
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，接收模式下，來自窄波來之外的信號(hào)被抑
制，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。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(shí)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(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)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(shí)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(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)理論、信號(hào)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(hào)處理。

二、智能天線的波束形成方案

未來移動(dòng)智能天線均采用數(shù)字方法實(shí)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(jì)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(duì)陣元接收
信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和處理形成天線波束，主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶反向，而將波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向。根
據(jù)波束形成的不同過程，實(shí)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(duì)各陣元按收信號(hào)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(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)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(shí)際上是兩級(jí)處理過程，第1級(jí)對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行固
定加權(quán)求和，形成多個(gè)指向不同方向的波速率；第2級(jí)對(duì)第1級(jí)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(duì)全部陣元都從整體最優(yōu)計(jì)算加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對(duì)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(diǎn)是計(jì)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(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻率
更高，在半波長(zhǎng)陣元間隔的條件下，天線尺寸可做得很小，使得移動(dòng)用戶端有可能也采用智能天
線，下面重點(diǎn)介紹在基站應(yīng)用智能天線所帶來的好處。

1、形成多個(gè)波束

最簡(jiǎn)單的情況是基站的智能天線形成多個(gè)波束覆蓋整個(gè)小區(qū)。例如，一個(gè)小區(qū)可由3個(gè)寬度為
120°的波束覆蓋，或由6個(gè)寬度為 60°的波束覆蓋。每個(gè)波束可當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)對(duì)待，當(dāng)移
動(dòng)臺(tái)（MS）離開一個(gè)波束覆蓋區(qū)到另一個(gè)波束覆蓋區(qū)時(shí)，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(gè)MS，并形成覆蓋MS或MS群的波束，這樣每個(gè)波束都可以看成一個(gè)同頻小
區(qū)。不斷改變波束形狀以便覆蓋動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)量。當(dāng)MS移動(dòng)時(shí)，選用不同的波束覆蓋不同的MS
群，這對(duì)于控制BS發(fā)射功率有利。這個(gè)辦法在MS結(jié)隊(duì)移動(dòng)或沿限定路線（如在高速公路上）移動(dòng)
時(shí)尤其有效。

3、形成波束零點(diǎn)

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


4、構(gòu)造動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)小區(qū)分
配一定數(shù)量的信道，即實(shí)現(xiàn)信道的動(dòng)態(tài)分配。

四、智能天線實(shí)現(xiàn)的實(shí)際考慮

智能天線為了實(shí)現(xiàn)其改善系統(tǒng)性能的目標(biāo)，必須在動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)許多時(shí)變參數(shù)進(jìn)行估計(jì)和最優(yōu)化。
諸如動(dòng)態(tài)切換、動(dòng)態(tài)信道分配、覆蓋一族MS的波束動(dòng)態(tài)成形。同道干擾動(dòng)態(tài)零陷，以及為形成波束
而獲取期望MS的先驗(yàn)知識(shí)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(fèi)的時(shí)間也是必須考
慮的問題。例如，系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)更新處于快速移動(dòng)中的MS的位置信息，而響應(yīng)時(shí)間卻受到方向角估
計(jì)，跟蹤方案以及收斂至滿足水平的波束形成算法所需時(shí)間的限制。盡管可以通過算法的并行來實(shí)
現(xiàn)增強(qiáng)信號(hào)處理能力，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)費(fèi)用。

系統(tǒng)費(fèi)用不僅包括實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)所需的硬件費(fèi)用，還包括有源天線、移相器、高功率放大器以及驅(qū)
動(dòng)這些組件的電路所需的費(fèi)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(dòng)通信中應(yīng)用智能天線的不利因素。除了系統(tǒng)費(fèi)用，另一個(gè)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(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)的
發(fā)展為我國(guó)提供了不可多得的機(jī)遇，我們應(yīng)爭(zhēng)取在移動(dòng)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(gè)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。