智能天线技术及其应用

摘要 ：在移动通信领域，形成了一个新的研究热点—智能天线（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａｓ），本文论述了智能天线的两个主要类型和基本特性，分析了智能天线的算法，介绍了智能天线研究动向和未来移动通信系统智能天线应用前景。
智能天线技术及其应用
□ 湖北省宜昌市无线电监测站站长 沈鸿斌
９０年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点－智能天线（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａｓ）?智能天线应用广泛，它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。
最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外，随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现，智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向ＤＯＡ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｒｉｎａｌ），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域（ＴＤＭＡ）、频率域（ＦＤＭＡ）或码域（ＣＤＭＡ）而拓展到了空间域，属于空分多址（ＳＤＭＡ）体制。
一、智能天线技术
智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术?ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｅａｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和自适应空间数字处理技术（ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。
１．波束转换天线
波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。
为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。
每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向（ ＤＯＡ） 的优势。主要用于模拟通信系统。
２．自适应天线阵
融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术（ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）可以增强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。自适应天线阵结构框图如图１所示。
Ｔ０是相邻的抽头之间的延迟，Ｗｎ．ｍ是ｎ天线第ｍ个抽头因子。每个天线后接一个延时抽头加权网，可自适应的调整加权系数。这样一来同时具有时域和空域处理能力。
自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。
由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数。采用Ｍ个阵元自适应天线，理论上，自适应天线阵的价值是能产生（ Ｍ－１）倍天线放大，可带来１０ｌｇＭ的ＳＮＲ改善，消除扇形失真的影响，并且它的（Ｍ－１）倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小１０ｌｇＭ。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言，总功率被分配到Ｍ个阵元，又由于采用ＤＢＦ?Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ?可以使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。
采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多径干扰的影响，从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。
通常采用４－１６ 天线阵元结构，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的 １／２ 。阵元间距过大，降低接收信号相关度；阵元间距过小，将在方向图引起不必要的波瓣，因此阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线的型，环型和平面的型，自适应天线是智能天线的主要的型式 。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的 ＤＯＡ ，或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向，提供不同空间通道，有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。
二、智能天线算法
智能天线系统的核心是智能的算法，智能的算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法自动调整加权值得到所需空间和频率滤波器的作用。目前已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则（比如最优的迫零准则ｚｅｒｏ ｆｏｒｃｉｎｇ）确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有ＭＭＳＥ（最小均方误差）、ＬＭＳ（最小均方）和ＬＳ（最小二乘）等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是一类较特殊的算法，收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。
三、智能天线技术的研究动向
美国，日本和欧洲等国非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经开展了大量的理论分析和研究。我国也早已将研究智能天线技术列入国家８６３－３１７通信技术主题研究中的个人通信技术分项，许多专家及大学正在进行相关的研究。在连续获得ＩＴＵ和３ＧＰＰ通过的我国自主研发的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技术体制中，就广泛采用了智能天线和软件无线电技术。
欧洲进行了基于ＤＥＣＴ基站的智能天线技术初步研究，于１９９５年初开始现场试验。实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户四个空间信道?包括上行和下行链路?下，试验系统比特差错率?ＢＥＲ?优于１０－３。实验评测了采用ＭＵＳＩＣ算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而像市区环境则采用简单的直线阵更合适。在此基础上又继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验等研究。
日本某研究所制作了基于波束空间处理方式的波束转换智能天线。天线阵元布局为间距半波长的１６阵元平面方阵，射频工作频率是１．５４５ＧＨｚ。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速付氏变换?ＦＦＴ?处理，形成正交波束后，分别采用恒模?ＣＭＡ?算法或最大比值合并分集算法，提出了基于智能天线的软件无线概念，即用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，可通过软件采用相应的算法。
美国的Ｍｅｔａｗａｖｅ公司对用于ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ系统的智能天线进行了大量研究开发； ＡｒｒａｙＣｏｍｍ公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统；美国德州大学建立了智能天线试验环境；。加拿大ＭｃＭａｓｔｅｒ大学研究开发了４元阵列天线，采用恒模?ＣＭＡ?算法。
四、智能天线对系统的改善和主要用途
智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善ＢＥＲ?Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ?性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低，等等。
１．改善系统性能
采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，Ｗ－ＣＤＭＡ系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。我国ＳＣＤＭＡ系统是应用智能天线技术的典型范例。ＳＣＤＭＡ系统采用ＴＤＤ方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费；
欧洲在ＤＥＣＴ基站中进行智能天线实验时，采用和评估了多种自适应算法，并验证了智能天线的功能。日本在ＰＨＳ系统中的测试表明，采用智能天线可减少基站数量。由于ＰＨＳ等系统的通信距离有限，需要建立很多基站，若采用智能天线技术，则可降低成本；
无线本地环路系统的基站对收到的上行信号进行处理，获得该信号的空间特征矢量，进行上行波束赋形，达到最佳接收效果。天线波束赋形等效于提高天线增益，改善了接收灵敏度和基站发射功率，扩大了通信距离，并在一定程度上减少了多径传播的影响；
ＦＤＭＡ系统采用智能天线技术，与通常的三扇区基站相比，Ｃ／Ｉ值平均提高约８ｄＢ，大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由７改善为４，增加了系统容量。在网络优化时，采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率?
ＴＤＭＡ系统采用智能天线技术?可提高Ｃ／Ｉ指标。据研究，用４个 ３０°天线代替传统的１２０?天线，Ｃ／Ｉ可提高６ｄＢ，提高了服务质量。在满足ＧＳＭ系统Ｃ／Ｉ比最小的前提下，提高频率复用系数，增加了系统容量；
ＣＤＭＡ系统系统采用智能天线技术，可进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区；通过智能天线灵活的辐射模式和定向性，可进行软／硬切换控制；智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，提高系统性能。
２．提高频谱利用效率
容量和频谱利用率的问题是发展移动通信根本性的问题。智能天线通过空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源。
对于给定的频谱带宽，系统容量愈大，频谱利用率愈高。因此，增加系统容量与提高频谱效率一致。为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用自适应天线代替普通天线。由于天线波束变窄，提高了天线增益及Ｃ／Ｉ指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。
未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案，可在不影响通话质量的情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。
五、结论
在无线电通信领域，智能天线有诱人的前景。智能天线的优越性在于自身可以分析到达无线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会。提高了频率的利用率，改善了系统性能。这就是自适应天线阵列的智能化，它体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能的天线，还需要许多问题有待研究解决。智能天线研究值得关注的有以下内容：智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。
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