近年來,隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入,智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動通信。本文主要介紹了智能天線技術(shù)的原理，及其在移動通信中的應(yīng)用以及智能通信技術(shù)未來的展望。

　　《無線電通信技術(shù)》辦刊宗旨為認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家對科技期刊制定的有關(guān)政策和法規(guī)，堅(jiān)持本刊的技術(shù)性、學(xué)術(shù)性強(qiáng)的電子類科技期刊屬性，充分發(fā)揮本刊科技信息載體的作用，突出學(xué)術(shù)性，以數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)為平臺，以及時報道通信領(lǐng)域的最新科技成果與前沿技術(shù)為主線，技術(shù)與市場緊密結(jié)合，不斷提高其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為國內(nèi)有重大影響、可作為國際交流的精品科技期刊。

　　1 智能天線的基本原理

　　智能天線包括多波束天線陣列和自適應(yīng)天線陣列,后者是智能天線的主要形式。智能天線技術(shù)主要基于自適應(yīng)天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權(quán)值調(diào)整算法組成的反饋控制系統(tǒng),根據(jù)一定的算法分析該信號,判斷信號及干擾到達(dá)的方位角度,將計(jì)算分析所得的信號作為天線陣元的激勵信號,調(diào)整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應(yīng)及其它參數(shù)。利用天線陣列的波束合成和指向,產(chǎn)生多個獨(dú)立的波束,自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調(diào)零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號的載干比,改善無線網(wǎng)基站覆蓋質(zhì)量,增加系統(tǒng)容量。

　　基站使用智能天線,可為用戶提供窄定向波束,在一定的方向區(qū)域內(nèi)收發(fā)信號。這樣既充分利用信號發(fā)射功率,又可降低發(fā)射信號帶來的電磁干擾。智能天線引入空分多址(SDMA)方式,根據(jù)信號的空間傳播方向不同,區(qū)分用戶。

　　2 智能天線在移動通信中的用途

　　2.1 抗衰落。在陸地移動通信中，電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成，隨著移動臺移動及環(huán)境變化，信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，成信號衰落。采用全向天線接收所有方向的信號，或采用定向天線接收某個固定方向的信號，都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減小信號衰落的影響。智能天線還可用于分集、減少衰落。電波通過不同路徑到達(dá)接收天線，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理即可實(shí)現(xiàn)角度分集。

　　2.2 抗干擾。用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FD-MA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比,用12個30°波束天線陣列組成360°全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站,可減少移動臺對基站的干擾,改善系統(tǒng)性能。抗干擾應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。智能天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵"權(quán)值",其調(diào)整方式與具有時域?yàn)V波特性的自適應(yīng)均衡器類似,可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將其"零點(diǎn)"自動對準(zhǔn)干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統(tǒng)可靠性。

　　2.3 增加系統(tǒng)容量。為了滿足移動通信業(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),用多波束板狀天線代替普通天線。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,毋需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,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)量情況下,將基站配置成全向連接,大幅度提高基站容量。

　　當(dāng)前我國正考慮大規(guī)模引入CDMA移動通信系統(tǒng),但部分省市模擬系統(tǒng)占用了CDMA頻段,必須采用清頻手段解決此問題。使用智能天線,可大大改善模擬系統(tǒng)小區(qū)復(fù)用方式,增加模擬系統(tǒng)容量,即使清頻也不會導(dǎo)致模擬系統(tǒng)資源匱乏,為CDMA系統(tǒng)留出頻段。

　　2.4 實(shí)現(xiàn)移動臺定位。目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū),如果增加定位業(yè)務(wù),則可隨時確定持機(jī)者所處位置,不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便,還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。

　　在陸地移動通信中,如果基站采用智能天線陣,一旦收到信號,即對每個天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理,獲得該信號的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向,即用戶終端的方位。通過此方法,用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。

　　3 智能天線在3G中的應(yīng)用

　　智能天線技術(shù)在3G中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個方面，即基站的收和發(fā)，具體而言就是上行收與下行發(fā)。

　　智能天線的上行收技術(shù)研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自適應(yīng)方式和基于預(yù)波束的波束切換方式。在自適應(yīng)方式中，可根據(jù)一定的自適應(yīng)算法，對空、時域處理的各組權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行最大限度的匹配，從而實(shí)現(xiàn)任意指向波束的自適應(yīng)接收。全自適應(yīng)方式在理論研究中具有很大的實(shí)用價值。但在實(shí)際工程中，由于全自適應(yīng)算法的計(jì)算量大等因素而很不實(shí)用。在工程設(shè)計(jì)時，更感興趣的是基于預(yù)波束的波束切換方式。因?yàn)椴ㄊ�切換中的各權(quán)值系數(shù)只能從預(yù)先計(jì)算好的幾組中挑選，因此計(jì)算量、收斂速度等方面較全自適應(yīng)方式有優(yōu)勢。然而在這種方式下由于智能天線的工作模式只能從預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾個波束中選擇，因而它不能完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性的任意指向，在理論上只是準(zhǔn)最優(yōu)的。

　　實(shí)現(xiàn)基站智能天線下行發(fā)難度相對較大，這主要因?yàn)橹悄芴炀�在設(shè)計(jì)波束時很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息。目前在這方面主要有下述兩種方案：a. 利用類似第二代移動通信的IS-95中的上行功率控制技術(shù)，形成閉環(huán)反饋測試結(jié)構(gòu)形式，也就是說基站通過正向鏈路周期性地向移動臺發(fā)射訓(xùn)練序列，而移動臺通過反向鏈路反饋信號，從而估計(jì)最佳正向鏈路加權(quán)系數(shù);b. 利用上行信道信息估計(jì)下行信道。對于FDD方式，由于上下行頻率間隔相差90 MHz，衰落特性完全獨(dú)立因而不能使用。但對TDD方式，只要上下行的幀長較短完全可以實(shí)現(xiàn)。

　　4 智能天線的未來展望

　　4.1目前還沒有一個完整的通信理論能夠較全面地將智能天線的所有課題有機(jī)地聯(lián)系起來,故需要建立一套較完整的智能天線理論;另一方面,高效、快速的智能算法也將是智能天線走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。

　　4.2采用高速DSP技術(shù),將原先的射頻信號轉(zhuǎn)移到基帶進(jìn)行處理。基帶處理過程是數(shù)字算法的硬件實(shí)現(xiàn)過程。

　　4.3由于圓形布陣和二維任意布陣比等間隔線陣優(yōu)越,同時陣列天線的數(shù)字合成算法能夠用于任意形式陣列天線而形成任意圖案的方向圖,因而可考慮在CDMA基站中采用二維任意布陣的智能天線。

　　4.4在移動臺中(如手機(jī))采用智能天線技術(shù)。

　　4.5采用智能天線技術(shù)來改善移動通信信道中上下鏈路不能使用同一套權(quán)值的問題,以改善上下鏈路的性能。

　　4.6目前,智能天線技術(shù)的研究已不是單一地研究智能天線本身,應(yīng)與CDMA的一些關(guān)鍵技術(shù)(如多用戶檢測技術(shù)、多用戶接收技術(shù)、功率控制等)結(jié)合在一起研究。

　　5 結(jié)束語

　　智能天線是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。它涉及到天線技術(shù)、無線電傳播技術(shù)、信號檢測與處理等多學(xué)科。智能天線已從單一的軍事應(yīng)用步入民用通信領(lǐng)域。由于CDMA移動通信系統(tǒng)技術(shù)相對于FDMA、TDMA系統(tǒng)具有較大的容量,且由于智能天線可以降低多徑干擾、多址干擾等因素,這使得智能天線技術(shù)成為當(dāng)前移動通信的研究熱點(diǎn)。