近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，智能天線的作用越來(lái)越凸顯。本文主要介紹了智能天線技術(shù)的原理，及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用以及智能通信技術(shù)未來(lái)的展望。

　　《通信與信息技術(shù)》以報(bào)道現(xiàn)代通信電源技術(shù)及電源領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品為宗旨，向通信應(yīng)用工程技術(shù)人員提供技術(shù)支持為目的，滿足通信領(lǐng)域人員需求。

　　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(hào)后,通過(guò)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(hào),判斷信號(hào)及干擾到達(dá)的方位角度,將計(jì)算分析所得的信號(hào)作為天線陣元的激勵(lì)信號(hào),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(gè)獨(dú)立的波束,自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖,跟蹤信號(hào)變化,對(duì)干擾方向調(diào)零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號(hào)的載干比,改善無(wú)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(hào)。這樣既充分利用信號(hào)發(fā)射功率,又可降低發(fā)射信號(hào)帶來(lái)的電磁干擾。智能天線引入空分多址(SDMA)方式,根據(jù)信號(hào)的空間傳播方向不同,區(qū)分用戶。

　　2 智能天線在移動(dòng)通信中的用途

　　2.1 抗衰落。在陸地移動(dòng)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(dòng)臺(tái)移動(dòng)及環(huán)境變化，信號(hào)瞬時(shí)值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，成信號(hào)衰落。采用全向天線接收所有方向的信號(hào)，或采用定向天線接收某個(gè)固定方向的信號(hào)，都會(huì)因衰落使信號(hào)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(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集、減少衰落。電波通過(guò)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(kāi)，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(gè)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(dòng)臺(tái)對(duì)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(wú)線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)"權(quán)值",其調(diào)整方式與具有時(shí)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(dòng)對(duì)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。

　　未來(lái)的智能天線應(yīng)能允許任一無(wú)線信道與任一波束配對(duì),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(wú)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(guó)正考慮大規(guī)模引入CDMA移動(dòng)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(wèn)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(huì)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(dòng)臺(tái)定位。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),如果增加定位業(yè)務(wù),則可隨時(shí)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(kāi)發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。

　　在陸地移動(dòng)通信中,如果基站采用智能天線陣,一旦收到信號(hào),即對(duì)每個(gè)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(hào)的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向,即用戶終端的方位。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。

　　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(gè)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(duì)空、時(shí)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(jià)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(shí)，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(shì)。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(gè)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(duì)較大，這主要因?yàn)橹悄芴炀�在設(shè)計(jì)波束時(shí)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(dòng)通信的IS-95中的上行功率控制技術(shù)，形成閉環(huán)反饋測(cè)試結(jié)構(gòu)形式，也就是說(shuō)基站通過(guò)正向鏈路周期性地向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射訓(xùn)練序列，而移動(dòng)臺(tái)通過(guò)反向鏈路反饋信號(hào)，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(duì)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(duì)TDD方式，只要上下行的幀長(zhǎng)較短完全可以實(shí)現(xiàn)。

　　4 智能天線的未來(lái)展望

　　4.1目前還沒(méi)有一個(gè)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(lái),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(hào)轉(zhuǎn)移到基帶進(jìn)行處理。基帶處理過(guò)程是數(shù)字算法的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)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(shí)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(dòng)臺(tái)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(lái)改善移動(dòng)通信信道中上下鏈路不能使用同一套權(quán)值的問(wèn)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(cè)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(yǔ)

　　智能天線是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。它涉及到天線技術(shù)、無(wú)線電傳播技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)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(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)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(dòng)通信的研究熱點(diǎn)。