智能天線論文發表期刊推薦國家級期刊《通信技術》，《通信技術》1967年創刊，辦刊時間已逾40多年。是由中華人民共和國工業和信息化部主管、中國電子科技集團公司第三十研究所主辦。國內創辦時間長、影 響大的計算機專業媒體。國內外公開發行，國內統一刊號CN51-1167/TN，國際標準刊號ISSN1002-0802。

　　摘要：移動通信迅速發展給系統帶來的容量壓力，使得如何高效率的利用無線頻譜受到了廣泛的重視，智能天線技術被認為是目前進一步提高頻譜利用率的最有效的方法之一。本文首先介紹了智能天線的定義、關鍵技術及與以往天線的對比信息，進而提出了智能天線未來的發展方向。

　　關鍵詞：智能天線,關鍵技術,移動通信

　　一、智能天線的組成和關鍵技術

　　智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數據采集、信息處理3部分。在移動通信系統中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線 陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關鍵。天線單元不僅要達到本身的性能指標,還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點。目前微帶天線使 用較多。

　　接收通道及數據采集部分主要完成信號的高頻放大、變頻和A/D轉換,以形成數字信號。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對高射頻信號和微波信號進行采樣,必須對信號進行下變頻處理,降低采樣速率。

　　信息處理部分是智能天線的核心部分,主要完成超分辨率陣列處理和數字波束形成兩方面的功能。進行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號的參數, 這些參數主要包括信號的數目、信號的來向、信號的調制方式及射頻頻率等,其中信號的來向對于實現空分多址和自適應抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率 測向算法中,MUSIC算法及其改進算法一直占據主導地位,它不受天線陣排陣方式的影響,只需經過一維搜索就能實現對信號來向的無偏估計,并且估計的方差 接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法來解決移動通信中的測向問題也得到了廣泛的研究。數字波束形成主要通過調整加權系數來達到增強有用信號和抑制干 擾的作用,它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據所需先驗知識的不同,目前的波束形成算法主要有3類:以信號來向為先驗知識,如LCMV算法;以參考 信號為先驗知識,包括LMS算法及其改進算法NLMS、RLS等;不需要任何先驗知識,如CMA算法。由于移動通信環境復雜,各種算法也有各自的優缺點, 因此系統中必須對多種算法取長補短,才能達到最佳效果。

　　二、智能天線與若干空域處理技術的比較

　　為了進一步理解智能天線的概念,我們把智能天線和相關傳統空域處理技術加以比較。

　　2.1智能天線與自適應天線的比較。智能天線（圖1）與自適應天線（圖2）并沒有本質上的區別,只是由于應用場合不同而具有顯著的差異。自適應 天線主要應用于雷達系統的干擾抵消,一般地,雷達接收到的干擾信號具有很強的功率電平,并且干擾源數目比天線陣列單元數少或相當。而在無線通信系統中,由 于多徑傳播效應到達天線陣列的干擾數目遠大于天線陣列單元數,入射角呈現隨機分布,功率電平也有很大的動態變化范圍,此時的天線叫智能天線。對自適應天線 而言,只需對入射干擾信號進行抵消以獲得信干噪比(SINR,SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。對智能 天線而言,由于到達陣列的多徑信號的入射角和功率電平均數是隨機變化的,所以獲得的是統計意義上的信干噪比(SINR)的最大化。

　　2.2智能天線與空間分集技術的比較。空間分集是無線通信系統中常用的抗多徑衰落方案。M單元智能天線也可等效為由M個空間耦合器按優化合并準 則構成的空間分集陣列。因此可以認為智能天線是傳統分集接收的進一步發展。但是智能天線與空間分集技術卻是有顯著的差別的。首先空間分集利用了陣列天線中 不同陣元耦合得到的空間信號的弱相關性,也即是不同路徑的多徑信號的弱相關性。而智能天線則是對所有陣元接收的信號進行加權合并來形成空間濾波。一個根本 性的區別:智能天線陣列結構的間距小于一個波長(一般取λ/2),而空間分集陣列的間距可以為數個波長。

　　2.3智能天線與小區扇區化的比較。小區的扇區化可以認為是一種簡化的、固定的預分配智能天線系統。智能天線則是動態地、自適應優化的扇區化技 術。現在,我們來討論一個頗有爭議的問題。根據IS-95建議,當采用120°扇區時系統容量將增加3倍。由此是否可以得到結論,扇區化波束越窄系統容量 提高越大。考慮到實際的電磁環境,我們認為對這一問題的回答是否定的。這是因為窄波束接收到的信號往往是由許多相關性較強的多徑信號構成的。一般情況下, 各徑信號的時延擴展小于一個chip周期。這時信號波形易于產生畸變從而降低信號的質量達不到增加系統容量的目的。同時如果采用過窄的波束接收信號,一旦 該徑信號受到嚴重的衰落,則將直接導致通信的中斷。另外,過窄的接收波束在工程上是難以實現的,并將成倍地增加設備的復雜度。

　　三、智能天線的優點及應用

　　智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益。因此，智能天線系統的應用可以帶來如下好處：

　　在通信網中通信覆蓋距離取決于發射功率、接收靈敏度、傳輸損耗、天線增益。在基站，手機發射功率和接收靈敏度不變的情況下，通過提高基站天線在 通信方向的增益，增加通信覆蓋距離。在建網初期，小區內用戶不多，使用智能天線能擴展通信距離，擴大小區半徑，減少基站的數目，也減少了無線系統安裝初期 的建設費用。隨著用戶的增加，進行小區分裂減少基站的覆蓋范圍后，因為智能天線的應用可以提高載干比，降低用戶的發射功率，降低系統的干擾。另一方面，由 于降低干擾可以更加頻繁的重復使用頻率，又可以提高系統的容量。無線信道中的多徑，能導致衰落和時間擴散，智能天線可以分離來自不同方向的多徑信號，通過 RAKE接收技術提取有用信號，然后將其疊加，不但減輕了多徑的影響，甚至可以利用多徑所固有的分集效應改善鏈路的質量。CDMA系統有嚴格的功率控制要 求，對用戶的地面分布特別敏感。智能天線能夠分離不同的上行信號，以降低對功率控制的要求，并且能夠實時調整方向，從而緩解用戶地理分布不均的矛盾。

　　近年來，無線本地環路WLL(WirelessLocalLoop)的蓬勃發展使人們對智能天線刮目相看，它的無線基礎設施安裝方便、價格低 廉。WLL系統是為固定用戶服務而不是為移動用戶服務的，它的目的是為居民和商業用戶提供有線質量的語音和數據業務。采用CDMA和智能天線技術的新興的 WLL系統可以提高覆蓋距離，增加可靠性和增大容量。智能天線使CDMA系統更有效的利用無線頻譜，為業務密集的區域及無線寬帶接入提供了高度的靈活性。 第三代移動通信系統的標準之一，中國的TD—SCDMA初步實現環形8陣元自適應天線。

　　四、智能天線面臨的挑戰和發展方向

　　智能天線系統在改善性能的同時,也增加了收發機的復雜度。因為要對每個用戶進行定位,并且波束形成的計算量很大,所以智能天線系統中有多個計算 單元和控制單元。在實施SMDA時,資源管理也成為一個必須關注的問題。作為一種新的多址方式,在頻譜分配和移動性管理上也提出了新的問題,將會對網絡管 理提出更多的需求。此外,目前智能天線的物理尺寸較大,不利于構建更小的基站。

　　智能天線形成下行波束較為困難,因為對下行鏈路的信道響應缺少短時先驗知識,而無線信道的信道狀況變化極快,使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號 的變化。接收和發送鏈路中器件的線性特性對系統的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運算量很大,對器件、時間和功率的要求比較高, 因此研究高效的優化算法對提高系統的性能至關重要。

　　到目前為止,還沒有一個完整的智能天線系統理論,而智能天線今后的研究必須同一些相關技術聯系,如與多用戶檢測、多用戶接收和功率控制等結合在 一起。目前的智能天線多用于基站系統,今后還可以研究基于移動臺的智能天線。在信號處理部分,目前多采用自適應信號處理算法,尚未將人工智能方法應用于其 中,同時還可嘗試將智能計算的一些方法,如人工神經網絡、模糊技術和進化計算等用于智能天線系統中。

　　四、結語

　　智能天線技術的發展步伐日益加快，應用前景日益廣闊是不爭的事實。智能天線技術對通信系統所帶來的優勢是目前任何技術所難以替代的，因此注重智能天線的研究開發運用是非常必要且有現實意義的。