南京邮电学院 王正旺 粱培峰
一． 引言
智能天线技术在20世纪60年代就开始发展，最初研究对象是雷达天线阵，目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而其真正的发展是在20世纪90年代初，以微计算机和数字信号处理技术为基础，其发展也是从雷达开始的。到20世纪90年代中，在美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。在1997年，北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统；美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。以上是最先商用化的智能天线系统。同时，在国内外众多大学和研究结构内也广泛研究了多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议并与2000年5月已被ITU批准为第三代移动通信国际标准之一CDMA TDD技术(低码片速率选项)，就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和支持。
二、智能天线概念及其分类
通常，智能天线技术将使用于无线通信系统中的无线基站。具有智能天线的TDD无线基站描述了一个具有智能的天线工作于TDD方式的CDMA基站的示意方框图。由此可见，和传统的、没有智能天线的基站比较，它在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分；而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。每个射频收发信机都有ADC和DAC，它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号，然后将待发射的数字信号转换为模拟基带信号，最后完成模拟信号和数字信号的相互转换。而所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。
智能天线是一个天线阵列。它由个天线单元组成，不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。每个天线单元有 套加权器，可以形成 个不同方向的波束，用户数 可以大于天线单元数 。人们研究智能天线的最初动机是在频谱资源日益拥挤的情况下考虑如何将自适应波束形成应用于蜂窝小区的基站（BS），以便能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，又称为空间滤波器，其基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号，在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。根据采用的天线方向图形状，可以将只能天线分为两类。
1．自适应方向图智能天线
自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送，它采用自适应算法，其方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上, 动态响应速度相对较慢。
自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。
2. 多波束智能天线
多波束天线多波束天线在工作时，天线方向图形状基本不变，其利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高，而且用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。
三、智能天线在移动通信系统中的应用
目前，移动通信系统中使用智能天线技术多是无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。根据上面的原理分析，移动通信系统中采用智能天线技术将带来以下的技术优势。
1．提高了基站接收机的灵敏度
如果采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号相对单个天线单元将增加 dB，其中， 为天线单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将由多径传播条件及上行波束赋形算法决定，其增加相对单个天线单元一般也为 dB左右。
2．提高了基站发射机的等效发射功率
同样，发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加 dB。其中， dB是 个发射机的效果，与波束成形算法和传播条件无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。
3．降低了系统的干扰，增加了CDMA系统的容量
基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，则可能将干扰降低 dB。众所周知，CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说，降低干扰对CDMA系统极为重要，降低干扰就可以大大增加CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，导致至少将CDMA系统容量增加一倍以上的可能性。
4．改进了小区的覆盖，并提高了频谱利用率。
对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形是根据可能需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化，非常方便。而且采用智能天线技术代替普通天线，提高了小区内频谱复用率，随着移动通信需求的日益增长，则可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。
5．降低了无线基站的成本
在无线基站设备中，高功率放大器(HPA)成本很高。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部分的成本。如上述，智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可以降低到单个功率放大器的1/N。这样，在智能天线系统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。
6．实现移动台定位。
采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。
四、结论
1． 移动通信业务需求增长迅速，采用智能天线技术将很好的提高移动通信特别是CDMA系统性能，改善服务，扩大系统容量、增大现有基站覆盖范围和提高频谱利用率，大大降低运营商成本。
2． 由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。 W－CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量,CDMA2000系统也正在研究采用智能天线技术。我国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例,从一定意义上，TD-SCDMA系统就是基于智能天线来设计的。目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一。
3． 智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。在使用智能天线时也必须结合使用其它基带数字信号处理技术，如联合检测、干扰抵消及Rake接收等等。
4．据资料介绍，智能天线技术不仅可以使用在TDD系统中，也完全可能使用到FDD系统中。世界上各国都在加紧对FDD系统中使用智能天线的技术进行研究，对使用智能天线的FDD基站样机进行开发，相信在移动通信技术发展中，智能天线有着美好的前景。
----《通信世界》
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