智能天线技术

随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效的解决这个问题。

智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统，能够在较大程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。但是由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。起源发展智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，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，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束的方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式，智能天线引入了第四维多址方式———空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高了移动通信系统的性能：⑴扩大系统的覆盖区域;⑵增加系统容量;⑶提高频谱利用效率;⑷降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。

天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆;对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况;在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成，如图所示。实际智能天线结构比图复杂，因为图中表示的是单个用户情况，假如在一个小区中有K个用户，则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用，其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套，共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户，剩下的K- 1 个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益.因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。

智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位。

⑴抗衰落采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减少信号衰落的影响。智能天线还可以用于分集，减少衰落。

⑵抗干扰高增益、窄波束智能天线阵用于WCDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。

⑶增加系统容量为了满足移动 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，用多波束板状天线代替普通天线。

⑷实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。