智能天线技术的用途与技术应用

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。智能天线是一个天线阵列，它由N个天线单元组成。每个天线单元有M套加权器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N。根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：

自适应方向图智能天线它采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称为空间滤波器。虽然这主要是靠天线的方向特性，但它是从信号干扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的直接联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题。自适应天线自出现以来，已有30多年。大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上;第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗。与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。

固定形状方向图智能天线固定形状方向图智能天线在工作时，天线方向图形状基本不变。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。固定形状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。近年来，一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。Bigler等人的实验表明，在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满足固定形状波束智能天线工程需要的，实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感，各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境(城巿、农村、商业区、楼内)进行了分析，给出了对应的模型。在美国的Boston地区，New Jersey的高速公路，德国的Munich地区等进行了大量的测试。结果表明，在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少。采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应，这也是研究的热点之一。

采用软件无线电实现智能天线智能天线需根据通信系统的传输特性和环境，选用不同的算法来调整波束，甚至改变系统的资源管理状态，为提高其运用弹性和灵活度，采用软件无线电(SDR)实现智能天线已成为主流趋势。软件无线电采用开放式架构，以硬件作为其通用的基本平台，通过软件完成功能性的重组，以满足不同环境、多模式、多功能的通信要求，同时具备可适应性信号处理、组件可程序化的能力。在此概念下，利用软件控制方式改变硬件特性的通信设备，均可视为软件无线电系统。软件无线电系统的发展方式类似于软件开发，系统中各个硬件组件模块可视为功能不同的对象(object)，根据呼叫的不同启动相应的执行程序，因此可直接通过下载程序代码的方式来置换对象，即可显现在同一硬件平台上，可适应性的调整应用架构，借以提高系统的运用弹性和扩充能力，提供高效率、高弹性、高适应性的处理能力。因为不对硬件组态进行任何改变，所以系统具有易维护、易应用的操作环境。鉴于未来无线通信系统的体制繁多，为使智能天线能配合系统进行平滑的技术演进，进而能更弹性地运用于多模系统中，软件无线电将是未来智能天线研制的重要系统架构。利用软件无线电实现智能天线系统示意如图所示。软件无线电系统由不同的硬件模块所构成，其中包括可组态通信系统模块、基频处理单元(含DSP及FPGA模块)、数字宽频收发单元(含模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC))、实时操作系统及智能天线单元等。运用软件无线电系统架构发展智能天线的最大挑战在于各种算法的建立。