智能天线发展简史

智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列、多天线。智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息(比如传播方向)和跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线采用空分复用(SDMA)方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。早期应用集中于雷达和声呐信号处理领域，20世纪70年代后被引入军事通信中。随着移动通信技术的发展，阵列处理技术被引入到移动通信领域，很快就形成了智能天线的研究领域。在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为最活跃的研究领域之一，应用领域包括声音处理、跟踪扫描雷达、射电天文学、射电望远镜和3G手机网络。

早期研究早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。

日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年，研究人员已经指出基于最小均方误差(MMSE)准则的自适应天线能够减小多径衰落，因而可以用于高速移动通信应用中。自此，日本学者展开了大量的针对移动通信环境的智能天线研究，包括自适应处理算法、数字波束形成方案、WCDMA中的多址干扰抑制方法，以及基站和移动终端上分别适用的智能天线类型等。其中，较早的有日本邮政电信部通信研究实验室的智能天线系统和NTT-DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA体制的智能天线实验系统。前者工作于1.5 GHz，针对TDMA方式采用GMSK调制，数码率可达256 kbps。系统利用4阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落，权值更新采用恒模(CMA)算法在东京进行的实验表明：自适应天线技术在无线高速数据传输和存在选择衰落的情况下仍能很好地对消多径时延信号。后者则采用2D-RAKE接收机结合MMSE自适应波束形成算法进行处理。实验系统有3个小区基站用以评估切换和其他的网络功能。实验结果表明，就平均误码率(BER)而言，智能天线比空间分集有明显改善。此外，日本ATR光电通信研究所也研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在经过低噪声放大、下变频和模数变换后，进行快速傅氏变换(FFT)处理，形成正交波束后分别采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集(MRC)算法。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用最大比值合并算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。在此基础上，ATR的研究人员提出了基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素(如噪声、同信道干扰或符号间干扰)也不同，利用软件方法实现不同环境应用不同算法。比如当噪声是主要因素时，则使用多波束MRC算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA实现实时天线配景，完成智能处理。随后，ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨，最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合，在天线处实现了空间滤波。