移动通信中智能天线的原理及应用
1 前言
天线在移动通信中有效地实现了收发信机和电磁波传播空间之间的能量传递，是不可缺少的组成部分。而随着科学技术发展和进步，通信对器件、 部件的要求也越来越高， 智能天线变应运而生。智能天线是一种安装于基站的双向天线，它通过一组带可编程电子相位的固定天线单元获取针对覆盖的方向，同时能够获取基站和手机之间各链路的方向特性，利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。随着4G技术的发展，智能天线技术更是成为移动通信系统研究中的热点。
2 智能天线的基本原理及实现
智能天线通常包括多波束智能天线（Switched Beam Antenna）和自适应阵智能天线（Adaptive Array Antenna）。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理，天线阵收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。
多波束天线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。随着用户在小区中的移动，基站相应选择不同的波束，使接收信号最强。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。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。该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。自适应天线阵列中，各天线元的放置形式可有多种，相邻天线元间距为一特定值。在接收信号到达天线阵时，每个阵元上的信号经过不同的加权，然后再叠加产生一个输出信号，加权系数和叠加可以根据不同的准则。
为了使智能天线具有良好性能，应根据具体的电波传播环境，选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力，提高系统性能。
3 智能天线的优点
智能天线可以从以下几个方面明显改善无线通信系统的性能，提高系统的容量：
提高频谱利用率。采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，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。
迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。
抑制干扰信号。智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA（direction of arrinal），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统，信干比的提高还意味着系统容量的提高。
抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落，由于移动用户与基站的相对运动，每条多径都会有一个明显的频率移动，一起时间选择性衰落，即信号幅度随着时间变化，失真比较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线可用分集技术，减少衰落。
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。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。
4 智能天线在现代通信中的应用
（1）用于FDMA系统
据研究，与通常的三扇区基站相比，C/I值平均提高约8dB，大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由7改善为4，增加了系统容量。在网络优化时，采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。
（2）用于TDMA系统
无线能量在时间和空间上都受到限制，智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究，用4个30°天线代替传统的120°天线，C /I可提高6dB，提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下，提高频率复用系数，增加了系统容量。
（3）用于CDMA系统
在CDMA系统中，智能天线可进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区；通过智能天线灵活的辐射模式和定向性，可进行软/更软切换控制；智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，提高系统性能。
（4）用于无线本地环路系统
在无线本地环路系统中，基站对收到的上行信号进行处理，获得该信号的空间特征矢量，进行上行波束赋形，达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式，可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号，实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益，改善了接收灵敏度和基站发射功率，扩大了通信距离，并在一定程度上减少了多径传播的影响。
（5）用于DECT、PHS等系统
DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时，采用和评估了多种自适应算法，并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明，采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发，我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”，期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限，需要建立很多基站，若采用智能天线技术，则可降低成本。
（6）用于第三代移动通信
采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。在第三代移动通信系统中，我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。
5 结束语
智能天线的优越性在于自身可以分析到达无线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会，提高频率的利用率，改善系统性能。智能天线体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用，具有很大的发展潜力 。
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