智能天线技术及其应用

  ９０年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点－智能天线（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａｓ）?智能天线应用广泛，它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。

  最初的智能天线技术大多数都用在雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片解决能力逐步的提升，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外，随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量发展要求的逐步的提升，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究之后发现，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。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域（ＴＤＭＡ）、频率域（ＦＤＭＡ）或码域（ＣＤＭＡ）而拓展到了空间域，属于空分多址（ＳＤＭＡ）体制。

  智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术?ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｅａｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和自适应空间数字处理技术（ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不代表一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分的利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。

  波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提升灵敏度，来提升通信容量和质量。

  为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。

  每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选不一样的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心，当使用的人是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能够实现最佳的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构相对比较简单和不需要判断用户信号方向（ ＤＯＡ） 的优势。大多数都用在模拟通信系统。

  融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术（ｓｐａｔｉａｌ

  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）能加强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。自适应天线是相邻的抽头之间的延迟，Ｗｎ．ｍ是ｎ天线第ｍ个抽头因子。每个天线后接一个延时抽头加权网，可自适应的调整加权系数。这样一来同时具有时域和空域处理能力。

  自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制管理系统，它用反馈操控方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，还能够使有用信号得到加强，进而达到抗干扰的目的。

  由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数。采用Ｍ个阵元自适应天线，理论上，自适应天线阵的价值是能产生（ Ｍ－１）倍天线ｌｇＭ的ＳＮＲ改善，消除扇形失真的影响，并且它的（Ｍ－１）倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量发展要求，移动台的发射功率可减小１０ｌｇＭ。这不但表明能延续移动台电池使用寿命或可采用体积更小的电池，也代表着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言，总功率被分配到Ｍ个阵元，又由于采用ＤＢＦ?Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ可以使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大幅度的降低，进而可使用低功率器件。 采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多径干扰的影响，从而使基站的接收信号的信噪比得到特别大程度的提高，降低了系统的误码率。