摘要: 智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。文章对天线的基本概念、关键技术、系统性能的改善及国外研究状况等进行了阐述,指出了研究过程中存在的问题及发展方向。 关键词：智能天线 移动通信 空分多址
1 引言
在移动通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域，近年内，几乎所有先进的移动通信系统都将采用此技术。智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。
2 智能天线的基本概念
智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列，最初广泛应用于雷达、声纳和军事通信领域。近年来，由于数字信号处理技术的迅速发展、IC处理速度的提高和价格的普及，使 其在商用无线通信系统中的应用可能性大幅提高。智能天线主要由天线阵、波束形成单元和自适应控制单元三部分组成。其中天线阵列是收发射频信号的辐射单元，常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。波束形成单元则将来自每个单元天线的空间感应信号加权相加，其中的权系数为复数。自适应控制单元是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定算法和优化准则，主动适应周围电磁环境的变化。它利用数字信号处理技术，通过满足某一准则的算法来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态地产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪用户信号的到达方向，旁瓣或零辐射方向对准干扰信号的到达方向，进而达到抑制干扰信号，提高所需信号信噪比的目的。
3 智能天线的结构与原理
智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列, 利用数字信号处理技术, 产生空间定向波束, 使天线主波束对准期望用户信号到达方向, 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向从而达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。智能天线类似一个空间滤波器,发射机把高增益天线波束对准通中的接机, 这样既可增大通信距离, 又可减少对其他方向上接收机的干扰。接收机把高增益天线对准通信中的发射机,可增大接收信号的强度, 同时把零点对
准其他干扰信号的入射方向,可滤除同道干扰和多址干扰, 从而提高接收信号的载干比。智能天线利用了天线阵列中各单元间的位置关系, 即利用了信号间的相位关系。这是与传统分集技术的本质区别, 现有的频分多址FDMA, 时分多址TDMA 和码分多址CDMA, 分别在频域、时域和码组上实现用户的多址接入, 而智能天线采用了第四维多址, 空分多址SDMA 技术。
4 智能天线的优势
4.1 实现移动台的定位
当采用智能天线系统后, 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, 继而将用户终端定位在一个较小的区域, 由于目前的第二代移动通信系统能确定移动台处于哪个小区, 因而移动台定位的实现就可以推出许多与位置有关的新业务, 继而提高运营商的竞争力。
4.2 抗衰落, 抗干扰
移动通信的一个主要问题是信号的衰落, 普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较
大。采用智能天线控制接受方向, 自适应地构成波束的方向性, 降低信号衰落的影响, 采用智能天线还可以增加分集增益, 这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度, 或增加了发射机的等效各向同性辐射功率。由智能天线的工作原理图可知, 信号的接收是有方向性的, 能够对接收方向以外的信号进行抑制, 有效降低了系统的干扰。
4.3 提高通信系统质量
智能天线可以从多方面来提高通信系统的通信质量。多径传播使接收信号产生时延扩展和多径衰落, 时延扩展引起码间串扰(ISI), 限制了数据传输率。多径衰落使接收信号的信噪比(SNR)恶化。由于能够在某一特定方向形成高增益波束而在其它方向形成波束零点低噪音风机箱, 因此可以抗衰落, 提高质量。
5、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1所示。
图1 软件无线电实现智能天线系统示意图
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 。
6、智能天线在移动通信中的应用
在实际的移动通信信道传输环境中，干扰和多径衰落现象异常复杂，智能天线的使用能有效改善系统的性能，扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰和电磁环境污染等。由于智能天线技术是物理层技术，不会影响系统的高层协议，因此，它适用于各种无线接口，在现有和未来的移动通信系统中将发挥越来越大的作用。
7 智能天线在TD -S C D M A 中的应用
TD- SCDMA 中智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性而获得,
同时, 智能天线不仅可以减小小区间干扰, 也可以减小小区内干扰。刘保善TD- SCDMA 系统采用的智能天线, 阵列是由8 个天线单元组成圆形阵列, 捕虾机电路图直径为25cm, 各阵元间距为半个载波波长, 同全方向天线相比, 它可以获得较大的增益, 其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励, 利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图, 使用DSP 数字信号处理器, 使主瓣自适应地指向移动台方向, 就可达到提高信号的载干比, 降低发射功率等目的。
由于每个用户在小区中的位置不同, 因此一方面要求天线具有多向性, 另一方面则要求在每一个独立方向上, 性蚀系统都能跟踪个别用户, 四头精雕机通过DSP控制用户的方向测量即可实现, TD- SCDMA 系统中, 无线子帧的长度是5ms, 在移动台的移动速度不超过120km/h 的情况下,移动台在5ms 的位置变化在2GHz 频段小于一个波长, 这时上行链路与下行链路的信道特性虽然存在偏差, 但很小, 利用上行获得的波束信息来做下行的波束成形仍然能够正常工作。同时, TD- SCDMA 系统还有一个优势, 即用户信号的发送和接收都在相同的频段上, 因此两个链路的传输条件是相同的暖气炉, 使得智能天线能将小区间干扰降至最低, 使系统有最佳性能。
8 结束语
智能天线技术近年来备受关注, 未来的第四代移动通信已经把智能天线技术作为关键技术之一, 智能天线技术带给移动通信系统的优势是其他技术都难以取代的, 但是也存在着问题, 比如智能天线的实时自动校准和波束成型的速度问题以及由于智能天线的引入带来的设备复杂性问题等。到目前为止, 智能天线技术还没有完全成熟, 智能天线技术本身也在发展进步, 并不断和其他信号与信息处理技术互相结合, 相信在未来智能天线技术必将发挥它巨大的潜力和优势!
参考文献
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