智能天線技術的發(fā)展與應用

移動通信迅速發(fā)展給系統(tǒng)帶來的容量壓力，使得如何高效率的利用無線頻譜受到了廣泛的重視，智能天線技術被認為是目前進一步提高頻譜利用率的最有效的方法之一。本文首先介紹了智能天線的概念，以及它在提高無線系統(tǒng)能力（容量、覆蓋和新業(yè)務等）方面的應用價值。在此基礎上，文章的第二部分對智能天線的工作原理和技術的發(fā)展情況進行了描述。由于目前3G是我國在通信系統(tǒng)應用研究方面的重點，因此本文的后續(xù)部分對智能天線技術在3G各種通信制式中的應用進行了重點討論。除了TD-SCDMA已經(jīng)將智能天線的應用列入標準化以外，文章中引用了一些在FDD情況下應用智能天線的研究和現(xiàn)場試驗結(jié)果，說明了該技術在WCDMA和cdma2000的應用前景。

2 智能天線簡介

隨著移動通信的迅速發(fā)展，越來越多的業(yè)務將通過無線電波的方式來進行，有限的頻譜資源面對著越來越高的容量需求的壓力。對于第二代移動通信系統(tǒng)GSM，在我國的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)了容量供應困難的現(xiàn)象，小區(qū)蜂窩的半徑已經(jīng)很小，而目前作為應用研究重點的3G以及它的業(yè)務模式無疑將對網(wǎng)絡容量有更高的要求。高速的數(shù)據(jù)業(yè)務將作為3G網(wǎng)絡服務的一個主要特點，這使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在3G系統(tǒng)中實現(xiàn)與第二代系統(tǒng)明顯的差別服務，充分體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務能力上的優(yōu)勢，網(wǎng)絡容量將是網(wǎng)絡的運營者必須重點考慮的問題。就目前的情況而言，智能天線技術將是提高網(wǎng)絡容量最有效的方法之一，尤其對于3G中以自干擾為主要干擾形式的通信系統(tǒng)。

天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號情況實時進行自適應變化的天線稱為智能天線。與普通天線以射頻部分為主不同，智能天線包括射頻部分以及信號處理和控制部分。同時，由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對于智能天線的研究主要集中在基站側(cè)，我們下面討論的智能天線也指的是在基站上的應用。

目前，基站普遍使用的是全向天線或者扇區(qū)天線，這些天線具有固定的天線方向圖形式，而智能天線將具有根據(jù)信號情況實時變化的方向圖特性（見圖1）。

如圖1所示，在使用扇區(qū)天線的系統(tǒng)中，對于在同一扇區(qū)中的終端，基站使用相同的方向圖特性進行通信，這時系統(tǒng)依靠頻率、時間和碼字的不同來避免相互間的干擾。而在使用智能天線的系統(tǒng)中，系統(tǒng)將能夠以更小的刻度區(qū)別用戶位置的不同，并且形成有針對性的方向圖，由此最大化有用信號、最小化干擾信號，在頻率、時間和碼字的基礎上，提高了系統(tǒng)從空間上區(qū)別用戶的能力。這相當于在頻率和時間的基礎上擴展了一個新的維度，能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量以及與之相關的其它方面的能力（例如覆蓋、獲取用戶位置信息等）。

3 智能天線的工作原理與發(fā)展情況

天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關系，對于全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個元素的加權參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實時地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應的方向圖的設備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的主瓣對準有用信號，而在其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。圖2為一個智能天線結(jié)構(gòu)的示例圖。

智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據(jù)得到的關于通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。

由于移動通信中無線信號的復雜性，所以這種根據(jù)通信情況實時調(diào)整天線特性的工作方式對算法的準確程度、運算量以及能夠?qū)崟r完成運算的硬件設備都有很高的要求。這決定了智能天線的發(fā)展是一個分階段的、逐步完善的過程，目前通常將這種過程分為以下三個階段（見圖3）：                  

●第一階段：開關波束轉(zhuǎn)換。在天線端預先定義一些波瓣較窄的波束，根據(jù)信號的來波方向?qū)崟r確定發(fā)送和接收所使用的波束，達到將最大天線增益方向?qū)视行盘枺档桶l(fā)送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區(qū)天線和智能天線之間，實現(xiàn)運算較為簡單，但是性能也比較有限。

●第二階段：自適應（最強）信號方向。根據(jù)接收信號的最強到達方向，自適應地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，形成對準該方向的接收和發(fā)送天線方向圖。這是動態(tài)自適應波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開關波束轉(zhuǎn)換，同時算法也較為復雜，但是還未達到最優(yōu)的狀態(tài)。

●第三階段：自適應最佳通信方式。根據(jù)得到的通信情況的信息，實時地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，自適應地形成最大化有用信號、最小化干擾信號的天線特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提高系統(tǒng)無線頻譜的利用率。但是其算法復雜，實時運算量大，同時還需要進一步探尋各種實際情況下的最佳算法。

目前，對于智能天線的應用主要集中在第二階段附近，并且由于移動通信的迅速發(fā)展，使得智能天線技術在包括3G的應用中受到廣泛的重視，解決智能天線在實際應用中的各種問題，以及尋求更加“智能”的自適應算法和實現(xiàn)方案是目前工作的重點和主要內(nèi)容。下面我們討論智能天線技術在3G各個通信標準中的應用前景，以及相關的試驗參考結(jié)果。

4 智能天線在3G中的應用前景

3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同的用戶，因此接收端各個信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統(tǒng)中的時隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時，在理論分析的基礎上，大量的仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果也證明了：在3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這一對矛盾的基礎上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已經(jīng)得到共識，成為3G網(wǎng)絡規(guī)劃和運營的主要特點。

在業(yè)務特性上，3G以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務、視頻電話和能力得到增強的增值業(yè)務作為其對2G系統(tǒng)形成服務優(yōu)勢的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡流量。但是與2G系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務能力上的優(yōu)勢，必須使用新技術使頻譜利用率得到質(zhì)的提高，智能天線技術正是目前被認為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標的最有效的方法之一。它通過增加系統(tǒng)SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對空中無線頻譜資源的利用能力。

我國提出的TD-SCDMA標準，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時隙間隔相互交錯的上下行信道之間具有較強的相關性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對下行信道的發(fā)送特性進行準確的調(diào)整，因此TD-SCDMA成為3G標準中最方便于使用智能天線的一個技術，并且已經(jīng)進行了標準化，將智能天線作為其主要的關鍵技術之一。另外，對于3G中使用FDD方式的WCDMA和cdma2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差（在我國的3G頻率劃分中，主要工作頻段上下行的頻差為190MHz），因此上下行信道之間的相關性較弱，加上城區(qū)中復雜的無線傳播環(huán)境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行鏈路理想的發(fā)送方案是比較困難的，對算法的復雜度也有更高的要求。但是由于對系統(tǒng)性能改善方面的重要作用，所以關于FDD系統(tǒng)中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。

在英國進行的TSUNAMI Ⅱ項目，在DCS1800系統(tǒng)的基礎上，通過使用8副各自由8個元素構(gòu)成的天線陣列對智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡中的性能情況進行了現(xiàn)場試驗，對各種自適應算法進行了比較，并且發(fā)布了如下的一些試驗結(jié)果：

（1）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，當信號到達方向相差10度以上的時候，通過使用智能天線，系統(tǒng)獲得了達到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%；

（2）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，通過使用8元素的智能天線，系統(tǒng)容量增加了300%；

（3）微蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大部分自適應算法也能夠取得相當?shù)男阅茉鲆妗Ｐ枰獙ξ⒎涓C的情況進行更深入的研究。

在此之后的SUNBEAM項目把在DCS1800系統(tǒng)上的試驗結(jié)果進行了擴展，對智能天線在3G WCDMA中的應用進行了研究；與此同時，在美國、日本和韓國等地方也報告了關于智能天線性能的相關試驗和研究結(jié)果。

5 結(jié)束語

移動通信用戶量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡容量成為網(wǎng)絡建設，尤其是未來3G網(wǎng)絡建設中需要重點考慮的問題。單純地依靠增加基站（使用微蜂窩增加頻率的復用度），無論從成本和性能表現(xiàn)方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線技術的引入，將通過增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統(tǒng)對于無線頻譜的利用率。與其它所有的先進技術一樣，智能天線技術的發(fā)展也是一個伴隨著算法研究和硬件升級的循序漸進的過程。由于對其重要作用的認識，近年來在世界范圍內(nèi)開展了大量的研究和試驗工作，取得了豐碩的成果，目前基本上已經(jīng)開始了實際的應用階段，實際使用中的各種問題也在逐步得到解決。當前，我國正在對下一代移動通信系統(tǒng)的實際應用能力進行大規(guī)模的研究和試驗，智能天線技術無疑也將成為討論的熱點之一，希望本文能夠為相關方面的工作和研究人員提供一定的參考