智能天線技術(shù)的工作原理、特征和技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

智能天線（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域。

近年來(lái)，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價(jià)格的不斷下降，使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術(shù)開(kāi)始在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來(lái)幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

智能天線提高系統(tǒng)性能的原理

智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。

現(xiàn)在，簡(jiǎn)要地介紹一下智能天線如何克服無(wú)線通信中的時(shí)延擴(kuò)展和多徑衰落來(lái)提高系統(tǒng)的性能和容量。設(shè)天線陣列的不同天線元對(duì)信號(hào)施以不同的權(quán)值，然后相加，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。如果定義“天線增益”為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號(hào)功率的降低，“分集增益”為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低，那么一般來(lái)說(shuō)，M元的天線陣列可以提供M倍的天線增益加上一個(gè)分集增益，具體提高的值決定于天線陣元間的相關(guān)性。

首先我們考慮多波束天線。多波束天線是在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)放置多個(gè)天線來(lái)覆蓋整個(gè)扇區(qū)，每個(gè)天線只覆蓋一部分角度范圍。扇區(qū)天線的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，這樣在下行方向也可以獲得M倍的天線增益。但扇區(qū)天線由于其自身的構(gòu)成形式，有下面缺點(diǎn)：相鄰天線之間重疊的部分由于天線增益比較小，會(huì)有2dB的降低；當(dāng)由于多徑或干擾而錯(cuò)誤地鎖定天線波束時(shí)，多波束天線能提供的增益很小。

自適應(yīng)天線陣列中，各天線元的放置形式可有多種，相鄰天線元間距為一特定值。在接收信號(hào)到達(dá)天線陣時(shí)，每個(gè)陣元上的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的加權(quán)，然后再疊加產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，加權(quán)系數(shù)和疊加可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則。需要注意的是，自適應(yīng)天線的陣元必須具有相似的波束，而在多波束天線中則沒(méi)有這樣的要求。與多波束天線相似，一個(gè)M元自適應(yīng)天線陣可以提供M倍的天線增益，但它沒(méi)有波束之間部分重疊的缺點(diǎn)。M元自適應(yīng)天線陣列可以完全抑制N（N〈M）個(gè)干擾用戶，即使在N＞M時(shí)也可以獲得很大的增益。盡管自適應(yīng)天線較多波束天線有更多優(yōu)點(diǎn)，但自適應(yīng)天線計(jì)算加權(quán)系數(shù)的速度必須與衰落速率相當(dāng)才能跟蹤用戶（注意到3G中衰落速率將達(dá)到1000Hz）。然而，多波束天線波束之間的切換只要幾秒鐘一次即可。

自適應(yīng)天線陣列用在無(wú)線系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在視距（LOS）和非視距（NLOS）情況下的性能差異。在視距情況下，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、合并后產(chǎn)生一個(gè)天線圖案，它的主波束方向就指向目標(biāo)用戶，而在其它方向上抑制干擾用戶。此時(shí)，若天線陣元數(shù)大于到達(dá)的信號(hào)數(shù)，可以用信號(hào)處理中MUSIC、ESPRIT等現(xiàn)代譜估計(jì)算法來(lái)估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角度，這樣一個(gè)陣列至少可以在M－1個(gè)方向上形成方向圖零點(diǎn)。在非視距情況下，無(wú)線信號(hào)的到達(dá)經(jīng)由了多次反射和多個(gè)途徑（兩條不同路徑之間的相對(duì)時(shí)延大的必須作為兩條獨(dú)立的路徑）。自適應(yīng)天線在多徑環(huán)境的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能夠抑制干擾用戶而不管其到達(dá)的方向，也就是說(shuō)，即使干擾用戶和所有用戶只相距幾英寸，自適應(yīng)天線陣也能抑制干擾用戶。這是由于在多徑環(huán)境中天線周圍的物體就是一個(gè)巨大的反射天線，使得接收天線陣列能夠區(qū)分不同用戶的信號(hào)。特別是若接收陣元間距足夠大，陣列能夠形成比擴(kuò)展角度小的波束。能夠區(qū)分的信號(hào)數(shù)隨天線陣元數(shù)、角度擴(kuò)展，在擴(kuò)展角度內(nèi)多徑反射密度的增加而增加。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，多徑是一個(gè)有利的因素。但由于時(shí)延擴(kuò)展，自適應(yīng)天線把時(shí)延信號(hào)作為干擾信號(hào)而進(jìn)行抑制。M元的自適應(yīng)天線可以抑制M－1時(shí)延信號(hào)，這是一個(gè)很不利的因素。為了充分利用接收到的信號(hào)，我們可以在每個(gè)天線陣元上加一個(gè)時(shí)域的處理，比如自適應(yīng)均衡或RAKE接收，然后再進(jìn)行自適應(yīng)波束形成。天線波束的實(shí)現(xiàn)方式

智能天線對(duì)陣元接收信號(hào)加權(quán)處理形成天線波束，使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)方向，而在干擾信號(hào)方向形成天線方向圖零陷或較低的功率方向圖增益，達(dá)到抑制干擾的目的。根據(jù)天線波束形成的不同過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩類：組件空間處理方式與波束空間處理方式。其中，組件空間處理方式直接對(duì)陣元接收信號(hào)支路加權(quán)，調(diào)整信號(hào)振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向。在波束空間處理方式下，信號(hào)從陣元組件接收并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，需經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程（如FFT）得到相互正交的一組空間波束，再經(jīng)過(guò)波束選擇，根據(jù)需要取其中部分或全部波束來(lái)合成陣列輸出方向圖。因?yàn)橛脩粜盘?hào)往往深埋于噪聲信號(hào)與干擾信號(hào)中，不易得到陣元接收信號(hào)的最佳加權(quán)。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號(hào)最強(qiáng)的幾個(gè)波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號(hào)，在滿足陣列接收效果的前提下減少運(yùn)算量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度。波束賦型算法概況

智能天線技術(shù)研究的核心是波束賦型的算法。從是否需要參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的角度來(lái)劃分，這些算法可分為盲算法、半盲算法和非盲算法三類。非盲算法是指須借助參考信號(hào)的算法。由于發(fā)送時(shí)的參考信號(hào)是預(yù)先知道的，對(duì)接收到的參考信號(hào)進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準(zhǔn)則（如著名的迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值（也即算法模型的抽頭系數(shù)），以使輸出誤差盡量減小或穩(wěn)定在可預(yù)知的范圍內(nèi)。常用的準(zhǔn)則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和RLS（遞歸最小二乘）等等；而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法，最常見(jiàn)的就是最大梯度下降法。盲算法則無(wú)須發(fā)送參考信號(hào)或?qū)ьl信號(hào)，而是充分利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò)、子空間、有限符號(hào)集、循環(huán)平穩(wěn)等）來(lái)調(diào)整權(quán)值以使輸出誤差盡量小。常見(jiàn)的算法有常數(shù)模算法（CMA）、子空間算法、判決反饋算法等等。常數(shù)模算法利用了調(diào)制信號(hào)具有恒定的包絡(luò)這一特點(diǎn)，具體又分最小二乘CMA算法、解析CMA算法、多目標(biāo)LS－CMA算法等；子空間算法則將接收端包含有其它用戶干擾及信道噪聲的混合空間劃分為信號(hào)子空間和噪聲子空間，對(duì)信號(hào)子空間進(jìn)行處理；判決反饋算法則由收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)，通過(guò)多次的迭代，使智能天線輸出向最優(yōu)結(jié)果不斷逼近。非盲算法相對(duì)盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但發(fā)送參考信號(hào)浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)帶寬。為此，學(xué)者們又發(fā)展了半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻信息不是時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。智能天線的優(yōu)點(diǎn)

智能天線可以明顯改善無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面：

提高頻譜利用率。采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運(yùn)營(yíng)商成本。

迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。未來(lái)的智能天線應(yīng)能允許任一無(wú)線信道與任一波束配對(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量。

抑制干擾信號(hào)。智能天線對(duì)來(lái)自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過(guò)對(duì)各天線元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。

抗衰落。高頻無(wú)線通信的主要問(wèn)題是信號(hào)的衰落，普通全向天線或定向天線都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。

實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向。通過(guò)此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然手段。