智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用

滕碧紅

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，福建 龍巖364021）

在時(shí)域、頻域、碼域資源被充分挖掘之后，為了滿足無線通信系統(tǒng)容量進(jìn)一步擴(kuò)大的迫切需求，空域資源的開發(fā)自然地進(jìn)入人們的視線，智能天線技術(shù)、多天線技術(shù)等天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且成為各類通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 智能天線概述

1.1 智能天線的基本原理

智能天線是一種能夠根據(jù)所處的電磁環(huán)境來調(diào)節(jié)或選擇自身參數(shù)，從而使通信系統(tǒng)保持最佳性能的天線技術(shù)。智能天線技術(shù)是在陣列天線理論、微波和射頻技術(shù)、自動控制理論、自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、軟件無線電技術(shù)和集成電路技術(shù)等多個(gè)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展而成的一門新技術(shù)。［1］智能天線采用空分多址技術(shù)（SDMA），利用信號在傳輸方向上的差異，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。

1.2 智能天線的分類

根據(jù)智能天線工作原理的不同，智能天線可以分為：多波束智能天線和自適應(yīng)智能天線。

（1）多波束智能天線

多波束智能天線主要采用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此，也稱為波束轉(zhuǎn)換天線。它在對用戶區(qū)進(jìn)行分區(qū)（扇區(qū)）的基礎(chǔ)上，使天線的每個(gè)波束固定指向不同的分區(qū)，使用多個(gè)并行波束就能覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，從而形成了形狀基本不變的天線方向圖。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時(shí)，根據(jù)測量各個(gè)波束的信號強(qiáng)度來跟蹤移動用戶，并能在移動用戶移動時(shí)適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換波束，使接收信號最強(qiáng)，同時(shí)較好地抑制了干擾，提高了服務(wù)質(zhì)量?？梢哉f，多波束天線是介于扇形定向天線與自適應(yīng)智能天線之間的一種技術(shù)。

（2）自適應(yīng)智能天線

自適應(yīng)智能天線原名叫自適應(yīng)天線陣列，是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向（既可接收又可發(fā)送）天線。它基于自適應(yīng)天線原理，采用現(xiàn)代自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，通過選擇合適的自適應(yīng)算法，利用天線陣的波束賦形技術(shù)動態(tài)地形成多個(gè)獨(dú)立的高增益窄波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，同時(shí)旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，以增強(qiáng)有用信號、減少甚至抵消干擾信號，提高接收信號的載干比，同時(shí)增加系統(tǒng)的容量和頻譜效率［2］。從空分多址技術(shù)角度來說，它是利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號區(qū)分開來，從而最大限度地利用有限的信道資源，增加系統(tǒng)的容量和提高頻譜效率。

從雙向天線的角度來講，智能天線包括兩個(gè)重要組成部分：一是對來自移動臺發(fā)射的多徑電波方向進(jìn)行到達(dá)角估計(jì)，并進(jìn)行空間濾波，抑制其他移動臺的干擾。二是對基站發(fā)送信號進(jìn)行波束形成，使基站發(fā)送信號能夠沿著移動臺電波的到達(dá)方向發(fā)送回移動臺，從而降低發(fā)射功率，減少對其他移動臺的干擾。

1.3 智能天線在移動通信中的作用

（1）提高系統(tǒng)容量。智能天線采用了空分多址技術(shù)，利用空間方向的不同進(jìn)行信道的分割，在不同的信道中可以在同一時(shí)間使用同一種頻率而不會產(chǎn)生干擾，從而提高了系統(tǒng)容量。

（2）降低系統(tǒng)干擾。智能天線技術(shù)可以借助有用信號和干擾信號在入射角度的差異，選擇合適的天線接收模式，即將波束的主瓣對準(zhǔn)有用信號，波束的旁瓣或零陷對準(zhǔn)主要的干擾信號方向，從而更有效地抑制干擾。

（3）減小多徑效應(yīng)。在CDMA 系統(tǒng)中利用RAKE接收機(jī)可對時(shí)延差大于一個(gè)碼片的多徑信號進(jìn)行分離和相干合并，而借助于智能天線可以對時(shí)延不可分但角度可分的多徑信號進(jìn)一步分離，從而更有效地減小多徑效應(yīng)。

（4）擴(kuò)大覆蓋區(qū)域。由于智能天線有了自適應(yīng)的波束定向功能，因此與普通天線相比，在同等發(fā)射功率的條件下，采用智能天線技術(shù)的信號能夠傳送到更遠(yuǎn)的距離，從而增加了覆蓋范圍。

（5）降低系統(tǒng)建設(shè)成本。由于智能天線技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)較大增益，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)大覆蓋區(qū)域，因此基站的建設(shè)數(shù)量可以相對減少，降低了運(yùn)營商的建設(shè)成本。

（6）實(shí)現(xiàn)移動臺定位。智能天線的另一個(gè)用途是進(jìn)行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度。在陸地移動通信系統(tǒng)中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個(gè)天線單元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的精確方位。如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時(shí)確定持機(jī)者所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便，而且還可開發(fā)更多的增值業(yè)務(wù)。

2 智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）智能天線在FDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在FDMA系統(tǒng)中采用智能天線后，與傳統(tǒng)天線覆蓋的三扇區(qū)基站相比，載干比（C/I）值平均提高約8 dB，大大改善了基站覆蓋效果；頻率復(fù)用系數(shù)由7改善為4，減小了同頻復(fù)用距離，提高了頻率復(fù)用系數(shù)，也就提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量。而且在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，采用智能天線技術(shù)可有效地降低無線通信掉話率和越區(qū)切換失敗率。

（2）智能天線在TDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在TDMA系統(tǒng)中，無線能量在時(shí)間和空間上都受到限制，如采用智能波束切換則可提高載干比（C/I）指標(biāo)。如果采用4個(gè)30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線，載干比（C/I）值可提高約6 dB，有效地提高了系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng)載干比（C/I）值最小的前提下，提高頻率復(fù)用系數(shù)，也就提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量。

（3）智能天線在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在CDMA系統(tǒng)中，智能天線可進(jìn)行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進(jìn)行軟/更軟切換控制；智能天線的空間域?yàn)V波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng)，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。

（4）智能天線在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，基站對收到的上行信號進(jìn)行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進(jìn)行上行波束賦形，達(dá)到最佳接收效果。由于本系統(tǒng)采用TDD方式，可將上行波束賦形數(shù)據(jù)直接用于下行發(fā)射信號，實(shí)現(xiàn)對下行波束的賦形。天線波束賦形等效于提高天線增益，改善了接收靈敏度和基站發(fā)射功率，擴(kuò)大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑衰落的影響。

（5）智能天線在DECT、PHS等系統(tǒng)中的應(yīng)用

DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移動通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進(jìn)行智能天線實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用和評估了多種自適應(yīng)算法，并驗(yàn)證了智能天線的功能。日本在PHS系統(tǒng)中的測試表明，采用智能天線可減少基站數(shù)量。

（6）智能天線在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

采用智能天線技術(shù)可有效地提高第三代移動通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量。

a.在TD－SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國的TD－SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。TD－SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個(gè)完全相同的天線元素均勻分布在一個(gè)半徑為R的圓上組成的環(huán)形天線陣［3］。在上行鏈路中，智能天線起最大功率比合并的作用，結(jié)合聯(lián)合檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)空時(shí)聯(lián)合檢測；而在下行鏈路中，智能天線起下行波束賦形的作用，實(shí)現(xiàn)預(yù)先抑制干擾和補(bǔ)償無線信道的功能。TD－SCDMA系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量、減少用戶間干擾、擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性及實(shí)施用戶精確定位等。

b.在W－CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在W－CDMA系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)天線陣列技術(shù)。智能天線可以對高速率用戶進(jìn)行波束跟蹤，起到空間隔離、消除干擾的作用；大大增加系統(tǒng)容量；增加覆蓋范圍，改善建筑物中和高速運(yùn)動的信號接收質(zhì)量；提高信號接收質(zhì)量，降低掉話，提高語音質(zhì)量；減少發(fā)射功率，延長移動臺電池壽命；提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

c.在CDMA2000系統(tǒng)中的應(yīng)用

在CDMA2000系統(tǒng)中采用的是自適應(yīng)反饋智能天線系統(tǒng)［4］。智能天線能夠根據(jù)上行鏈路的導(dǎo)頻信號來進(jìn)行波束形成，得到智能天線增益；同時(shí)根據(jù)接收到的用戶信號來確定用戶的位置，并形成指向用戶方向的下行波束。采用自適應(yīng)反饋智能天線的CDMA2000系統(tǒng)與普通的全向天線相比，能改善信干比及減小區(qū)間干擾，從而增加系統(tǒng)容量和吞吐量。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了智能天線技術(shù)的概念、分類、基本原理、作用以及智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。智能天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下大幅度提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量，是無線通信領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。智能天線技術(shù)作為增大通信系統(tǒng)容量的重要途徑成為了各類通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

［1］ 金榮洪，耿軍平，范 瑜.無線通信中的智能天線［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［2］ 劉 鳴，袁超偉，賈 寧，黃 韜.智能天線技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 崔雁松.移動通信技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［4］ 郭梯云，鄔國揚(yáng)，李建東.移動通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.