智能天線及其在無線通訊中的應用分析

摘 要：科學技術的進步帶動了通信行業的快速發展，通信技術水平的提高使各種新事物都應運而生，目前智能天線在通信行業中得到廣泛的應用，并提得了非常好的效果。本文對智能天線的定義進行了介紹，分析了智能天線的構成，并進一步闡述了智能天線在無線系統中的應用。

關鍵詞：智能天線；波束；無線通訊；應用

中圖分類號：U285.28 文獻標識碼：A

1 智能天線的定義

采用無線傳輸方式的任何通信系統都需要能過天線來實現傳播、發送及接收，天線是實現信號進行發身、接收的重要器件，天線可以與電磁波實現感應，因此，在通信系統中無論頻率和頻段有什么區別，都需要天線來實現電磁波的傳播。

傳統的天線有自適應天線和陣列天線，智能天線是在此基礎上引入了人工智能的處理方法，從而形成一個具有智能的系統。依據天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態相控陣列和自適應陣列3類。可變波束天線依據接收功率最大原則，在幾個預設陣列波束中進行切換；動態相控陣列使用測向算法，能夠連續追蹤用戶的方向而改變天線的波束，使接收功率達到最大；自適應陣列既對用戶進行測向，又對各種干擾源進行測向，在形成波束時，不僅使接收功率最大，而且使噪聲降到最低，從而使接收信噪比最高。

2 智能天線系統的構成

智能天線之所以能具備這些優良性能，這同其系統構成有關，非凡是波束形成網絡。波束形成網絡構成復雜，大體上可分為網絡處理系統和網絡控制系統兩部分，依照網絡處理和網絡控制的工作原理、結構不同，智能天線可分成波束切換型和自適應陣列兩種類型。

波束切換型是指，智能天線能形成多少個空間波束一空間信道事先就已確定，這個確定既包括波束指向，也包括數目。當智能天線服務于某用戶時，系統能自動從有限波束中選擇一個或幾個的組合以服務于該用戶，而不管所選波束的最大指向是否對準用戶。而且，當用戶在移動時波束卻是固定的，在用戶移動到這種另一波束上時，系統會由此波束切換到另一波束上。基于相同原因，另一波束也不保證其最大指向隨時指向用戶，這些特征構成了這類智能天線的缺點，但是這類天線結構簡單。

自適應陣列型智能天線能形成無窮多波束，并能使用戶始終得到波束的最大指向。當用戶移動時，波束也能作自適應改變。顯然，這種類型的智能天線性能最佳，但其網絡控制系統相當復雜，還要求系統的實時性好，即要求處理網絡在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應算法，以能快速調整波束的復數加權參數W。

目前，智能天線網絡系統使用的算法多種多樣，綜合各種算法的特征從而進行綜合的應用，以使在系統運行時能取長補短，適應移動和個人通訊的需要。因為移動和個人的通訊電波在傳播過程中主要是能過地面的環境進行傳播，地面環境較差，因此利用綜合各算法中的優點適用于智能天線網絡系統中，從而能有效的保證智能天線的性能得到最好的發揮。

早期智能天線的波束形成網絡用模擬電路，但調試難度大、性能穩定性和可靠性差，目前都主張采用數字電路。較為一致的意見是采用高速率的數字信號處理芯片來實現。實際使用的芯片主要有兩種摘要：一種是DSP通用芯片，如TMS320系列等。另一種則為專用集成電路（ASIC器件），其中最典型的器件是能進行大規模并行處理的門陣列電路FPGA，以C6x調處理器為基礎的DSP系統。波束形成網絡平臺應提供充分模塊以支持多個C6x，而且要采用高效率的I/O結構。

3 智能天線在無線通信系統中的應用

智能天線在基臺與移動用戶之間形成了一條能量相對集中的無線路徑，準確的確定了移動用戶的地理位置，改變了傳統通信系統中無法準確確定用戶具體位置，從而采用全向發射天線造成能量上的損失及對其他用戶的干擾。智能天線為有效的節約能量的損失，準確的定位用戶的位置，智能天線系統需完成以下兩大任務：一是能實時感知電磁環境，包括DOA測向、譜估計、從接收到的信號中分離出直射信號和多徑信號；二是后處理過程，包括信道分離、抗多徑干擾和衰落。該處理過程取決于算法的收斂速度和穩定性，以及DSP的處理速度。在此，我們給出表征系統容量的單位：bit/s/Hz/unit-area。該參數表示在給定發射功率、給定頻譜范圍內信號的傳輸速率。智能天線對系統容量的提高有以下兩條途徑：一是利用智能天線的波束成形和自適應測向跟蹤能力，實時地形成窄的主瓣波束對準所需信號，在其他方向盡量壓低付瓣增益。以此來代替傳統的全向天線。智能天線提高了接收信號的信干噪比，從而提高了系統容量。此時對應單用戶算法。二是把智能天線等效為空域濾波器，實現空分多址傳輸，即所謂的SDMA。此時要采用多用戶檢測算法。需要說明的是，SDMA并不是與FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式，而是附加在上述多址方式上的優化方案。

智能天線既可在上行鏈路中單獨使用，也可在上下行鏈路中同時使用。在下行鏈路中采用智能天線的最大優點在于，把基臺盲目的、廣播式的傳播變為定向的信號傳遞。采用智能天線以后，一方面可以簡化基臺的設備，例如：過去基臺要發射100W的功率則需要100W的功放，當采用十單元的天線陣列后，每單元只需1W的功放來激勵。要知道100W的功放與1W的功放，無論是在價格還是性能上都有很大的區別。另一方面更為重要的是，定向傳播將極大地減小基臺對其他用戶的人為的干擾，凈化電磁環境，從而提高了系統容量。這一點具有十分重要的意義。需要指出的是，由于在FDMA系統中，上下行鏈路采用不同的頻率。因此由上行鏈路得到的用戶空間信息不能簡單拷貝到下行鏈路。這時需要復雜的上下行鏈路分配方案。因此在下行鏈路中應用智能天線可以提高系統容量，簡化基臺設備。

多徑衰落是影響無線通信系統的關鍵因素之一。對此，人們做了大量的嘗試并提出許多有效的方案。例如：分集技術、RAKE接收機、自適應濾波等等。而智能天線則從空間域的角度提供了一條新途徑。智能天線能分辨出直射信號與各徑多徑信號，這是傳統的抗多徑技術無法得到的。如何與現有的抗多徑技術相結合，較好地解決多徑傳播是智能天線研究的另一個重要的研究課題。

結語

近些年，能過對智能天線的研究的深入，其容量、抗干涉能力、通訊質量及頻率共享等多個方面都取得非常好的效果，同時在這些方面還具有可挖掘的巨大潛力，從而引起人們越來越多的關注。隨著科技技術的快速發展，智能天線在衛星通訊、軍事通信等通訊系統中會越來越發揮其良好的功能性，從而帶動整個通信行業的快速發展。

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