智能天線的優勢及應用分析

劉培鋒

?

智能天線的優勢及應用分析

劉培鋒

31131部隊，江蘇 南京 210000

智能天線也可以稱為自適應天線陣列，由于其能夠顯著降低時延擴散、瑞利衰落、多徑以及信道干擾等所造成的影響，因此能夠對頻譜資源進行充分的利用。對智能天線的優勢進行了比較深入的分析研究，在此基礎上進一步論述了智能天線在實際中的具體應用，對于從事相關工作的技術人員具有一定的借鑒意義。

智能天線；優勢；應用

引言

對于通信設備而言，天線是非常重要的組成部分，對通信質量具有決定性的影響。隨著人們對通信質量要求的逐漸提高，傳統的天線已無法滿足人們對信號傳輸質量和傳輸速度的要求，因此需要將智能天線有效地運用于通信中，利用數字信號，產生定向波束，確保用戶信號可以通過固定信道到達定向位置，進而為通信質量提供可靠的保障[1]。

1 智能天線分析

1.1 智能天線的組成

智能天線在本質上是具有側向和波束形成能力的一種天線陣列。隨著數字處理技術的不斷發展，智能天線的應用范圍越來越廣，被廣泛應用于多個領域之中。根據各部分功能的不同，智能天線可以分為三部分，即天線陣列、波束形成單元以及自適應控制單元[2]。智能天線各部分的工作原理不盡相同，每一部分的工作原理如下所示。

（1）天線陣列，該部分的主要功能是負責接收和發射信號，確保信號能夠順利傳輸。根據使用要求的不同，天線的陣列形式不盡相同，可以分為圓形和直線兩種結構形式。

（2）波束形成單元，該部分的主要功能是對區域所有節點的單元天線進行科學合理的整合，為信號的穩定傳輸提供可靠保障。

（3）自適應控制單元，該部分是整個智能天線系統的核心部分，對整個天線系統的穩定運行具有十分重要的作用，其主要功能是對智能天線的網絡效果進行一定的優化處理，結合用戶的實際需求對無線網絡建設進行有針對性的優化處理[3]。

1.2 智能天線的工作原理

智能天線是在波束成形技術的基礎上發展而來的，通過將無線電信號按照設定的方向進行有效的導向，進而產生一空間定向波束，確保天線主波束的方向與用戶信號的到達方向保持一致，旁瓣或零陷與干擾信號的到達方向保持一致，進而能夠有效避免干擾信號的影響，確保信號的穩定傳輸。智能天線還能根據不同用戶信號空間特征的差異性，有針對性地采取陣列技術，進而在同一個信道上實現信號的接收和發射，有效避免不同用戶之間干擾的發生，進一步提高無線電頻譜的利用率和信號的傳輸效率。智能天線的核心技術就是智能算法，其決定著整個系統的瞬時響應速率和電路的復雜程度。算法可以分為非盲算法和盲算法兩種不同的類型，其中前者在計算之前，需要明確參考信號的算法；后者則無須明確導頻信號，接收端對發送的信號進行一定估算，但是同時要確保估算值與發送信號的真實值之間的誤差在合理的范圍內[4]。

1.3 智能天線的優勢

相較于傳統的天線，智能天線的優勢如下所示。

（1）有效控制干擾信號。在通信系統實際的運行過程中，經常會存在一定的干擾信號，其會對通信信號的穩定傳輸造成非常嚴重的不利影響，而智能天線可以結合干擾信號的實際情況，采取有效的抑制措施，將干擾信號所造成的影響控制在合理的范圍內，進而有效改善通信信號的傳輸質量。

（2）抗衰落性強。在移動通信中的高頻信號極易出現衰落的問題，進而對通信質量和通話效果造成不利影響，而智能天線能夠對信號的接收方向進行科學合理的控制，并借助逐步分級技術，進而為高頻信號的穩定傳輸提供可靠保障[5]。

（3）有效實現移動定位。智能天線能夠通過兩個以上的信號傳輸信號塔對移動通信設備進行精確的定位，還能對移動設備進行實時的跟蹤定位，進而確保信號能夠進行穩定的傳輸。

（4）擴大系統容量。智能天線系統能夠結合空間方向的不同對信道進行科學合理的分割，讓不同的信道能夠在同一時間內共同使用相同的頻率，而且還不會產生干擾信號，進而能夠在一定程度上增大系統的容量。

（5）減少天線系統的建設成本。由于智能天線能夠擴大覆蓋范圍，進而能夠有效減少信號塔數量，從而降低信號塔的建設費用，提升企業的經濟效益。

2 智能天線的實際應用

2.1 廣播信道無功率加權發送方案

當前所采用的TD-LTE技術最多能夠支持4個不同的CRS端口，可以設定為0、1、2、3端口。對于具有兩個天線的信號塔而言，通常會優先映射到端口0和端口1，而要想實現全部映射就需要4個端口。在實際的信號塔中一般使用8天線，這就導致CRS所提供的端口數無法與天線進行有效的匹配，因此對于該種類型的信號塔而言，需要充分重視端口的使用情況。通過采用虛擬端口能夠滿足映射和信息的發送要求，對于傳統的天線而言，一般采用3?dB波束寬度為90°的天線陣列，但是廣播的信道為65°波束寬，進而導致天線的加權系數小于1，造成發射功率出現不同程度損失。智能天線系統通過從不同極化方向進行一定的等效疊加，就能形成接近65°的廣播波束，進而滿足廣播信號的傳輸要求，同時還能避免功率損失，從而對廣播信道進行有效的覆蓋[6]。

2.2 智能天線系統下行鏈路質量估計的優化

對于8天線的信號塔而言，通過采用智能天線能夠對其下行鏈路的整個傳輸過程進行科學合理的控制，進而達到優化傳輸質量的目的。在當前的8天線信號塔中，等效信道只能獲得兩根邏輯天線，導致其邏輯天線數量不足，進而影響獲得智能天線增益的質量，導致其無法及時獲得足夠增益，從而導致公共導頻端口出現一定的映射問題。通過采用智能天線能夠根據用戶所反饋的虛擬2天線CQI與信號塔信道的估算值，就能計算出下行優化波速的成形增益，進而在信號的反饋過程中完成相應的優化處理。通過智能天線優化處理后，還能在一定程度上提高信號塔的CQI精度，進而為準確選擇CQI調制編碼提供有效的依據，從而為信號塔的穩定運行提供可靠保障。

2.3 智能天線接入控制算法對上行鏈路的控制

在上行鏈路的控制過程中，控制措施是根據信號塔接收的總功率和噪聲值對接入新用戶后的干擾功率進行一定的估算，再通過接入控制算法對估算值進行有效的判斷，進而確定用戶能否進行接入操作。該算法是建立在每一切換波束之間不存在任何聯系保持獨立的基礎之上，通過測量每一波束接收到的總功率，進而對新的接入用戶對信號塔所造成的干擾進行一定的預測。當預測的總接收功率超過規定的門限值時，系統就會拒絕用戶的接入申請；當小于規定的門限值時，系統就會允許用戶的接入申請。當信號的強度發生區域間切換時，用戶就會隨之切換到新的信號塔，此時智能天線同樣會對其進行相應的接入控制，系統會根據信號傳輸的實際情況將其切換到門限值更高的信道之中，進而避免由于信號塔切換影響信號的傳輸質量[7]。

2.4 在第四代移動通信系統中的應用

在移動通信環境中具有多個散射體和發射體，無線通信鏈路也具有較多的傳播途徑。這種類型的傳播方式會對通信的有效性和穩定性造成不小的負面影響。通過將智能天線有效地運用于第四代移動通信系統中，借助多輸入-多輸出技術能夠在通信鏈的兩端同時使用多條不同的天線，發射端就能有效地將信號串行碼拆分成多路并行的子碼流，再通過不同的發射天線同時發出，接收端通過多條天線將信號進行有效的分離，同時對原始子碼流頻帶資源進行充分的利用，進而同時完成信息高速準確的傳輸和頻譜資源的高效利用。智能天線中的多輸入-多輸出技術能夠對多徑無線信道的信號發射和接收過程進行有效的優化處理，進而有效地擴大通信容量、提升頻譜的利用效率。

2.5 基于時分雙工的智能天線優化

時分雙工是一種通信系統的雙工方式，主要用于信道的分離和接收處理之中。其原理如圖1所示，圖中橫坐標表示時間；DL表示下行即信號塔向移動臺發射；UL表示上行即移動臺向信號塔發射。從圖1可知，信號塔和移動臺之間的無線傳輸是在一個頻率信道F上，使用不同時隙進行雙向傳輸的。智能天線中的時分雙工模式信號的接收和傳送是在同一頻率信道即載波的不同時隙中進行的，用保證時間來分離接收與傳送信道。時分雙工模式下的通信系統的上下行信道采用相同的頻率，因此上下行信道之間具有一定的互惠性，能夠確保信道的穩定運行。

圖1 時分雙工原理圖

3 結語

總而言之，隨著我國通信技術的不斷發展，人們對通信質量的要求越來越高，為了滿足人們不斷提高的通信需求，就需要將智能天線運用于通信系統之中。本文通過對智能天線的組成、工作原理以及優勢等進行一定的論述，在此基礎上，進一步介紹了智能天線在實際中的具體應用，不難發現智能天線具有非常明顯的優勢，對于確保通信過程的順利進行具有十分重要的實際意義。因此，在實際的工作過程中，要充分結合信號傳輸的實際需求將智能天線技術有效地運用其中，進而為信號的可靠傳輸提供保障。

[1]周健. 自適應陣列天線跟蹤和抗干擾算法研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

[2]彭濤. 基于人工智能算法的自組構天線的優化設計[D]. 南京：南京郵電大學，2016.

[3]王海濤. 智能天線技術的研究[J]. 科技創新與應用，2017（9）：70.

[4]高書強，程章文. 智能天線技術的原理與應用[J]. 計算機產品與流通，2017（7）：141-142.

[5]趙東. 智能天線在移動通信中的應用[J]. 數字通信世界，2017（6）：228-229.

[6]李曉川. TD-LTE智能天線應用關鍵技術研究[J]. 科學技術創新，2017（25）：148-149.

[7]施亞齊. 智能天線技術在4G通信中的應用研究[J]. 中國新通信，2017（23）：37.

The Advantages and Application Analysis of Smart Antenna

Liu Peifeng

31131 Force, Jiangsu Nanjing 210000

Smart antenna can also be called adaptive antenna arrays. Because they can significantly reduce the effects of delay spread, Rayleigh fading, multipath and channel interference, they can fully utilize spectrum resources. The advantages of smart antenna are analyzed in depth. On the basis of this, the specific application of smart antenna in practice is further discussed, which has certain reference significance for technicians engaged in related work.

smart antenna; advantage; application

TN821+.91

A

劉培鋒（1984—），男，江蘇南通人，漢族，本科學歷，畢業于解放軍理工大學，現有職稱為助理工程師，研究方向為通信工程。