智能天线： 智能天线开辟移动通信新纪元

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智能天线综合了几种干扰控制技术，有助于运营商更好地利用其不多的射频（RF）频谱、现有蜂窝站址与网络基础设施。智能天线以一系列高增益、窄波束的天线取代现有基站天线。这种天线阵能改善对来自手机信号的接收，同时干扰比120°天线或全向天线小得多。 　　智能天线的设计吸收了复杂的波束转换算法和RF信号处理软件。对每次呼叫，软件算法决定保持最佳质量信号的几个波束，而系统持续不断更新其波束选择，从而保证用户在通话时长内获得最佳质量。
　　智能天线的起源和技术特征
　　智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。
　　近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束的方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入了第四维多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。
　　智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统的性能：（1）扩大系统的覆盖区域；（2）增加系统容量；（3）提高频谱利用效率；（4）降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。
　　智能天线可以通过模拟电路方式实现：首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状，实现很复杂，而且，随着阵元数目的增加，更增加了电路的复杂度。为此，未来移动通信智能天线采用数字方法实现波束成形，即所谓数字波束形成DBF天线。使用软件设计完成自适应算法的更新，可以在不改变系统硬件配置的前提下，增加系统灵活性。
　　智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。
　　多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号的最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。
　　自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距1/2波长。若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图上形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应阵天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号的接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。
　　优化GSM移动通信网的利器
　　智能天线帮助GSM蜂窝运营商尽量有效地使用他们的RF频谱的有限配额。用智能天线系统取得的性能增益主要来源于系统提供的载波－干扰比的显著提高。干扰是影响蜂窝系统性能和容量限度的重要因素。它引起串音、通话丢失或通话信号跌落，并使用户心烦意乱。最重要的是干扰限制了经营商可复用频率的紧密度，因此也限制了从固定RF频谱中提取通信承载容量的程度。干扰可来自另一移动终端、在同一频率工作的其它蜂窝站址或泄入分配频谱的带外射频能量。蜂窝干扰最通常的种类是同信道和相邻信道干扰。同信道干扰是使用同一组频率的非相邻蜂窝的发射引起的。这种干扰在接近蜂窝边界时最明显，此时与使用相同频率的邻近蜂窝的物理分隔处于最低程度。相邻信道干扰是使用相邻频率的邻近蜂窝对用户信道的漏泄而造成的。在相邻信道，用户在极靠近电话用户接收机处工作时，或者用户信号大大弱于相邻信道用户的信号时会发生这种情况。
　　载波－干扰比是通话质量的重要标志，是移动电话信号（载波信号）和干扰信号之间比例的量度。对用户较高的C/I比就是更少的掉话以及改善的音频质量；对经营商较高的C/I比是信号距离延伸以及采用更为紧密的频率复用方式，因此增加了整个系统的容量。智能天线系统的另一主要优点是控制每一个30°波束功率的能力，以便达到最佳蜂窝站址模式。
　　通过蜂窝脚印的定形可控制因附近站址溢出而造成的噪声和解决难以对付的覆盖问题。在蜂窝站址间转接业务或更改切换边界亦可增加网络容量。
　　权威测试结果表明，窄波束天线与全向或三扇面模拟天线系统相比，在音频质量和C/I方面有显著的改进。
　　智能天线系统可以用4个30°天线代替一个120°扇面天线。系统依靠最佳波束选择算法转换、发射和接收波束。射频能量在每一时隙在一指定的30°波束内而不是在整个120°扇面中作下行线发射。所以同信道干扰在邻近蜂窝中大大减少。同样，对接收同信道干扰的开放波束也有效地从120°减到30°。改善C/I是增加GSM网络容量和提高其质量的关键。对比模拟网，如GSM一类的数字蜂窝技术的容量有了明显的增加，因为频率复用增加了（或者蜂窝间隔缩小了），可以比模拟系统更低的C/I提供等效质量的业务。
　　在GSM系统中通过交织相应于话音、数据和信令的数字数据，最多八个GSM移动站可共用同一载波频率。每个站分配4.6ms时长的连续重复帧内的一个时隙。在标准GSM网中，与每个频率相应的射频能量在整个120°扇面发射。智能天线系统中的一个天线，仅仅与每一时隙中工作的移动站通信，从而限制了射频能量。因此，射频能量受到时间和空间的控制。这是减少产生干扰和接收干扰的根本。
　　诱人的发展前景
　　美国、日本和欧洲的一些国家非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经开展了大量的理论分析和研究。我国也早已将研究智能天线技术列入国家863－317通信技术主题研究中的个人通信技术分项，许多专家及大学正在进行相关的研究。在连续获得ITU和3GPP通过的我国自主研发的TD－SCDMA技术体制中，就广泛采用了智能天线和软件无线电技术。
　　欧洲进行了基于DECT基站的智能天线技术的初步研究，于1995年初开始现场试验。实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户、四个空间信道（包括上行和下行链路）下，试验系统比特差错率（BER）优于10－3。实验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方向的能力。同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而像市区环境则采用简单的直线阵更合适。在此基础上又继续进行最优波束形成算法、系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计、微蜂窝优化与现场试验等研究。
　　日本某研究所制作了基于波束空间处理方式的波束转换智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速付氏变换（FFT）处理，形成正交波束后，提出了基于智能天线的软件无线概念：用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，可通过软件采用相应的算法。
　　美国的Metawave公司对用于FDMA、CDMA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发；ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统；美国得州大学建立了智能天线试验环境；加拿大McMaster大学研究开发了4元阵列天线。
　　在无线电通信领域，智能天线有诱人的前景。智能天线的优越性在于自身可以分析到达无线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会；提高了频率的利用率，改善了系统性能。这就是自适应天线阵列的智能化，它体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能的天线，还有待于许多问题的研究解决。对智能天线的研究值得关注的有以下内容：智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台及软件无线电等方面。

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