智能天線技術及其應用

2019-11-03 09:34:12

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□ 湖北省宜昌市無線電監測站站長沈鴻斌　　摘要：在移動通信領域，形成了一個新的研究熱點—智能天線（ＳｍａｒｔＡｎｔｅｎｎａｓ），本文論述了智能天線的兩個主要類型和基本特性，分析了智能天線的算法，介紹了智能天線研究動向和未來移動通信系統智能天線應用前景。

　　９０年代以來，陣列處理技術引入移動通信領域，很快形成了一個新的研究熱點－智能天線（ＳｍａｒｔＡｎｔｅｎｎａｓ）?智能天線應用廣泛，它在提高系統通信質量、緩解無線通信日益發展與頻譜資源不足的矛盾、以及降低系統整體造價和改善系統管理等方面，都具有獨特的優點。

　　最初的智能天線技術主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統的可靠性與靈活程度。智能天線技術因此用于具有復雜電波傳播環境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數迅速增長和人們對通話質量要求的不斷提高，要求移動通信網在大容量下仍具有較高的話音質量。經研究發現，智能天線可將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向ＤＯＡ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｒｒｉｎａｌ），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域（ＴＤＭＡ）、頻率域（ＦＤＭＡ）或碼域（ＣＤＭＡ）而拓展到了空間域，屬于空分多址（ＳＤＭＡ）體制。

一、智能天線技術

　　智能天線技術有兩個主要分支。波束轉換技術?ｓｗｉｔｃｈｅｄｂｅａｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和自適應空間數字處理技術（ａｄａｐｔｉｖｅｓｐａｔｉａｌｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），或簡稱波束轉換天線和自適應天線陣。天線以多個高增益的動態窄波束分別跟蹤多個期望信號，來自窄波束以外的信號被抑制。但智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶的物理方向，事實上，在隨機多徑信道上，移動用戶的物理方向是難以確定的，特別是在發射臺至接收機的直射路徑上存在阻擋物時，用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化，充分利用信號的有效的發送功率以減小電磁干擾。

１．波束轉換天線

　　波束轉換天線具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，通過陣列天線技術在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發送不同的信號，它從幾個預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動臺越過扇區時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質量。

　　為保證波束轉換天線共享同一信道的各移動用戶只接收到發給自己的信號而不發生串話，要求基站天線陣產生多個波束來分別照射不同用戶，特別地，在每個波束中發送的信息不同而且要互不干擾。

　　每個波束的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數而變化。對于移動用戶，基站選擇不同的對應波束，使接收的信號強度最大。但用戶信號未必在固定波束中心，當使用者是在波束邊緣，干擾信號在波束的中央，接收效果最差。因此，與自適應天線陣比較，波束轉換天線不能實現最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉換天線增益在方位角上不均勻分布。但波束轉換天線有結構簡單和不需要判斷用戶信號方向（ＤＯＡ）的優勢。主要用于模擬通信系統。

２．自適應天線陣

　　融入自適應數字處理技術的智能天線是利用數字信號處理的算法去測量不同波束的信號強度，因而能動態地改變波束使天線的傳輸功率集中。應用空間處理技術（ｓｐａｔｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）可以增強信號能力，使多個用戶共同使用一個信道。

　　Ｔ０是相鄰的抽頭之間的延遲，Ｗｎ．ｍ是ｎ天線第ｍ個抽頭因子。每個天線后接一個延時抽頭加權網，可自適應的調整加權系數。這樣一來同時具有時域和空域處理能力。

　　自適應天線陣是一個由天線陣和實時自適應信號接收處理器所組成的一個閉環反饋控制系統，它用反饋控制方法自動調準天線陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而且可以使有用信號得到加強，從而達到抗干擾的目的。

　　由自適應天線陣接收到的信號被加權和合并，取得最佳的信噪比系數。采用Ｍ個陣元自適應天線，理論上，自適應天線陣的價值是能產生（Ｍ－１）倍天線放大，可帶來１０ｌｇＭ的ＳＮＲ改善，消除扇形失真的影響，并且它的（Ｍ－１）倍分集增益相關性是足夠低的。對相同的通信質量要求，移動臺的發射功率可減小１０ｌｇＭ。這不但表明可以延長移動臺電池壽命或可采用體積更小的電池，也意味著基站可以和信號微弱的用戶建立正常的通信鏈路。對基站發射而言，總功率被分配到Ｍ個陣元，又由于采用ＤＢＦ?ＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ可以使所需總功率下降，因此，每個陣元通道的發射功率大大降低，進而可使用低功率器件。

　　采用自適應抽頭時延線天線陣對信號接收、均衡和測試很有幫助。對每一接收天線加上若干抽頭延時線，然后送入智能處理器，則可以對多徑信號進行最佳接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站的接收信號的信噪比得到很大程度的提高，降低了系統的誤碼率。

　　通常采用４－１６天線陣元結構，相鄰陣元間距一般取為接收信號中心頻率波長的１／２。陣元間距過大，降低接收信號相關度；陣元間距過小，將在方向圖引起不必要的波瓣，因此陣元半波長間距通常是優選的。天線陣元配置方式包含直線的型，環型和平面的型，自適應天線是智能天線的主要的型式。自適應天線完成用戶信號接收和發送可認為是全向天線。它采用數字信號處理技術識別用戶信號的ＤＯＡ，或者是主波束方向。根據不同空間用戶信號傳播方向，提供不同空間通道，有效克服對系統干擾。自適應天線主要用于數字通信系統。

二、智能天線算法

　　智能天線系統的核心是智能的算法，智能的算法決定瞬時響應速率和電路實現的復雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現波束的智能控制。通過算法自動調整加權值得到所需空間和頻率濾波器的作用。目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時收端知道發送的是什么，進行算法處理時要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優的迫零準則ｚｅｒｏｆｏｒｃｉｎｇ）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有ＭＭＳＥ（最小均方誤差）、ＬＭＳ（最小均方）和ＬＳ（最小二乘）等。盲算法則無需發端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（ＤｅｃｉｓｉｏｎＦｅｅｄｂａｃｋ）是一類較特殊的算法，收端自己估計發送的信號并以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。

三、智能天線技術的研究動向

　　美國，日本和歐洲等國非常重視未來移動通信中智能天線的作用，已經開展了大量的理論分析和研究。我國也早已將研究智能天線技術列入國家８６３－３１７通信技術主題研究中的個人通信技術分項，許多專家及大學正在進行相關的研究。在連續獲得ＩＴＵ和３ＧＰＰ通過的我國自主研發的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技術體制中，就廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術。

　　歐洲進行了基于ＤＥＣＴ基站的智能天線技術初步研究，于１９９５年初開始現場試驗。實驗系統驗證了智能天線的功能，在兩個用戶四個空間信道?包括上行和下行鏈路下，試驗系統比特差錯率?ＢＥＲ優于１０－３。實驗評測了采用ＭＵＳＩＣ算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現場測試，表明圓環和平面天線適于室內通信環境使用，而像市區環境則采用簡單的直線陣更合適。在此基礎上又繼續進行諸如最優波束形成算法、系統性能評估、多用戶檢測與自適應天線結構、時空信道特性估計及微蜂窩優化與現場試驗等研究。

　　日本某研究所制作了基于波束空間處理方式的波束轉換智能天線。天線陣元布局為間距半波長的１６陣元平面方陣，射頻工作頻率是１．５４５ＧＨｚ。陣元組件接收信號在模數變換后，進行快速付氏變換?ＦＦＴ處理，形成正交波束后，分別采用恒模?ＣＭＡ算法或最大比值合并分集算法，提出了基于智能天線的軟件無線概念，即用戶所處環境不同，影響系統性能的主要因素亦不同，可通過軟件采用相應的算法。

　　美國的Ｍｅｔａｗａｖｅ公司對用于ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ系統的智能天線進行了大量研究開發；ＡｒｒａｙＣｏｍｍ公司也研制了用于無線本地環路的智能天線系統；美國德州大學建立了智能天線試驗環境；。加拿大ＭｃＭａｓｔｅｒ大學研究開發了４元陣列天線，采用恒模?ＣＭＡ算法。

四、智能天線對系統的改善和主要用途

　　智能天線潛在的性能效益表現在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數據速率、抑制干擾、減少遠近效應、減小中斷概率、改善ＢＥＲ?ＢｉｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ性能、增加系統容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區切換、擴大小區覆蓋范圍、靈活的小區管理、延長移動臺電池壽命、以及維護和運營成本較低，等等。

１．改善系統性能

　　采用智能天線技術可提高第三代移動通信系統的容量及服務質量，Ｗ－ＣＤＭＡ系統就采用自適應天線陣列技術，增加系統容量。我國ＳＣＤＭＡ系統是應用智能天線技術的典型范例。ＳＣＤＭＡ系統采用ＴＤＤ方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統具有精確定位功能，可實現接力切換，減少信道資源浪費；

　　歐洲在ＤＥＣＴ基站中進行智能天線實驗時，采用和評估了多種自適應算法，并驗證了智能天線的功能。日本在ＰＨＳ系統中的測試表明，采用智能天線可減少基站數量。由于ＰＨＳ等系統的通信距離有限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術，則可降低成本；

　　無線本地環路系統的基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行上行波束賦形，達到最佳接收效果。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射功率，擴大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響；

　　ＦＤＭＡ系統采用智能天線技術，與通常的三扇區基站相比，Ｃ／Ｉ值平均提高約８ｄＢ，大大改善了基站覆蓋效果；頻率復用系數由７改善為４，增加了系統容量。在網絡優化時，采用智能天線技術可降低無線掉話率和切換失敗率

　　ＴＤＭＡ系統采用智能天線技術?可提高Ｃ／Ｉ指標。據研究，用４個３０°天線代替傳統的１２０?天線，Ｃ／Ｉ可提高６ｄＢ，提高了服務質量。在滿足ＧＳＭ系統Ｃ／Ｉ比最小的前提下，提高頻率復用系數，增加了系統容量；

　　ＣＤＭＡ系統系統采用智能天線技術，可進行話務均衡，將高話務扇區的部分話務量轉移到容量資源未充分利用的扇區；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟／硬切換控制；智能天線的空間域濾波可改善遠近效應，簡化功率控制，降低系統成本，也可減少多址干擾，提高系統性能。

２．提高頻譜利用效率

　　容量和頻譜利用率的問題是發展移動通信根本性的問題。智能天線通過空分多址，將基站天線的收發限定在一定的方向角范圍內，其實質是分配移動通信系統工作的空間區域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無線資源。

　　對于給定的頻譜帶寬，系統容量愈大，頻譜利用率愈高。因此，增加系統容量與提高頻譜效率一致。為了滿足移動通信業務的巨大需求，應盡量擴大現有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網絡所需的基站數量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術，用自適應天線代替普通天線。由于天線波束變窄，提高了天線增益及Ｃ／Ｉ指標，減少了移動通信系統的同頻干擾，降低了頻率復用系數，提高了頻譜利用效率。使用智能天線后，無須增加新的基站就可改善系統覆蓋質量，擴大系統容量，增強現有移動通信網絡基礎設施的性能。

　　未來的智能天線應能允許任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區的無線網容量。采用智能天線是解決稠密市區容量難題既經濟又高效的方案，可在不影響通話質量的情況下，將基站配置成全向連接，大幅度提高基站容量。

五、結論

　　在無線電通信領域，智能天線有誘人的前景。智能天線的優越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈活、優化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會。提高了頻率的利用率，改善了系統性能。這就是自適應天線陣列的智能化，它體現了自適應、自優化和自選擇的概念，對當前移動通信系統的完善起到重大的推動作用。智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但要實現理想的智能的天線，還需要許多問題有待研究解決。智能天線研究值得關注的有以下內容：智能天線的接收準則及自適應算法；寬帶信號波束的高速波束成形處理；用于移動臺的智能天線技術；智能天線實現中的硬件技術；智能天線的測試平臺及軟件無線電技術研究等方面。

參考文獻

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摘自《中國無線電管理》

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