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1、11. 引言1.1发展历程年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点智能天线（SmartAntennas ）。智能天线应用广泛，它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。 最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，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，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。智能天线技术因此
2、用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外，随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现，智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA（direction of arrinal ），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。2在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质
3、量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域（TDMA）频率域（FDMA）或码域（CDMA ）而拓展到了空间域，属于空分多址（SDMA）体制。1.2智能天线的基本思想天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户；接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制；发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。1.3空分多址的概念与传统的频分多址（FDMA）、十分多址（ TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分不同用户；在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路径来区
4、分；SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空时码分多址（SD-CDMA）；智能天线与传统天线在概念上的区别，智能天线理论支撑是信号统计检测与估计理论，信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。1.4智能天线和自适应天线的区别智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统，其目标是通3过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收，还包括智能发射；智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在于，它可以利用信号方向的不同，将不
5、同信号分开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。2 . 智能天线的形式2.1 根据工作方式的不同根据工作方式不同可分为：欲多波束或切换波束系统（图一所示）和自适应阵列系统（图二所示）。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，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及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最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，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。自适应天线阵列一般采
6、用 416 天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列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。 4图一 欲多波束或切换波束系统 图二 自适应阵列系统2.2 根据波束形成的不同根据波束形成不同可分为：阵元空间处理方式和波束空间处理方式。阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各种阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。波束空间处理方式包含两级处理过程，第一级对各
7、阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束；第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理；计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能，是当前自适应阵列处理技术的发展方向。3.智能天线的结构53.1典型阵列均匀线阵（如图三a）；随机分步线阵（如图三b）；十字阵（如图三c）；圆阵；面阵，等。图三 （从上至下 a,b,c）几种典型阵列3.2 结构原理图（如图四所示）图四 结构原理图3.3系统组成3.3.1天线阵列：6天线阵元数量与天线阵元的配置方式，
8、对智能天线的性能有着重要的影响；3.3.2模数转换：接收链路：模拟信号 数字信号发射链路：数字信号 模拟信号3.3.3智能处理：天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化而自适应地进行调整，包括：以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数：以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络4.智能天线的信号模型在多用户情况下，K：系统中的用户数；M：天线阵元个数；则在频率选择性衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：（其中L k表示第k个用户的多径数，表示第k个用户第l径的复信道增益）,exp/xyzstAjtkkjtrrr记11 12 2
9、 2expexpeM MMAstx jjtt stst jjtxa rr rr rr7则在平坦衰落情况下，接收到的第k个用户的信号矢量为：5.智能天线的赋形5.1 波束形成技术：使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高阵列输出所需信号的强度；5.2 零点技术：使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干扰信号的强度；5.3 空间谱估计技术：处理带宽内信号的到达方向 DOA（Direction of Arrival）问题；8图五 各用户的天线方向图6.智能天线的常用准则6.1 最大信干噪比准则：最佳加权使得阵列输出信号的信号干扰噪声比最大；6.2 最小均方误差准则：最佳加权使得阵列输出和有用信号
10、的均方误差最小；6.3 最小方差准则：最佳加权使得阵列输出噪声的方差最小；6.4 最大似然准则：经过空时加权后的估计信号与期望信号有最大可能的相似；7智能天线提高系统性能的原理 7.1 提高频谱利用率采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。 7.2 迅速解决稠密市区容量瓶颈9未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。 7.3 抑制干扰信号智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化
11、天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。对于软容量的 CDMA 系统，信干比的提高还意味着系统容量的提高。 74 抗衰落高频无线通信的主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小
12、区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升 ARPU 值、加强自身竞争力的必然手段8.智能天线在 3G 中的应用108.1 欧洲欧洲通信委员会(CEC)在 RACE(Research into Advanced Communication in Europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，1995 年初开始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频率为1.89GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。 8.2 日本ATR 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的
13、 16 阵元平面方阵，射频工作频率是 1.545GHz。 8.3 中国ArrayComm 公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。中国的 TD-SCDMA 是 3G 中比较明确使用智能天线的方案。 9.智能天线的现状及展望我国已将智能天线技术列入国家863-317通信技术主课题研究中的个人通信技术分项；我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电技术作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的美国Metawave公司，ArrayComm公司对智能天线进行了大量研11究；10.智能天线的研究方向论证智能天线对通信系统的功效：对通信系统容量的提高；抗多径干扰的性能；提出优化方案和快速算法。
