智能天线技术

概述

　　最初的智能天线技术主要用于雷达、声呐、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的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。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(TD-A)、频率域(FDA)或码域(CDA)而拓展到了空间域，属于空分多址(SDA)体制。

分支

　　智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术(switched beam technology)和自适应空间数字处理技术(adaptive spatial digital pro-cessing technology)，或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制，但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在路径方向形成高增益窄波束并跟踪路径的变化，充分利用信号的有效发送功率以减少电磁干扰。

　　1.波束转换天线

　　波束转换天线包括有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。

　　为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同的用户，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。

　　每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度，但用户信号未必在固定波束中心，当使用者在波束边缘、干扰信号在波束中央时，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能实现的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向(DOA)的优势。主要用于模拟通信系统。

　　2.自适应天线阵

　　融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术(spatial pro-cessing technology)可以增强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。

　　T0是相邻的抽头之间的延迟，Wn.m是n天线第m个抽头因子。每个天线后接一个延时抽头加权网，可自适应地调整加权系数。这样一来就同时具有时域和空域处理能力。

　　自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。

　　由自适应天线阵接收到的信号被加权及合并，取得的信噪比系数。采用个阵元自适应天线，在理论上，自适应天线阵的价值是能产生(-1)倍天线放大，可带来10lg的SNR改善，消除扇形失真的影响，并且它的(-1)倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小10lg。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言，总功率被分配到个阵元，又由于采用DBF(Digital Beam-Forming)可以使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。

　　采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每个接收天线加上若干抽头时延线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行接收，减少多径干扰的影响，从而使基站接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。

　　通常采用4～16天线阵元结构，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的1/2。阵元间距过大，降低接收信号相关度；阵元间距过小，将在方向图引起不必要的波瓣，因此阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线形、环形和平面形，自适应天线是智能天线的主要形式。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的DOA，或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向，提供不同空间通道，有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。

工作原理

　　天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。

　　智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。 智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成, 如图所示。实际智能天线结构比图复杂, 因为图中表示的是单个用户情况, 假如在一个小区中有K个用户, 则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用, 其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套, 共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户, 剩下的K- 1 个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益, 在干扰源的方向降低增益.因此, 智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。

算法

　　智能天线系统的核心是智能算法，智能算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法自动调整加权值得到所需空间和频率滤波器的作用。目前已提出很多着名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号(导频序列或导频信道)的算法，此时，接收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则(比如的迫零准则zero forcing)确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入相关，常用的相关准则有SE(最小均方误差)、LS(最小均方)和LS(最小二乘)等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法(Deci-sion Feedback)是一种较特殊的算法，接收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。