摘 要 智能天线技术作为一种原本用于雷达的技术，已开始应用于民用移动通信中。文章就现有移动通信系统的弊端，介绍了智能天线的原理，并进一步对智能天线在基站和移动台的应用进行阐述，对智能天线的发展模式提出了一个全新的想法。

　　未来的移动与无线应用将要求相当高的数据传输速率和更低的每比特位传输成本。对数据速率、链路质量、频谱利用率和移动性的要求，使用传统的单天线系统无法满足的。智能天线系统因为能够使用户获得较高的天线增益或较高的分集增益，并使其他方向上的干扰减少等特点，而越来越受到关注。采用智能天线的系统能容纳更多的用户，相应容量得到提高。
　　１ 现有移动通信系统的弊端
　　无线通信系统的性能和容量主要在三个方面受限（如

图１所示）。
　　　（１）多径衰落。这是由于传输信号被天线获得要经过多条路径传输所引起的。移动台和基站之间的传播容易受多径衰落现象的影响，这是因为所有通信主要是在地面上进行。这些来自不同方向路径的信号，不同相位迭加，使接收到的信号的幅度和相位会随着天线位置、方向、极性以及时间而变化；
　　（２）时延扩散。它是信号在多径传播延时的不同，是由人造建筑物反射后的多径电波到达引起的。当传播延时超过码元周期的１０％时，会发生前列的码间干扰，这种干扰会限制数据数率；
　　（３）同信道干扰。蜂窝系统将可用的频率信道分割为多个信道。一个无线通信系统中的信道的最大数目是有限的，只能通过让每个通信信道同时承载多个呼叫来提高系统容量。频率复用会引起同信道干扰。ＴＤＭＡ系统中，同信道干扰主要来自一到两个其他用户，而在ＣＤＭＡ系统中，蜂窝内和相邻蜂窝都有许多强干扰源。由于ＣＤＭＡ的反向链路（从移动台到基站）是弱链路，基站接收的每个用户信号不仅受到本蜂窝小区内多址干扰，而且还会受到相邻蜂窝用户的干扰。对于给定的同信道干扰水平，可以通过减小蜂窝的大小来提高容量，但是要以增加额外的基站为代价。
　　２ 智能天线技术
　　简单地说，智能天线系统就是能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和（或）接受方向图，以针对不同信号环境达到最优性能。
　　目前，蜂窝系统通常采用每个基站分三个１２０°扇区的形式。每个扇区为了减少同信道干扰，就要求在扇区间实行切换。为了有更高的性能，可以使用更狭窄的扇区，但是这会引起过多的切换。这就使我们倾向于使用智能天线：多波束天线和自适应阵列天线，自适应天线在波束间没有切换。
　　首先，我们看看多波束天线。它是在现有扇区中使用更多的波束。比如在１２０°的扇区中使用３０°的波束。一个Ｍ波束的天线通常可以提供Ｍ倍天线增益和通过合并由不同波束接收的信号获得一些分集增益。值得注意的是，同一波束不仅可以用于上行波束，也可以用于下行波束，因此可以为下行链路提供天线增益（但不能提供分集增益）。
　　接下来，我们看看自适应阵列。多个天线接收到的信号被乘以权重、合并，并以最大化ＳＩＮＲ、ＭＭＳＥ、ＭＶ等为原则。这些阵列理论上可以用Ｍ个天线完全消除Ｎ个干扰源，获得倍分集增益（Ｎ≤Ｍ）。很大程度上消弱Ｎ＞Ｍ的干扰源也是可能的。然而，这就要每个天线由一个接收器，以衰落速率跟踪修改天线权值，相当于在多波束天线中每隔数秒就进行一次波束切换。
　　智能天线使用现有的ＣＤＭＡ标准。与ＴＤＭＡ相比，智能天线系统更适用于ＣＤＭＡ蜂窝系统，这是由于ＣＤＭＡ蜂窝系统的反向链路不需要同步。
　　３ 应用
　　３．１ 基站智能天线系统
　　目前，业界大多关注的是在基站上实现智能天线。在基站上实现智能天线有三个比较关键的方面。
　　3.1.1 阵列天线
　　智能天线使用一列低增益天线阵元，连接在合并网络上。一般系统使用具有相同几何情况的阵元以简化阵列的合并与分析，我们只要对各个阵元上的信号的辐值和相位进行分离或合并，就可以达到调整天线方向图的目的。
　　智能天线属于离散形天线，对于他的线性合成用形式，即Ｅ＝Ｅｊ。
　　对于直线阵（特别是等距离直线阵）目前具有有效的数学变换工具可资利用，诸如傅立叶变换、Ｚ变换等。然而，对于一般阵列缺乏合适的数学变换工具，不得不依靠数值逼近的方法。
　　需要注意的是，实际的阵列，每个阵元都有一定的物理尺寸，是要对入射场产生二次辐射，这样二次场就引起阵元间的互耦，互耦可以改变波形方向图，使其抗干扰的能力降低。
　　图２给出了用于ＣＤＭＡ系统基站的智能天线系统图，包括接收（上行链路）和发射（下行链路）部分。
　　3.1.2 接收部分（上行链路）
　　用户信号被阵元接受后，经过Ａ／Ｄ转换、下变频、解扩并与权值相乘后，被合并为一路到接收机。该合并信号与本地参考信号进行比较，进入到自适应信号处理器，根据一定的准则，经过自适应算法，调整权值。
　　用于调整权值的自适应算法是其核心。适用于ＣＤＭＡ基站的自适应算法主要分为两类：一类是根据最小均方误差、ＳＩＮＲ信噪比、输出噪声功率等通用准则，得到自动调整加权系统的算法，不需要判别用户信息到达方向（ＤＯＡ），如：ＬＭＳ，ＲＬＳ等。另一类是根据判别各用户的ＤＯＡ自动调整权值，分别对各个用户实现最佳接收，如：ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴ等算法。
　　3.1.3 发射部分（下行链路）
　　智能天线的发射部分与接收部分非常相似，主要差别在于发射时没有有效的下行信道响应信息可以提供。技术上，最常采用ＤＯＡ估计进行几何近似：假设方向具有可逆性，假设下行链路上信号到达用户的信道和上行链路的信号到达基站的信道时是一样的。
　　３．２ 移动台智能天线研究进展
　　虽然第三代移动通信没有在移动台采用移动智能天线，但是因为移动台天线系统在未来的通信系统中将起到重要作用，所以本文对移动台智能天线的原理及其研究情况进行介绍：
　　目前，对移动台智能天线系统进行的研究主要集中在三个方面：用于移动智能天线系统的新型天线；低复杂度的合并算法；电路结构以及移动台智能天线系统的新型天线。
　　移动台要求体积小、功耗低。这就决定了用于移动台的智能天线与用于基站的智能天线有很大的不同，用于基站的智能天线不过多地受限于体积和功耗，因此在实现难度上前者要高于后者。由于体积限制，移动智能天线的天线单元的间距一般较小。但是这又会引起天线单元间的互耦增强。互耦使馈入某一天线的能量的一部分被其它天线阵元所吸收，使得整个智能天线系统的辐射性能下降。由天线在电磁场中发射和接受信号是互逆的可知，互耦使得整个智能天线系统的接受效率也降低。补偿互耦的方法可以有效削弱互耦的影响，但是也只能削弱互耦的影响而不能完全补偿互耦的影响。因此，找到体积小、隔离度高、带宽宽的多端口分集天线应用于移动台，是实现移动台智能天线系统技术的关键。
　　４ 展望
　　对于用于基站的智能天线系统而言，其中多波束天线虽然在工程上容易安装、使用，而且已有投入商用的例子，如Ｍｅｔａｗａｖｅ公司的ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ系统，但是它具有以下缺陷：
　　（１）波束切换频繁；
　　（２）能够实现较佳接收，选择波束方向对准用户，但是对非期望用户的干扰的抑制非常有限；
　　（３）系统容量提高不大。会出现有的扇区用户很多，而有的扇区用户很少的情况。
　　本文提出一种想法：自适应多波天线。基本想法是：扇区的大小不像多波束天线阵列那样固定（如３０°），而是根据某一扇区内用户运动速度和用户数量的相对多少来改变扇区的大小。如果用户运动速度较快，那么增大扇区角度可以减少用户切换的次数，避免分集增益降低；如果某一扇区内用户运动速度较慢，而且用户密度相对较高，那么天线自动调小扇区角度，增加系统容量。此处提出的想法是将多波束天线与全自适应天线结合。它不同于多波束天线的地方是需要有自适应调节扇区大小的功能，但是也不象全自适应天线那样要求基站天线阵元数量大于等于用户数，波束实时跟踪用户，算法的速度要跟上信号衰落速度。这样，工程上施工较为容易，性能又较多波束天线有所提高。但该想法的数值仿真还有待于进一步实现。
　　５ 结束语
　　将智能天线应用于移动通信，可以大大改善移动通信系统的性能，增加系统容量，是一种抑制干扰的有效方法。随着基站智能天线系统与移动台智能天线系统的理论研究技术实现的不断发展，个人移动通信在将来会发展成为空分多址（ＳＤＭＡ），这意味着同一蜂窝单元中的用户可以仅仅依靠角度区分。智能天线的应用前景是美好的，但是目前仍有许多难题亟待广大科技工作者去共同解决。＆
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