摘 要 文章首先简单介绍了智能天线的提出背景，随后讲述了智能天线的基本概念、结构和原理、理论研究、实现进展，最后指出了智能天线存在的问题和发展的方向。

　　近年来，随着全球通信业务剧增，基站数量的不断增加以及个人通信等新概念的提出和ＩＭＴ２０００标准化的推行，新一代移动通信系统（即第三代移动通信系统，简称３Ｇ）的技术和系统开发已经成为移动通信最热门的话题。第三代移动通信系统的主要目标可以概括如下：在全球形成统一频率、统一标准、实现全球漫游并提供多种业务的服务。对ＩＭＴ２０００无线传输技术而言，ＩＴＵ要求在三种环境（室内、手持机和移动环境）下，支持话音和各种多媒体数据业务的速率分别高达２Ｍｂｐｓ、３８４ｋｂｐｓ、１４４ｋｂｐｓ实现高质量、高频率利用率及低成本的无线传输。这也表明第三代移动通信系统向高质量、宽带

化及低成本化发展。但要在复杂的移动通信环境和有限的频带资源下实现这个目标，还必须克服多径干扰、衰落损耗、扩展、多址干扰等因素的限制。智能天线技术为解决以上问题提供了一条全新的思路，它利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线主波束对准所需用户信号到达方向，旁瓣和零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用所需用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。因此，智能天线技术被运营商和制造商普遍看好，已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。
　　１ 智能天线的基本概念
　　智能天线的发展最早可追溯到４０年代的自适应天线组合技术，它使用锁相环进行天线跟踪。自适应阵列信号处理的重要开端是由Ｈｏｗｅｌｌｓ于１９６５年实现的，当时他提出了自适应陷波的旁瓣对消器。Ｇａｂｒｉｅｌ则是对自适应波束提出“智能天线”（Ｓｍａｒｔ Ａｒｒａｙ）术语的第一人。早在１９７８年，军用通信系统中已使用了自适应天线，主要用于雷达和声纳技术。但在民用的蜂窝式通信中使用智能天线却是在１９９０年才提出的，而且技术远不及军事上成熟。这主要是因为应用的具体环境和条件有较大的改变。
　　智能天线技术利用信号传输的空间特性抑制干扰，从空间入射角度区分所需信号和干扰信号。在抗干扰的处理过程中，智能天线利用干扰来自不同方向，控制天线方向阵的方向图，使它在所需方向上保持高增益，而在干扰方向上形成零陷，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。同时它还可以根据所需信号的干扰入射角度的变化，自动调整天线阵的方向图，实现变化智能跟踪环境的目的，达到最佳接收。智能天线通过反馈控制去自动调整自身波束的自适应天线，它是一种其他抗干扰方法不能取代的有效空域抗干扰措施，只要干扰与期望信号的来向不同，智能天线就能有效地发挥作用。
　　智能天线可分为３类：
　　（１）自适应调零智能天线以自适应天线为基础，采用自适应天线技术、自适应算法形成方向图；
　　（２）等旁瓣针状波束智能天线是以自适应天线技术为基础，但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图，且方向图的加权值是预先设置好的；
　　（３）数字波束形成智能天线是运用数字波束形成技术，将其波束自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。
　　自适应天线的最重要应用包括：
　　（１）信源定位：确定天线到信源的仰角、方位角、距离；
　　（２）信道估计：确定信源与阵列之间传输信号的参数；
　　（３）信源分离：确定各个信源发射的信号波形。
　　２ 智能天线的结构和原理
　　智能天线原理如图所示。它由四部分组成：天线阵列、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换、自适应算法控制器、波束形成网络。天线阵列包括阵元数和阵列形状。阵元数一般在移动通信中取８、１６等；阵列形状是指天线阵元之间的几何关系。天线接收信号时将模拟信号转换成便于处理的数字信号，发射信号时将处理后的数字信号转换成模拟信号。波束形成网络将来自各个单元天线的空间感应信号与权相加，权值数为复数，即每路信号的幅度和相位均可以改变。自适应算法控制器是智能天线的核心部分，根据一定的算法和优化准则去调整权值，适应周围电磁环境的变化。智能天线的智能主要体现为能够在一定范围内根据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应地进行调整。
　　假设所需信号Ｓｋ（ｔ）自ｋ方向射入，而干扰信号共有ｋ－１个，分别来自其他用户，其中第ｊ个干扰信号Ｓｊ（ｔ）从ｊ方向入射。则阵元接受的信号矢量为：
　　Ｘ（ｔ）＝Ｓｋ（ｔ）＋Ｓｊ（ｔ）＋Ｎ（ｔ）
　　其中：
　　Ｓｋ（ｔ）＝Ｓｋ（ｔ）Ｖｋ（ｋ）
　　Ｓｊ（ｔ）＝Ｓｊ（ｔ）Ｖｊ（ｊ）
　　分别表示期望接受的信号矢量和干扰信号，Ｎ（ｔ）为噪声矢量。而Ｖ（）为在矢量信道中阵元响应矢量。
　　经过加权后，天线阵的输出可表示为：
　　Ｙ（ｔ）＝ＷＴＳｋ（ｔ）＋ＷＴＳｊ（ｔ）＋ＷＴＮ（ｔ）
　　上式的右边三项分别对应天线阵输出的期望信号、干扰信号、噪声信号。智能天线中智能算法的目的就是确定最佳的权值以达到系统要求。
　　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定的窄向波束，使信号在有限的方向上接收和发射，充分利用了发射功率。与传统的时分多址（ＴＤＭＡ）、频分多址（ＦＤＭＡ）或码分多址（ＣＤＭＡ）相比，智能天线引入了空分多址（ＳＤＭＡ）。在相同时隙﹑相同频率甚至相同码元的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。需要说明的是，ＳＤＭＡ并不是与ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ等同的多址方式，而是附加在上述方式上的优化方案，即ＳＤＭＡ与其他多址方式结合，能最大限度的利用有效的频谱资源。
　　３　智能天线的理论研究
　　智能天线理论主要包含５个方面内容：自适应算法、波束变换的优化准则、数字波束形成ＤＢＦ、上行链路和下行链路。
　　自适应算法通常有２种类型，即非盲自适应算法和盲自适应算法。非盲自适应算法是指需要借助参考信号，专门发送导频信道信号或导频符号序列信号，利用这些辅助的参考信号实现自适应的算法。典型代表算法有：基于梯度的最小均方（ＬＭＳ）算法、差分最陡下降（ＤＳＤ）算法以及加速梯度（ＡＧ）算法；递规最小二乘（ＲＬＳ）算法；矩阵直接求逆（ＤＭＩ）等算法。盲自适应算法无需发送导频信号或训练序列，收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行处理。典型代表算法有：恒模算法（ＣＭＡ）、子空间算法、ＭＵＳＩＣ算法，此外还有有限符号集、循环平稳以及判决反馈和模糊神经网络等算法。
　　波束方向调整控制是按照准则来进行的，准则选择是否合理决定天线阵暂态响应的速度和实现电路的复杂度，它是智能天线阵列处理的核心部分。常用准则有：最小均方误差准测（ＭＭＳＥ）、最大信干躁比准则（ＭＳＩＲ）、最大似然准则（ＭＬ）以及噪声方差最小准则（ＭＶ）。可以证明所有这些准则的结果都可分解成为一个相同的线性矩阵滤波器和一个不同的标量处理器的积，且它们都收敛于最优维纳解。
　　波束成形是智能天线能否实现的关键，有关多用户检测算法、波束切换准则、上下链路研究，都是围绕波束成形进行的。从理论上讲，仅算法上达到要求就可以最优地实现ＤＢＦ但在实际中由于现有的各类算法计算量大，收敛速度满，跟不上用户移动的车速和时变信道的快衰落变化速率，几乎很难达到对不同用户的跟踪。鉴于以上事实，目前工程技术多采用准动态次最优的预多波束的波束切换方式，即在接受或发送端预先设置一组不同入射方向的窄波束，再根据接受或发送判断出期望信号的ＤＯＡ，按照一定的信号误差准则，在预置的多个波束中选取一个最合适的波束，并迅速切换到该波束上接受或发送信号。
　　智能天线的上行链路（从移动台到基站）实现方法有２种：基于ＤＢＦ网络的方法和基于符号序列估计的方法。基于ＤＢＦ网络方法的基本思想是利用ＤＢＦ网络，且各ＤＢＦ单元产生特定的加权矢量，加权矢量抑制干扰信号，保证分离出期望信号。基于符号序列估计方法的基本思想是用信号估计的方法同时分离多个同信道信号利用一定估计准则估计空间信道或符号序列，或直接估计各用户的符号序列，这种方法主要利用数字调制信号的有限符号集性质和周期平稳性。
　　智能天线的下行链路（从基站到移动台）实现比基站上行接收困难得多。主要问题是智能天线发射波束时很难准确获知下行信道的特征信息，而理想状态应是与信道瞬时特性相匹配的。实现下行发的一种可行方案是类似目前第二代移动通信中的上行功率控制技术，做成闭环反馈测试结构形式。即基站周期性的向移动台发射训练序列。实现下行发的另外一种可行方案是利用上行链路信息来估计下行信道，这一方案对于时分双工模式特别适用，但对于频分双工模式，由于上、下行频率比间隔较大，信道完全独立而不能使用。
　　４　智能天线的应用
　　国内外一些大学、公司和研究所将智能天线应用于实践中，取得了一定的成果。下面举例说明。
　　４．１美国
　　美国在智能天线技术方面较其他国家更加成熟，已开始投入实际应用中。美国的Ａｒｒａｙ Ｃｏｍｍ公司发展了针对ＧＳＭ标准和日本ＰＨＳ标准的智能天线系统。该公司已将智能天线应用于基于ＰＨＳ标准的无线本地环路中，并投入商业运行。该方案采用可变振元配置，有１２阵元、８阵元环形自适应阵列可供不同的环境选用。现场试验表明，在ＰＨＳ基站采用智能天线技术可使系统容量增加４倍。美国Ｕ．Ｓ ＷＥＳＴ Ｎｅｗ Ｖｅｃｔｏｒ Ｇｒｏｕｐ公司１２波束、２４波束的切换波束智能天线系统在密集城区和较稀疏的郊区进行了场外试验。试验结果对多波束智能天线的实用提供了很多有意义的参数选择。２４波束对传统的蜂窝小区能提供至少５ｄＢ的信号增强。
　　４．２ 欧洲
　　欧洲通信委员会在ＲＡＣＥ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｏ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅ）计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究，称之为ＴＳＵＮＡＭＴ。这个计划由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成，它采用ＤＥＣＴ标准，天线由８个阵元组成，射频工作于１．８９ＧＨｚ采用ＴＤＤ双向工作方式。硬件主要包括ＡＳＩＣ专用芯片ＤＢＦ １１０８和ＴＭＳ ３２０Ｃ４０，软件采用的自适应算法包括ＭＵＳＩＣ算法、ＮＬＭＳ算法和ＲＬＳ算法。试验表明系统的比特误码率优于０．００１，系统能有效跟踪的方向分辨率大约为１５°。
　　４．３ 日本
　　ＡＴＲ光电通信研究所研制基于加预处理的自适应波束形成处理方式的智能天线。系统采用１６阵元平面方阵方式，阵元间距为半波长，射频工作频率１．５４５ＧＨｚ。阵元接受信号在数模转换后，先进行快速傅立叶预处理，形成正交波束后采用恒模算法或最大比值合并分集算法，天线数字信号处理部分由１０片ＦＰＧＡ芯片完成。
　　４．４ 其他国家
　　我国信息产业部电信科学研究院所属的信威公司已成功开发出用于ＷＬＬ的ＴＤＤ方式Ｓ－ＣＤＭＡ产品，并应用于我国提出的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ方案中。该智能天线采用８阵元的环形自适应阵列，射频频率工作于１．７８５－１．８０５ＧＨｚ，收发间隔为１０ｍｓ接受灵敏度最大可提高９ｄＢ。此外，爱立信公司和德国运营商也将智能天线应用在了ＧＳＭ基站上。韩国和加拿大等国也开展了智能天线方面的研究。
　　５ 智能天线的挑战和未来
　　智能天线技术给移动通信系统带来的优势是目前任何技术都难以替代的。它对提高系统容量具有巨大的潜力，但同时也存在一些问题，如在实现智能天线时，要对每个用户进行定位，需要多个计算单元和控制单元，增加了基站收发机的复杂度；智能天线在设计发射波束时很难准确获知下行信道的特征信息，而理想的工作模式应该是与信道瞬时特性相匹配的，因此智能天线下行波束形成比较困难；智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大，对器件、时间和功率等要求较高，目前的硬件和算法还不能很好地满足；在基于智能天线的空分多址（ＳＭＤＡ）技术中，频谱分配和移动性管理对网络性能提出了更多的要求，资源管理成为一个新的问题。
　　到目前为止，智能天线技术还没有完全实现，生产的产品也仅仅是简单的预多波束切换天线。智能天线的研究涉及到多个领域，如天线阵、电波传输、数字信号处理等。智能天线在以后的研究中必须同一些相关技术相结合，如与多用户检测、多用户接收、软件无线电和功率控制等结合在一起。在自适应信号处理算法中，可引入神经网络和模糊技术等人工智能算法。在智能天线的应用上，可扩展到基于车载、移动台和卫星接受等系统。总之，智能天线是第三代乃至未来移动通信系统中的关键技术，有着光明的发展前景。＆
　　参考文献
　　1 吴伟陵编著.《移动通信中的关键技术》［M］　北京邮电大学出版社,2000
　　2　张平.王卫东.陶小峰等编著.《移动通信系统》［M］　人民邮电出版社,2001
　　3　林敏.龚铮权.智能天线及其在移动通信中的应用.《电信快报》　2000；3
　　张建辉.基于智能天线的空分多址（SDMA）技术及其应用［J］.《无线通信技术》　2002；6