智能天線技術(shù)

隨著社會(huì)信息交流需求的急劇增加、個(gè)人移動(dòng)通信的迅速普及，頻譜已成為越來(lái)越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線，它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過(guò)滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，以達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)，能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個(gè)天線均需一個(gè)Rake接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。起源發(fā)展智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來(lái)，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時(shí)，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開(kāi)始在移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。另一方面移動(dòng)通信用戶數(shù)增加迅速，人們對(duì)移動(dòng)通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過(guò)在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號(hào)發(fā)射功率，降低了信號(hào)全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式，智能天線引入了第四維多址方式———空分多址(SDMA)方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高了移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能：⑴擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域;⑵增加系統(tǒng)容量;⑶提高頻譜利用效率;⑷降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染。

天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對(duì)于全向天線來(lái)說(shuō)，它的方向圖是一個(gè)圓;對(duì)于陣列天線，可以通過(guò)調(diào)整陣列中各個(gè)元素的加權(quán)參數(shù)來(lái)形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實(shí)時(shí)地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應(yīng)的方向圖的設(shè)備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號(hào)、抑制干擾信號(hào)為目的，例如將大增益的主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而在其它方向的干擾信號(hào)上使用小增益的副瓣。智能天線包括射頻天線陣列部分和信號(hào)處理部分，其中信號(hào)處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實(shí)時(shí)地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無(wú)線信號(hào)的情況;在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí)，也可能是通信對(duì)端關(guān)于發(fā)送信號(hào)接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構(gòu)成天線陣列。構(gòu)成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長(zhǎng)的一半，并且取向相同。智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成，如圖所示。實(shí)際智能天線結(jié)構(gòu)比圖復(fù)雜，因?yàn)閳D中表示的是單個(gè)用戶情況，假如在一個(gè)小區(qū)中有K個(gè)用戶，則圖1中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用，其余自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理器與相應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)需要每個(gè)用戶一套，共K套。以形成K個(gè)自適應(yīng)波束跟蹤K個(gè)用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶，剩下的K- 1 個(gè)用戶均為干擾用戶。智能天線可以按通信的需要在有用信號(hào)的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益.因此，智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用可以帶來(lái)如下好處：提高系統(tǒng)容量、減小衰減、抗干擾能力較強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力等。

智能天線在移動(dòng)通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統(tǒng)容量以及移動(dòng)臺(tái)的定位。

⑴抗衰落采用智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減少信號(hào)衰落的影響。智能天線還可以用于分集，減少衰落。

⑵抗干擾高增益、窄波束智能天線陣用于WCDMA基站，可減少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。

⑶增加系統(tǒng)容量為了滿足移動(dòng) 通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量，必須通過(guò)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(shù)，用多波束板狀天線代替普通天線。

⑷實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號(hào)，即對(duì)每個(gè)天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。