智能天線技術(shù)的用途與技術(shù)應(yīng)用

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

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，可減少移動臺對基站的干擾，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 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)移動臺定位目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)。如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向，即用戶終端的方位。智能天線是一個天線陣列，它由N個天線單元組成。每個天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：

自適應(yīng)方向圖智能天線它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。另外，由于波束的零點(diǎn)對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時優(yōu)化上。智能天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號干擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時建立了信號環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號處理的理論和方法、自動控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來，已有30多年。大體上可以分成三個發(fā)展階段：第一個10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個10年主要集中在自適應(yīng)零點(diǎn)控制上;第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特征空間正交譜估計等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應(yīng)信號處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。

固定形狀方向圖智能天線固定形狀方向圖智能天線在工作時，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。近年來，一些研究小組針對個人移動通信環(huán)境的DOA檢測算法進(jìn)行了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究。Bigler等人的實(shí)驗(yàn)表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實(shí)測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實(shí)驗(yàn)中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4度。在多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測量是目前理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。已有多種傳播模型和分析方法，并用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環(huán)境(城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi))進(jìn)行了分析，給出了對應(yīng)的模型。在美國的Boston地區(qū)，New Jersey的高速公路，德國的Munich地區(qū)等進(jìn)行了大量的測試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對于窄波束，其時間色散可以減少。采用通信信號中的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點(diǎn)之一。

采用軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線智能天線需根據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸特性和環(huán)境，選用不同的算法來調(diào)整波束，甚至改變系統(tǒng)的資源管理狀態(tài)，為提高其運(yùn)用彈性和靈活度，采用軟件無線電(SDR)實(shí)現(xiàn)智能天線已成為主流趨勢。軟件無線電采用開放式架構(gòu)，以硬件作為其通用的基本平臺，通過軟件完成功能性的重組，以滿足不同環(huán)境、多模式、多功能的通信要求，同時具備可適應(yīng)性信號處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟件控制方式改變硬件特性的通信設(shè)備，均可視為軟件無線電系統(tǒng)。軟件無線電系統(tǒng)的發(fā)展方式類似于軟件開發(fā)，系統(tǒng)中各個硬件組件模塊可視為功能不同的對象(object)，根據(jù)呼叫的不同啟動相應(yīng)的執(zhí)行程序，因此可直接通過下載程序代碼的方式來置換對象，即可顯現(xiàn)在同一硬件平臺上，可適應(yīng)性的調(diào)整應(yīng)用架構(gòu)，借以提高系統(tǒng)的運(yùn)用彈性和擴(kuò)充能力，提供高效率、高彈性、高適應(yīng)性的處理能力。因?yàn)椴粚τ布M態(tài)進(jìn)行任何改變，所以系統(tǒng)具有易維護(hù)、易應(yīng)用的操作環(huán)境。鑒于未來無線通信系統(tǒng)的體制繁多，為使智能天線能配合系統(tǒng)進(jìn)行平滑的技術(shù)演進(jìn)，進(jìn)而能更彈性地運(yùn)用于多模系統(tǒng)中，軟件無線電將是未來智能天線研制的重要系統(tǒng)架構(gòu)。利用軟件無線電實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)示意如圖所示。軟件無線電系統(tǒng)由不同的硬件模塊所構(gòu)成，其中包括可組態(tài)通信系統(tǒng)模塊、基頻處理單元(含DSP及FPGA模塊)、數(shù)字寬頻收發(fā)單元(含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC))、實(shí)時操作系統(tǒng)及智能天線單元等。運(yùn)用軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展智能天線的最大挑戰(zhàn)在于各種算法的建立。