智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用

滕碧紅

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，福建 龍巖364021）

在時域、頻域、碼域資源被充分挖掘之后，為了滿足無線通信系統(tǒng)容量進一步擴大的迫切需求，空域資源的開發(fā)自然地進入人們的視線，智能天線技術(shù)、多天線技術(shù)等天線技術(shù)應(yīng)運而生，并且成為各類通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 智能天線概述

1.1 智能天線的基本原理

智能天線是一種能夠根據(jù)所處的電磁環(huán)境來調(diào)節(jié)或選擇自身參數(shù)，從而使通信系統(tǒng)保持最佳性能的天線技術(shù)。智能天線技術(shù)是在陣列天線理論、微波和射頻技術(shù)、自動控制理論、自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、軟件無線電技術(shù)和集成電路技術(shù)等多個研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展而成的一門新技術(shù)。［1］智能天線采用空分多址技術(shù)（SDMA），利用信號在傳輸方向上的差異，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。

1.2 智能天線的分類

根據(jù)智能天線工作原理的不同，智能天線可以分為：多波束智能天線和自適應(yīng)智能天線。

（1）多波束智能天線

多波束智能天線主要采用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此，也稱為波束轉(zhuǎn)換天線。它在對用戶區(qū)進行分區(qū)（扇區(qū)）的基礎(chǔ)上，使天線的每個波束固定指向不同的分區(qū)，使用多個并行波束就能覆蓋整個用戶區(qū)，從而形成了形狀基本不變的天線方向圖。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時，根據(jù)測量各個波束的信號強度來跟蹤移動用戶，并能在移動用戶移動時適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換波束，使接收信號最強，同時較好地抑制了干擾，提高了服務(wù)質(zhì)量?？梢哉f，多波束天線是介于扇形定向天線與自適應(yīng)智能天線之間的一種技術(shù)。

（2）自適應(yīng)智能天線

自適應(yīng)智能天線原名叫自適應(yīng)天線陣列，是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向（既可接收又可發(fā)送）天線。它基于自適應(yīng)天線原理，采用現(xiàn)代自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，通過選擇合適的自適應(yīng)算法，利用天線陣的波束賦形技術(shù)動態(tài)地形成多個獨立的高增益窄波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達方向，同時旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達方向，以增強有用信號、減少甚至抵消干擾信號，提高接收信號的載干比，同時增加系統(tǒng)的容量和頻譜效率［2］。從空分多址技術(shù)角度來說，它是利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，從而最大限度地利用有限的信道資源，增加系統(tǒng)的容量和提高頻譜效率。

從雙向天線的角度來講，智能天線包括兩個重要組成部分：一是對來自移動臺發(fā)射的多徑電波方向進行到達角估計，并進行空間濾波，抑制其他移動臺的干擾。二是對基站發(fā)送信號進行波束形成，使基站發(fā)送信號能夠沿著移動臺電波的到達方向發(fā)送回移動臺，從而降低發(fā)射功率，減少對其他移動臺的干擾。

1.3 智能天線在移動通信中的作用

（1）提高系統(tǒng)容量。智能天線采用了空分多址技術(shù)，利用空間方向的不同進行信道的分割，在不同的信道中可以在同一時間使用同一種頻率而不會產(chǎn)生干擾，從而提高了系統(tǒng)容量。

（2）降低系統(tǒng)干擾。智能天線技術(shù)可以借助有用信號和干擾信號在入射角度的差異，選擇合適的天線接收模式，即將波束的主瓣對準(zhǔn)有用信號，波束的旁瓣或零陷對準(zhǔn)主要的干擾信號方向，從而更有效地抑制干擾。

（3）減小多徑效應(yīng)。在CDMA 系統(tǒng)中利用RAKE接收機可對時延差大于一個碼片的多徑信號進行分離和相干合并，而借助于智能天線可以對時延不可分但角度可分的多徑信號進一步分離，從而更有效地減小多徑效應(yīng)。

（4）擴大覆蓋區(qū)域。由于智能天線有了自適應(yīng)的波束定向功能，因此與普通天線相比，在同等發(fā)射功率的條件下，采用智能天線技術(shù)的信號能夠傳送到更遠(yuǎn)的距離，從而增加了覆蓋范圍。

（5）降低系統(tǒng)建設(shè)成本。由于智能天線技術(shù)容易實現(xiàn)較大增益，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)擴大覆蓋區(qū)域，因此基站的建設(shè)數(shù)量可以相對減少，降低了運營商的建設(shè)成本。

（6）實現(xiàn)移動臺定位。智能天線的另一個用途是進行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度。在陸地移動通信系統(tǒng)中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線單元所連接收機產(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方向，即用戶終端的精確方位。如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時確定持機者所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便，而且還可開發(fā)更多的增值業(yè)務(wù)。

2 智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）智能天線在FDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在FDMA系統(tǒng)中采用智能天線后，與傳統(tǒng)天線覆蓋的三扇區(qū)基站相比，載干比（C/I）值平均提高約8 dB，大大改善了基站覆蓋效果；頻率復(fù)用系數(shù)由7改善為4，減小了同頻復(fù)用距離，提高了頻率復(fù)用系數(shù)，也就提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量。而且在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，采用智能天線技術(shù)可有效地降低無線通信掉話率和越區(qū)切換失敗率。

（2）智能天線在TDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在TDMA系統(tǒng)中，無線能量在時間和空間上都受到限制，如采用智能波束切換則可提高載干比（C/I）指標(biāo)。如果采用4個30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線，載干比（C/I）值可提高約6 dB，有效地提高了系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng)載干比（C/I）值最小的前提下，提高頻率復(fù)用系數(shù)，也就提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量。

（3）智能天線在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在CDMA系統(tǒng)中，智能天線可進行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟/更軟切換控制；智能天線的空間域濾波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng)，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。

（4）智能天線在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行上行波束賦形，達到最佳接收效果。由于本系統(tǒng)采用TDD方式，可將上行波束賦形數(shù)據(jù)直接用于下行發(fā)射信號，實現(xiàn)對下行波束的賦形。天線波束賦形等效于提高天線增益，改善了接收靈敏度和基站發(fā)射功率，擴大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑衰落的影響。

（5）智能天線在DECT、PHS等系統(tǒng)中的應(yīng)用

DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移動通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進行智能天線實驗時，采用和評估了多種自適應(yīng)算法，并驗證了智能天線的功能。日本在PHS系統(tǒng)中的測試表明，采用智能天線可減少基站數(shù)量。

（6）智能天線在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

采用智能天線技術(shù)可有效地提高第三代移動通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量。

a.在TD－SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國的TD－SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。TD－SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個完全相同的天線元素均勻分布在一個半徑為R的圓上組成的環(huán)形天線陣［3］。在上行鏈路中，智能天線起最大功率比合并的作用，結(jié)合聯(lián)合檢測技術(shù)實現(xiàn)空時聯(lián)合檢測；而在下行鏈路中，智能天線起下行波束賦形的作用，實現(xiàn)預(yù)先抑制干擾和補償無線信道的功能。TD－SCDMA系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量、減少用戶間干擾、擴大小區(qū)覆蓋范圍、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性及實施用戶精確定位等。

b.在W－CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在W－CDMA系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)天線陣列技術(shù)。智能天線可以對高速率用戶進行波束跟蹤，起到空間隔離、消除干擾的作用；大大增加系統(tǒng)容量；增加覆蓋范圍，改善建筑物中和高速運動的信號接收質(zhì)量；提高信號接收質(zhì)量，降低掉話，提高語音質(zhì)量；減少發(fā)射功率，延長移動臺電池壽命；提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。

c.在CDMA2000系統(tǒng)中的應(yīng)用

在CDMA2000系統(tǒng)中采用的是自適應(yīng)反饋智能天線系統(tǒng)［4］。智能天線能夠根據(jù)上行鏈路的導(dǎo)頻信號來進行波束形成，得到智能天線增益；同時根據(jù)接收到的用戶信號來確定用戶的位置，并形成指向用戶方向的下行波束。采用自適應(yīng)反饋智能天線的CDMA2000系統(tǒng)與普通的全向天線相比，能改善信干比及減小區(qū)間干擾，從而增加系統(tǒng)容量和吞吐量。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了智能天線技術(shù)的概念、分類、基本原理、作用以及智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。智能天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下大幅度提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量，是無線通信領(lǐng)域的一個重大突破。智能天線技術(shù)作為增大通信系統(tǒng)容量的重要途徑成為了各類通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

［1］ 金榮洪，耿軍平，范 瑜.無線通信中的智能天線［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［2］ 劉 鳴，袁超偉，賈 寧，黃 韜.智能天線技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 崔雁松.移動通信技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［4］ 郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.