智能天线技术

目录
TD-SCDMA系统的智能天线技术 (1)
智能天线和空间分集接收技术 (2)
智能天线技术在GSM网络中的应用 (6)
智能天线的关键技术 (9)
智能天线技术及在移动通信中的应用 (11)
智能天线在CDMA网络优化中的作用 (14)
容量与速率齐加速 (15)
智能天线技术改善频谱使用效率 (17)
TD-SCDMA系统的智能天线技术
智能天线的基本概念
近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。

智能天线采用空分多址（SD MA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。

与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。

同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。

CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用（SDMA）功能，来提高系统的容量和频谱利用率。

这样，TD－SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FD MA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。

智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。

智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

智能天线的工作原理
TD－SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。

智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。

该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。

在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。

为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。

TD－SCDMA使用的智能天线当N＝8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。

每个振子的增益为8dB，则
该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。

由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。

智能天线的主要功能
根据以上基本原理，在CDMA系统（无论是TDD或FDD方式）中，采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：提高了基站接收机的灵敏度，提高了基站发射机的等效发射功率，降低了系统的干扰，增加了CDMA系统的容量，改进了小区的覆盖，降低了无线基站的成本。

由于采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率，能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。

在业务稀少的乡村，无线覆盖范围将增加一倍，这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1/4。

天线增益的提高也能够降低高频功率放大器（HPA）的线性输出功率。

因为HPA的费用占收发信机成本的主要部分。

所以，智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。

智能天线和空间分集接收技术
直接序列码分多址技术日益成为现代移动通信的主要接入方式，但是它的系统性能受限于无线信道的多径衰落、多址干扰（ＭＡＩ）和符号间干扰（ＩＳＩ），如何消除这些影响是提高无线通信系统性能的主要课题。

空时处理技术是当前的研究热点之一，在空间域和时间域联合处理接收信号可以充分利用空间信号处理技术和时间信号处理技术的优势，有效抵抗ＩＳＩ、减少ＭＡＩ、增加分集增益以及提高阵增益，达到的效果是单个天线的单时间处理方法无法实现的。

众所周知，均衡技术和ＲＡＫＥ接收技术可以在时间域抑制信道衰落和抵抗ＩＳＩ。

均衡技术是对信道传播特性的均衡，用于抵消无线信道的时变多径传播特性造成的ＩＳＩ，适合多径信号不可分离的情况。

如果接收的多径信号可以分离，则可以利用ＲＡＫＥ分集接收技术将分离的多径信号合并起来，增加分集增益。

所以空时处理技术的区别主要在于空间信号处理技术。

当前，描述空间处理技术的术语有智能天线、自适应天线、切换波束天线和空间分集接收技术等。

本文中的智能天线技术定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。

智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、ＭＡＩ以及多径干扰信号。

智能天线包括自适应天线和切换波束天线：自适应天线阵自适应地识别用户信号的到达方向，通过反馈控制方式连续调整自身的方向图；而切换波束天线则是预先确定多个固定波束，随着用户在小区中的移动，基站选择相应的使接收信号最强的波束。

空间分集接收则是利用分集合并技术在空间合并多个不相关的接收信号，可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能。

智能天线和空间分集接收技术本质上是不同的，但是迄今为止却没有文献对这２种技术详细地进行过比较，甚至有文献说术语“优化合并”和“自适应波束形成”是可以互换的。

所以这２种技术到底有何区别，以及如何根据通信环境选择不同的空时处理技术一直困扰着人们。

本文在这方面做了一些工作，具体分析了空间分集接收技术和智能天线（主要是自适应
天线阵）的工作原理、两者的区别以及适用场合。

作者首先研究了移动台和基站之间的无线传播特性、空时信道模型以及不同环境的多径特性，提出了ＣＤＭＡ通信系统存在的主要问题，在此基础上分析对比了这２种空间处理技术解决问题的依据和区别，以及每种技术的适用场合。

由于在移动台放置多个天线不太实际，所以本文主要从基站角度出发分析上行链路的空时处理技术。

一、问题的提出
１．无线信道传播特性
移动通信环境下的电波传播具有自由空间传播损耗、阴影衰落以及多径衰落等特点，其中多径衰落对无线信道上传输的信号有很严重的影响，电波的反射、散射和衍射使接收信号产生了时延扩展、频率（Ｄｏｐｐｌｅｒ）扩展和角度扩展。

（１）时延扩展
假设发射信号是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收到的信号为一串脉冲，因此接收信号的波形比原脉冲展宽了，造成了ＩＳＩ。

（２）频率扩展
由于移动用户与基站的相对运动，每条多径都会有一个明显的频率移动，引起时间选择性衰落，即信号幅度随着时间变化。

（３）角度扩展
角度扩展是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，产生了空间选择性衰落，即信号幅值与天线的位置有关。

２．多址干扰
同时，在ＣＤＭＡ无线通信系统中，所有小区的用户使用相同的时隙和频带，且用户接入到基站的上行链路通常是异步的，即每个用户码字的到达时间都不相同。

由于非正交的发送码字以及多径效应的影响，接收机收到很多其他用户的多址干扰信号，严重情况下会造成“远近效应”，使ＣＤＭＡ系统的容量受到限制或无法正常工作。

因此，由时延扩展引起的ＩＳＩ、角度扩展带来的空间深衰落以及来自同小区和邻近小区的ＭＡＩ是影响ＣＤＭＡ系统性能的极为重要的几个问题。

基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理技术可用于减少ＩＳＩ、ＭＡＩ和抵抗空间选择性衰落，这２种技术的区别也体现在它们是如何克服这些干扰的。

３．空时信道模型
经典的信道模型只考虑了接收信号的功率和多普勒频谱分布，并假设信号到达方向（ＤＯＡ）服从大于０，且小于或等于２π的均匀分布，这种信道模型并不能反映信号在无线信道中传输的角度扩展特性。

但是智能天线和空间分集接收技术的实现方式完全依赖于天线接收信号之间的相关性，所以要具体分析信号通过无线通信信道传输后的空间特性是如何影响天线阵系统的性能的，就必须建立空时信道模型。

圆盘散射模型（ＣＤＳＭ）说明了不同空间点上接收信号包络的相关性与信号的空间特征有关。

４．不同环境的信道特性
信号在不同环境（乡村和郊区、城市、购物中心或室内环境等）中的时延扩展、频率扩展和角度扩展都不相同，而接收信号的空间相关性是由到达接收机天线阵的信号的角度扩展决定的，所以可针对不同环境设计基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理接收机。

（１）乡村和郊区
基站天线通常位于非常高的塔或山顶，高于一般建筑物或其他结构，可以提供视距传输。

发射信号主要经移动台附近的物体和远端散射体散射或反射之后到达基站。

在这种环境中，有一定的时延扩展，并且基站处的多径分量限制在一个很小的角度区域内。

（２）城市
在密集的城市地区，无论是基站附近，还是移动台周围都会有很多建筑物或障碍物，通常不存在视距传输。

发射信号通过多条路径到达接收机，时延扩展和角度扩展都很严重。

（３）购物中心或室内环境
基站天线一般设在建筑物内，由于室内有很多物体，所以基站接收的信号同时受到基站和移动台附近物体的散射作用，接收信号的角度扩展很严重，但是没有明显的时延扩展。

二、智能天线和空间分集接收技术
根据以上的分析，本文从７个方面对智能天线和空间分集接收技术进行了比较。

１．基本原理
智能天线利用到达天线阵的信号之间的完全相关性形成天线方向图。

根据基站接收信号的ＤＯＡ密度，实时调整天线的方向图，使天线主波束对准用户信号的到达方向，旁瓣和零陷对准干扰信号的到达方向。

由于多径结构以及移动用户所处的物理环境等因素的差别，理想信号和干扰信号的ＤＯＡ通常都是不同的，智能天线就是利用这种空间相位特性分离频率相近但ＤＯＡ不同的信号。

２．阵列结构
阵元间距过大会减小接收信号彼此的相关程度，太小则会在方向图上形成不必要的旁瓣。

在空间分集接收系统中，天线单元之间的间隔必须为多个波长，以确保到达天线阵各个单元的信号是互不相关的。

３．抑制干扰的方式
智能天线根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道。

在有限的方向区域内接收信号，可以有效地减少接收到的ＭＡＩ以及理想用户和其他用户的多径信号数量，本质上增加了接收机的输入信干噪比（ＳＩＮＲ），从而提高了系统容量和接收质量。

分集接收技术并不能象智能天线一样明显地减少ＭＡＩ的数目，它只是在空间上合并多个不相关的信号副本，利用各种合并准则确定加权系数，使接收端的ＳＩＮＲ最大或均方误差最小，从总体上抑制ＭＡＩ和ＩＳＩ。

４．抑制干扰的数目
在智能天线系统中，Ｍ个天线能够形成（Ｍ－１）个零陷，最多可以消除（Ｍ－１）个干扰信号。

并且当干扰数目远远超过天线数目时，天线阵无法有效形成波束对准有用信号。

天线接收分集则是通过分集合并技术从总体上抑制多径干扰和ＭＡＩ，使系统的输出ＳＩＮＲ最大。

所以当干扰数目远大于天线数目时，也可以达到较好效果。

５．ＤＯＡ信息
在空间分集接收系统中，由于不需要形成方向图对准有用信号，所以不需要ＤＯＡ信息。

但是，到达天线阵的信号的ＤＯＡ信息在智能天线技术中却非常重要。

因此，ＤＯＡ估计是非常关键的技术问题。

６．主要缺点
在密集的市区内，存在大量的多径传输，此时的天线阵会在不同方向接收到来自同一用户的相干信号，ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法无法分辨接收信号的到达方向。

所以采用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法估计ＤＯＡ的智能天线系统不能用于多径丰富的场合。

而分集接收其实是一种单用户的接收技术，通过增加空间和时间分集阶数来提高分集增益。

但是当功率控制误差较大时，很可能接收机接收的是干扰信号，而不是有用信号，从而造成严重的“远近效应”。

７．适用场合
不同空间点上接收的信号包络的相关性将决定使用的空时处理技术。

通常，大的角度扩展和增加天线阵的单元间隔会使天线接收到的信号之间的相关性降低，此时宜采用天线阵的空间分集接收技术；当角度扩展小、且用户数较少时宜采用智能天线技术。

在平坦的效区和乡村环境，多径分量少，而且干扰用户也不多，所以天线阵单元接收信号的相关性较强，此时可以利用智能天线技术形成主瓣对准用户，在干扰方向上形成零陷。

而分集接收技术更适合多径丰富的城市、购物中心或室内环境。

三、结语
本文分析了信道的空时传输特性以及ＣＤＭＡ系统存在的主要问题，由此给出了智能天线和空间分集接收技术的工作原理和两者的区别。

智能天线技术主要应用于干扰用户较少，以及角度扩展不大的场合，它利用接收信号之间的相关性自适应地形成波束，在有限方向上接收信号，减少了ＣＤＭＡ系统接收到的干扰和多径信号，从而抑制了ＭＡＩ和ＩＳＩ；使用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ方法进行ＤＯＡ估计的智能天线不能应用于多径丰富的场合。

空间接收分集技术适用于角度扩展大的场合，合并不相关的接收信号以抑制空间选择性衰落，并不能减少ＭＡＩ和多径信号的数目，但是可以从总体性能上抑制ＭＡＩ、ＩＳＩ和ＩＣＩ，改善系统的ＳＩＮＲ。

智能天线技术在GSM网络中的应用
一、智能天线应用背景
最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。

近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，天线系统的可靠性与灵活程度不断提高。

智能天线技术可用于具有复杂电波传播的移动通信环境。

智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA （DirectionofArrinal），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。

在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

实际上，它使通信资源不再局限于时间域、频率域或码域而拓展到了空间域，属于空分多址（SDMA）体制。

第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用，因此，在3G标准如WCDMA和cdma2000中，支持智能天线的条款已经出现，智能天线已成为3G的重要组成部分。

目前除了极少数的国家有正式的3G商用网，我国和大多数地区3G仍然处于试验网的阶段，预计未来两到三年内GSM网络仍然是移动话务的主要承载网络。

在中国大中城市GSM网的用户数以每年约20%比例增加，在部分热点地区，每平方公里承载的话务量甚至达到了1500erl。

GSM网络的容量在硬件配置充分的环境下完全受限于网络的频率资源，在有限的频宽下，要增加网络容量，只能减小频率复用距离，而频率复用距离越近，网络的干扰越高。

根据目前GSM网络运营的经验，在保证使用合适的小区信号的前提下，要保持网络质量在客户可接受的话音质量（清晰无杂音）范围内，则必须按照载干比在18dB以上进行无线网络规划。

无论是按照传统的4/12频率复用方式还是利用MRP或1*3频率复用方式，在现有频宽下均最多按照12dB的载干比进行频率规划，剩余的载干比只能依靠动态功率控制、跳频、不连续发射等功能的增益进行补偿。

降低网络的干扰水平、提高系统的载干比在GSM 高速增长期，特别是在GPRS业务正式商用后显得非常重要，因此不少GSM生产厂商和运营商都在考虑将3G标准中的智能天线用于GSM网络中，一些厂商如爱立信、麦得威等公司在话务高的局部区域开展了相应的研究和试验，并取得了较理想的效果。

二、智能天线的原理
具有高增益、窄波束相位阵列天线的智能切换天线正在替代传统的扇区天线。

一个多波束的天线面板包括了4个30?(或者22.5?)的波束，因而接收信号时能够接收到比标准扇区天线更少的干扰信号，故而提高接收信号的质量。

根据理论计算，一个包括4个可切换的窄波束天线的平均C/I值可比传统的3-扇区天线系统增加6dB。

智能天线系统以时隙为基础连续地进行波束选择，以确保用户在通话过程中的话音质量。

用于试验的智能天线有两部分组成，即一根多波束阵列天线和一根双极化天线，这两部分可整体封装在一个天线平板中也可以分开使用。

多波束阵列天线是一个由6?8天线阵源的天线阵列形成的4个水平3dB波瓣宽度22.5?多波束阵列天线，一般称其为窄波束天线，其主要功能是发射话务信道的信号（TCH）和接收上行信号；双极化天线包含2个水平3dB 波瓣宽度90?天线，一般称其为宽波束天线，其功能是发射控制信道的信号（如：BCCH，SDCCH和CBCH 等等）。

三、智能天线在GSM网络中的应用实例
1．引入智能天线的小区选择
由于智能天线引入时需对网络做相应的硬件改造，同时考虑到其价格，在目前的GSM 网络中比较适合的策略是在局部站点引入智能天线。

引入智能天线的目的主要在于利用其特点降低网内的频率干扰，因此建议引入智能天线的无线基站选择那些站点位置高、对其他小区干扰严重的站点。

如深圳的试验站点选择了市区的一个小区，该站点比周围站点的高度高出约10米、与周围站点平均站距为500米，在该小区覆盖区域存在较多的信号重叠覆盖。

2．道路测试中下行干扰的改善
为了更明显地对比引入智能天线前后对下行干扰的情况，在试验过程中，我们人为地将与试验小区方向正对的小区频率改为与试验小区同频。

理论上，智能天线将下行信号强度集中在有话务的区域，因此会降低对其他小区的干扰，其中（a）为使用普通定向天线的小区覆盖情况，(b)为使用智能天线的小区覆盖情况。

（1）下行信号强度的比较
在实际应用中通过对比智能天线引入前后的下行信号强度的变化，可评估其对下行干扰的改善，智能天线通过减少下行场强达到降低对其他小区干扰的目的。

在试验中针对智能天线不同波束方向在忙时（10：00-12：00）进行了持续的场强测试（超过15分钟）。

信号场强降低程度在1.4-8.1dbm间变化，信号强度变化不同的原因，一方面是天线的扇形覆盖，另一方面是话务在不同波束方向的分布不同。

（2）载干比的对比测量
由于原网络中频率复用距离很远，同频干扰很小，为了加强对比效果我们将与试验小区方向正对的邻小区改为同频小区（这种情况在目前的扇区天线下是会引起严重质差应尽量避免的）。

选中的邻小区是最可能受到试验小区干扰的，特别是在该区域的一条主干道上，选中的小区为服务小区，试验小区为第一邻区。

选择主干道上的7个点为C/I的测试点，利用TEMSinvestgation测试频点1的C/I值，对比更换智能天线前后的C/I值。

更换天线前后，干扰信号强度变化曲线规律一致，说明更换前后的无线环境是类似的。

对比更换前后的干扰小区信号强度，应用智能天线后下行干扰最大可降低3.3dB，相当于降低了53%的下行干扰。

测试点1、2、3的下行干扰没有改善，估计是由于测试点周围有阻
挡引起测试点收到较多的反射信号。

3．统计指标的对比
在试验期间，我们对比掉话率、SQI（话音质量指示）、话务掉话比等各项指标并进行了总体观察，发现应用了智能天线后，试验小区及周围邻小区话务质量有了一定的改善。

（1）话音信道掉话率指标的前后对比如。

使用智能天线后，小区集的掉话率指标有一定提升，使用了智能天线后，平均掉话率从0.46%下降为0.41%。

（2）SQI指标情况
以SQI为“好”的等级比例在应用智能天线前后的变化为例，整个小区集的SQIGOOD 比例从85.71%上升到了87.94%，这表明在应用智能天线后用户可以享受到更好的语音质量。

（3）话务掉话比是可以较全面地衡量网络质量变化的一个指标，在应用智能天线前后，话务掉话比也有明显提升，从105.22分钟提高到128.24分钟，即两个连续掉话的时间间隔扩展了23分钟。

4．上行干扰的改善
理论上，由于智能天线是多波束的天线，因而接收信号时能够将接收的多径信号进行最大比例合路计算得到比标准扇区天线更少的干扰信号，故而提高接收信号的质量，达到改善上行干扰的目的。

与下行干扰的改善不同的是，应用智能天线后只改善应用了智能天线的小区，而下行干扰的改善是针对整个区域的小区。

上行干扰的指标由统计人员通过OSS的上行质量统计、手机发射功率变化、话务统计指标三个方面进行分析。

（1）OSS统计的上行质量统计
在爱立信系统中，可通过BTS收集上行信号的质量得知，应用智能天线后小区的上行质量有所提高。

（2）OSS统计的手机功率变化
由于在系统中已应用了上行的功率控制，因此手机的发射功率一直根据BTS测量到的上行信号强度和上行质量情况来调节的，手机的发射功率越小，说明上行的信号强度和信号质量越好，在上行信号强度无明显的情况下，手机的发射功率与上行信号质量就有一定的对应关系。

爱立信的OSS统计中有针对手机发射功率的统计，应用智能天线后手机满功率（33dB）的比例从40%降低到18%，手机平均发射功率减少了2.7dB，相当于在空中手机发射功率降低了46%，这对上行干扰的改善是很大的。