智能天线及其应用

智能天线及其应用

姓名：韩乃明学号：20112330 摘要

近年来，随着用户规模扩大和业务种类多样化，无线运营商对无线系统语音和高速数据提供能力的要求也相应提高了许多。为了满足这些要求，必须有新的技术出现并应用，智能天线正是一个具有良好应用前景的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为最活跃的研究领域之一，在第三代移动通信技术中承担了不可替代的巨大作用。本文在人们对天线传统认识的基础上阐述了智能天线的基本概念、特点、应用前景、系统性能的改善等进行了阐述,说明了智能天线技术对未来通信行业的推动作用。

一．简介

智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列以及多天线。智能天线通常指的是带有可以判定信号的空间信息（比如传播方向）和跟踪或定位信号源的智能算法，并且可以根据这些信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。[1]

随着社会信息交流需求的急剧增加以及个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用技术(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，和其他复用技术相结合，最大限度的利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形以及建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径以及共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效的解决这个问题。二．天线结构

智能天线采用的是一种多天线技术，它采用天线阵列形成可控的波束，指向并随时跟踪用户。它具有增加通信容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站发射功率，并具有定位功能的优点。智能天线通常由三部分组成：一是实现信号空间过采样的天线阵；二是对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络；三

是重新合并权值的控制部分。在移动通信应用中为便于分析、旁瓣控制和DOA（到达方向）估计，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。控制部分（即算法部分）是智能天线的核心，其功能是依据信号环境，选择某种准则和算法计算权值。[2]

智能天线结构图

三．智能天线的分类

有上文可知智能天线是一种天线阵列。它由多个天线单元组成，不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。对于每个天线单元都有一套加权器，可以形成多个不同方向的波束，用户数可以大于天线单元数。人们研究智能天线的最初原因是在频谱资源日益拥挤的情况下考虑如何将自适应波束形成应用于蜂窝小区的基站（BS），以之能更有效地增加系统容量和提高频谱的利用率。智能天线在空间选择有用的信号，抑制干扰信号，因此又称为空间滤波器，智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号，在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。根据采用的天线方向图形状，可以将智能天线分为两类。

1．自适应方向图智能天线

自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号的接收和发送，自适应天线阵列采用自适应算法，其方向图没有固定的形状，随着信号和干扰的变化而变化。自适应天线阵列系统采用的是数字信号处理技术来识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线的主波束。它的优点是算法比较简单，可以得

到最大的信号干扰比。自适应天线阵列着眼于信号环境的分析和权集实时优化上,所以动态响应速度相对较慢。

自适应天线阵列一般采用4～16个天线阵元结构，阵元间距一般为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型以及平面型。

2.多波束智能天线

多波束智能天线在工作时，天线方向图形状保持基本不变，它利用多个并行波束来覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，其通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而使得用户的信噪比得以提高，保证通信质量。基站在不同的相应波束中进行选择，从而使接收信号最强。多波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平从而来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无须迭代、响应速度更快，而且鲁棒性(robustness即系统健壮性)好，但它对天线单元与信道的要求更高，而且用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘或干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，因此多波束天线不能实现信号的最佳接收，所以一般只用作接收天线。

四．智能天线的应用

最初智能天线技术主要用于雷达、声呐、军事抗干扰通信以及用来完成空间滤波和定位等。但是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，数字信号处理芯片的处理能力不断提高，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，从而提高了天线系统的可靠性和灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信中。此外，随着移动通信的用户数迅速增长以及人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。它使得通信资源不再局限于时间域（TDMA）、频率域（FDMA）或码域（CDMA）而拓展到了空间域，属于空分多址（SDMA）体制。

(1)智能天线用于FDMA，TDMA及CDMA系统

FDMA系统采用智能天线技术之后，与通常的三扇区基站相比,其C/I值平均提高了约8dB,大大改善了基站的覆盖效果;频率复用系数由7改善为4,增加了系统的容量。在网络优化时,采用智能天线技术可大大降低无线通信的掉话率和切换失败率。TDMA系统采用智能天线技术之后可提高C/I指标。据研究指出，用4个30°天线代替传统的120°天线，C/I值可提高6dB，使得移动通信提高了服务质量。在满足GSM 系统C/I值的比值最小的前提下，提高了频率复用系数，增加了系统的容量。对于CDMA系统采用智能天线技术，可以进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区；通过智能天线灵活的辐射模式以及定向性，可进行软/硬切换的控制；智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，从而提高系统性能。[3]

(5)智能天线用于DECT、PHS等系统

DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用并且评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中进行智能天线实验的测试表明,采用智能天线可有效减少基站数量。我国一些地方受移动“本地通”业务的启发，提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网来争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,所以采用智能天线技术,则可降低成本。

(6)智能天线用于第三代移动通信技术（3G）

在WCDMA和CDMA2000中的应用。第三代通信系统被设计为一个可提供相当高速的数据业务的系统。但是，它还会像第二代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织3GPP已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的巨大作用，并且在3G 标准中制订了相关的条款。例如WCDMA 和CDMA2000 都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道，但是将要求他们使用智能天线系统。

对于WCDMA 和CDMA2000而言，智能天线虽然是推荐配置，但是当今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站产品已经开始支持智能天线并且在逐步扩大使用智能天线的基站范围了。

在TDSCDMA系统中的应用。TDSCDMA（时分同步的码分多址）采用智能天线技术的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。此外，智能天线还可减