“智能天线”介绍

智能天线译文（未校对）

P945-952

16.1介绍

回顾过去的十年，无线技术发展速度是难以置信的，因此发明新的技术和在降低成本下改善服务是必须的。这种情况增加了大量的通话时间和大量的用户。对于这种现象实际中常采用解决方案是利用空间处理技术。高通的创始人安德鲁维特比明确阐述了“空间处理技术被最有前途的，如果不是在最新领域，在多址接入系统发展领域。

空间处理技术的中心思想是自适应天线和智能天线系统。尽管自适应天线发明还要追溯到二次世界大战—巴特利特波束形成器。自适应天线是仅有的低功率数字信号处理，及信号处理技术的创新软件。智能天线系统引起了世界广泛兴趣。确实，关于智能天线目前出现了很多观点与教程，且大量的研究关于自适应和到达方向（DOA）运算用于智能天线系统.伴随着用户的快速增加和对无线通信服务要求快速提高.这就要求信号的覆盖面越来越宽,和传输速率越来越快.智能天线系统提供了这些问题的解决方案.

这篇文章讲述了智能天线系统的介绍和大体的观点。首先,让读者更容易理解,将智能天线系统比作为人类的音频系统,其次,通过介绍蜂窝射频系统以及变革来阐述智能天线的用途.这些观点遵守天线阵理论,到达时间和自适应数字处理算法,互扰,移动自组织网络,天线设计,天线设计关于网络容量的影响。通信频道误比特率(BER)。这篇文章的重要部分从[17]-[22].更多延伸讨论和细节在[17]每一节和其它的地方都有。

16.2 智能天线类比

当很多工程系统的功能被联想到人类身体系统[3]的时候，这些功能就可以很容易被理解。因此，若想了解智能天线系统如何工作，让我们首先想象二个人在黑暗的房间里交流，如图16.1（a）。当说话者移动的时候，听者有能力判断出他的位置。这是因为说话者的语音在不同的时间内到达了听者的耳朵（音频的传感器）。人类信号的处理器是大脑。大脑通过耳朵来接受音频来判断说话者的位置。大脑通过二个耳朵增强信号强度来判断声音的方向。另外，如果其他说话者加入交流，大脑可以一次分辨出这是不需要的干扰且专注有用的声音。听者可以对说话者通过用嘴巴传输做出回应。

电子智能天线系统工作用同样的方式用二个天线来代替耳朵和数字信号处理器代替大脑，如图16（b）。因此，当数字信号处理器测量每个天线的延迟来判断有用信号到达方向，然后调节信号的增益与相位来改变辐射形式，让辐射方向聚集在有用信号，理想情况下，排除无用信号(SNOI)。

16.3 蜂窝射频系统的发展

当服务种类和用户数量的增多保持容量总是变得有挑战性。为了提高容量来满足用户数的增加，蜂窝射频系统这几年里不得不创新发展。为了证明当今蜂窝系统结构对智能天线的需要，一个简明的蜂窝射频系统的发展被描述。更多细节请参考[23]-[25].

16.3.1全方向系统

至从早期开始，系统设计者已经意识到了容量将成为一个难点，尤其当一些频段和频率被分配给联邦通讯委员会（FCC），其资源变得有限。为了增加容量来满足成千上万的消费者的需求，合适的蜂窝架构不得不被设计出来；例如图16.2架构被描述出来。

每个阴影部分的六边形如图16.2代表一个小区其最大半径为R。在小区中心中心装了个基站其全向天线辐射，辐射为特定的频段。基站在邻近的小区分配频段是不一样的。通过限制小区边界的覆盖范围，相同频段可能会被用于覆盖不同的小区，小区通过彼此之间的足够远的距离来保持低于其他的干扰水平。选择和分配的设计处理过程。小区分离的缺点在于安装新的基站，增加小区切换（当移动用户从一个小区到达另一个小区，通信过程也将从一个基站切换到另一个基站）和每个用户更高的处理负载。

A.微蜂窝分裂（未译）

B.扇形系统

随着无线服务系统的要求变得更高，多个频率分配给一个小区实际来应付多个用户，已经显得立不从心了。因此，蜂窝设计技术需要提供更多的频率来覆盖每个地方。这种技术参照小区扇形[23]，在基站，当一个单独的全向天线被几个方向性天线取代。典型的，一个小区被分割成三个部分其每个角度为120度如图16.5.

在扇形区，当保持小区半径不变，降低D/R率来改善容量。换句话说，通过降低小区的数量那么就会增加频率的复用，可以达到增加容量。然而，为了完成这些，必须降低之间的干扰，不是通过降低发射功率来实现。同频道之间的干扰在这种蜂窝系统下被降低，因为这只有二个相邻小区的干扰来代替之间六个相邻小区全向辐射情况[24]，[26]（见图16.6）。改善信噪比（S\N）和增加基站的天线数量，可降低干线效率，这都归功于基站的频道扇形式。干线效率可用来测试用户的数量，其是通过特定的配置即固定的频率数量。

16.3.2 智能天线系统

虽然有它的好处，但是小区扇形不能提供解决容量需求的问题。因此，系统设计者开始研究可以动态划分扇形小区领域的一个系统。因此他们开始验证智能天线。许多参考资料把智能天线系统认为是智能天线，其实真是情况是天线不是智能；它是数字信号处理过程，天线一让系统智能。尽管看起来智能天线系统是一项新的技术。智能天线基本原理不是新的[5],[6].实际，从第一次世界大战，智能天线就被用于国防系统。直到最近几年，随着低成本数字信号处理器（DSP），通用处理器（和特定应用集成电路-ASICs）和新的信号处理运算的出现，智能天线开始商用[3]。

智能天线系统以小区扇形（其在扇形覆盖区是由多波束组成）作为基础来延伸。这要靠天线阵的应用来实现，波束的数量在扇形区是几何阵的功能。因为智能天线可以让天线的辐射指定需要的用户从而排除不需要的干扰，除此之外，因为智能天线有着更好的抗干扰，因此就有低的误比特率（BER），所以能提供大量的容量改善。这些系统可以大体上分为切换波束系统和自适应天线阵[5],[6].[27]

A. 切换波束系统

切换波束系统可以选择许多预先设定模式中的一种来增加接受信号强度（如图16.7）很显然这是小区扇形的延伸理念，把每个扇形区再分割成更小的扇形区，当移动用户穿过这个小区，切换波束系统侦测到喜好强度，基站将选择适当的预先设定的波束和连续切换波束。切换波束系统的总体目标是通过定位用户来增加增益。然而，当波束被固定，那个用户可能不在主瓣波束的中心。如果在所用到的波束旁边出现干扰，这可能比增加更多干扰。

B. 自适应天线阵系统

自适应天线阵[5],[6]提供更多任意的角度，因此它们有能力来适应在实际中射频信号环境下的辐射形式。换句话说，它可以直接辐射出主瓣波束对着有用信号或SOI，阻止天线辐射的直接干扰。为了简化，自适应矩阵系统可以针对每个用户来的辐射。这远优越切换波束系统，如图16.8。从这幅图可以看出切换波束不仅仅不能使主瓣的最大增益点对准需要的用户反而是副瓣的最大点对准其他用户。由于在一个比较大的覆盖小区控制辐射形式的能力。如图16.9可以看出自适应矩阵系统增加容量，图16.9可以比较，从相关覆盖区域来说，就传统的扇形的切换波束和自适应阵。在现在的低等级干扰，智能天线提供增益覆盖传