智能天線論文發(fā)表期刊推薦國家級(jí)期刊《通信技術(shù)》，《通信技術(shù)》1967年創(chuàng)刊，辦刊時(shí)間已逾40多年。是由中華人民共和國工業(yè)和信息化部主管、中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所主辦。國內(nèi)創(chuàng)辦時(shí)間長、影 響大的計(jì)算機(jī)專業(yè)媒體。國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN51-1167/TN，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN1002-0802。

　　摘要：移動(dòng)通信迅速發(fā)展給系統(tǒng)帶來的容量壓力，使得如何高效率的利用無線頻譜受到了廣泛的重視，智能天線技術(shù)被認(rèn)為是目前進(jìn)一步提高頻譜利用率的最有效的方法之一。本文首先介紹了智能天線的定義、關(guān)鍵技術(shù)及與以往天線的對(duì)比信息，進(jìn)而提出了智能天線未來的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：智能天線,關(guān)鍵技術(shù),移動(dòng)通信

　　一、智能天線的組成和關(guān)鍵技術(shù)

　　智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數(shù)據(jù)采集、信息處理3部分。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線 陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關(guān)鍵。天線單元不僅要達(dá)到本身的性能指標(biāo),還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點(diǎn)。目前微帶天線使 用較多。

　　接收通道及數(shù)據(jù)采集部分主要完成信號(hào)的高頻放大、變頻和A/D轉(zhuǎn)換,以形成數(shù)字信號(hào)。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對(duì)高射頻信號(hào)和微波信號(hào)進(jìn)行采樣,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理,降低采樣速率。

　　信息處理部分是智能天線的核心部分,主要完成超分辨率陣列處理和數(shù)字波束形成兩方面的功能。進(jìn)行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號(hào)的參數(shù), 這些參數(shù)主要包括信號(hào)的數(shù)目、信號(hào)的來向、信號(hào)的調(diào)制方式及射頻頻率等,其中信號(hào)的來向?qū)τ趯?shí)現(xiàn)空分多址和自適應(yīng)抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率 測向算法中,MUSIC算法及其改進(jìn)算法一直占據(jù)主導(dǎo)地位,它不受天線陣排陣方式的影響,只需經(jīng)過一維搜索就能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)來向的無偏估計(jì),并且估計(jì)的方差 接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法來解決移動(dòng)通信中的測向問題也得到了廣泛的研究。數(shù)字波束形成主要通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來達(dá)到增強(qiáng)有用信號(hào)和抑制干 擾的作用,它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據(jù)所需先驗(yàn)知識(shí)的不同,目前的波束形成算法主要有3類:以信號(hào)來向?yàn)橄闰?yàn)知識(shí),如LCMV算法;以參考 信號(hào)為先驗(yàn)知識(shí),包括LMS算法及其改進(jìn)算法NLMS、RLS等;不需要任何先驗(yàn)知識(shí),如CMA算法。由于移動(dòng)通信環(huán)境復(fù)雜,各種算法也有各自的優(yōu)缺點(diǎn), 因此系統(tǒng)中必須對(duì)多種算法取長補(bǔ)短,才能達(dá)到最佳效果。

　　二、智能天線與若干空域處理技術(shù)的比較

　　為了進(jìn)一步理解智能天線的概念,我們把智能天線和相關(guān)傳統(tǒng)空域處理技術(shù)加以比較。

　　2.1智能天線與自適應(yīng)天線的比較。智能天線（圖1）與自適應(yīng)天線（圖2）并沒有本質(zhì)上的區(qū)別,只是由于應(yīng)用場合不同而具有顯著的差異。自適應(yīng) 天線主要應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消,一般地,雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的功率電平,并且干擾源數(shù)目比天線陣列單元數(shù)少或相當(dāng)。而在無線通信系統(tǒng)中,由 于多徑傳播效應(yīng)到達(dá)天線陣列的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣列單元數(shù),入射角呈現(xiàn)隨機(jī)分布,功率電平也有很大的動(dòng)態(tài)變化范圍,此時(shí)的天線叫智能天線。對(duì)自適應(yīng)天線 而言,只需對(duì)入射干擾信號(hào)進(jìn)行抵消以獲得信干噪比(SINR,SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。對(duì)智能 天線而言,由于到達(dá)陣列的多徑信號(hào)的入射角和功率電平均數(shù)是隨機(jī)變化的,所以獲得的是統(tǒng)計(jì)意義上的信干噪比(SINR)的最大化。

　　2.2智能天線與空間分集技術(shù)的比較。空間分集是無線通信系統(tǒng)中常用的抗多徑衰落方案。M單元智能天線也可等效為由M個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并準(zhǔn) 則構(gòu)成的空間分集陣列。因此可以認(rèn)為智能天線是傳統(tǒng)分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。但是智能天線與空間分集技術(shù)卻是有顯著的差別的。首先空間分集利用了陣列天線中 不同陣元耦合得到的空間信號(hào)的弱相關(guān)性,也即是不同路徑的多徑信號(hào)的弱相關(guān)性。而智能天線則是對(duì)所有陣元接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并來形成空間濾波。一個(gè)根本 性的區(qū)別:智能天線陣列結(jié)構(gòu)的間距小于一個(gè)波長(一般取λ/2),而空間分集陣列的間距可以為數(shù)個(gè)波長。

　　2.3智能天線與小區(qū)扇區(qū)化的比較。小區(qū)的扇區(qū)化可以認(rèn)為是一種簡化的、固定的預(yù)分配智能天線系統(tǒng)。智能天線則是動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)優(yōu)化的扇區(qū)化技 術(shù)。現(xiàn)在,我們來討論一個(gè)頗有爭議的問題。根據(jù)IS-95建議,當(dāng)采用120°扇區(qū)時(shí)系統(tǒng)容量將增加3倍。由此是否可以得到結(jié)論,扇區(qū)化波束越窄系統(tǒng)容量 提高越大。考慮到實(shí)際的電磁環(huán)境,我們認(rèn)為對(duì)這一問題的回答是否定的。這是因?yàn)檎�波束接收到的信�?hào)往往是由許多相關(guān)性較強(qiáng)的多徑信號(hào)構(gòu)成的。一般情況下, 各徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展小于一個(gè)chip周期。這時(shí)信號(hào)波形易于產(chǎn)生畸變從而降低信號(hào)的質(zhì)量達(dá)不到增加系統(tǒng)容量的目的。同時(shí)如果采用過窄的波束接收信號(hào),一旦 該徑信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落,則將直接導(dǎo)致通信的中斷。另外,過窄的接收波束在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的,并將成倍地增加設(shè)備的復(fù)雜度。

　　三、智能天線的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

　　智能天線可以按通信的需要在有用信號(hào)的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益。因此，智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用可以帶來如下好處：

　　在通信網(wǎng)中通信覆蓋距離取決于發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸損耗、天線增益。在基站，手機(jī)發(fā)射功率和接收靈敏度不變的情況下，通過提高基站天線在 通信方向的增益，增加通信覆蓋距離。在建網(wǎng)初期，小區(qū)內(nèi)用戶不多，使用智能天線能擴(kuò)展通信距離，擴(kuò)大小區(qū)半徑，減少基站的數(shù)目，也減少了無線系統(tǒng)安裝初期 的建設(shè)費(fèi)用。隨著用戶的增加，進(jìn)行小區(qū)分裂減少基站的覆蓋范圍后，因?yàn)橹悄芴炀�的應(yīng)用可以提高載干比，降低用戶的發(fā)射功率，降低系統(tǒng)的干擾。另一方面，由 于降低干擾可以更加頻繁的重復(fù)使用頻率，又可以提高系統(tǒng)的容量。無線信道中的多徑，能導(dǎo)致衰落和時(shí)間擴(kuò)散，智能天線可以分離來自不同方向的多徑信號(hào)，通過 RAKE接收技術(shù)提取有用信號(hào)，然后將其疊加，不但減輕了多徑的影響，甚至可以利用多徑所固有的分集效應(yīng)改善鏈路的質(zhì)量。CDMA系統(tǒng)有嚴(yán)格的功率控制要 求，對(duì)用戶的地面分布特別敏感。智能天線能夠分離不同的上行信號(hào)，以降低對(duì)功率控制的要求，并且能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整方向，從而緩解用戶地理分布不均的矛盾。

　　近年來，無線本地環(huán)路WLL(WirelessLocalLoop)的蓬勃發(fā)展使人們對(duì)智能天線刮目相看，它的無線基礎(chǔ)設(shè)施安裝方便、價(jià)格低 廉。WLL系統(tǒng)是為固定用戶服務(wù)而不是為移動(dòng)用戶服務(wù)的，它的目的是為居民和商業(yè)用戶提供有線質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用CDMA和智能天線技術(shù)的新興的 WLL系統(tǒng)可以提高覆蓋距離，增加可靠性和增大容量。智能天線使CDMA系統(tǒng)更有效的利用無線頻譜，為業(yè)務(wù)密集的區(qū)域及無線寬帶接入提供了高度的靈活性。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一，中國的TD—SCDMA初步實(shí)現(xiàn)環(huán)形8陣元自適應(yīng)天線。

　　四、智能天線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

　　智能天線系統(tǒng)在改善性能的同時(shí),也增加了收發(fā)機(jī)的復(fù)雜度。因?yàn)橐獙?duì)每個(gè)用戶進(jìn)行定位,并且波束形成的計(jì)算量很大,所以智能天線系統(tǒng)中有多個(gè)計(jì)算 單元和控制單元。在實(shí)施SMDA時(shí),資源管理也成為一個(gè)必須關(guān)注的問題。作為一種新的多址方式,在頻譜分配和移動(dòng)性管理上也提出了新的問題,將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)管 理提出更多的需求。此外,目前智能天線的物理尺寸較大,不利于構(gòu)建更小的基站。

　　智能天線形成下行波束較為困難,因?yàn)閷?duì)下行鏈路的信道響應(yīng)缺少短時(shí)先驗(yàn)知識(shí),而無線信道的信道狀況變化極快,使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號(hào) 的變化。接收和發(fā)送鏈路中器件的線性特性對(duì)系統(tǒng)的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運(yùn)算量很大,對(duì)器件、時(shí)間和功率的要求比較高, 因此研究高效的優(yōu)化算法對(duì)提高系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

　　到目前為止,還沒有一個(gè)完整的智能天線系統(tǒng)理論,而智能天線今后的研究必須同一些相關(guān)技術(shù)聯(lián)系,如與多用戶檢測、多用戶接收和功率控制等結(jié)合在 一起。目前的智能天線多用于基站系統(tǒng),今后還可以研究基于移動(dòng)臺(tái)的智能天線。在信號(hào)處理部分,目前多采用自適應(yīng)信號(hào)處理算法,尚未將人工智能方法應(yīng)用于其 中,同時(shí)還可嘗試將智能計(jì)算的一些方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和進(jìn)化計(jì)算等用于智能天線系統(tǒng)中。

　　四、結(jié)語

　　智能天線技術(shù)的發(fā)展步伐日益加快，應(yīng)用前景日益廣闊是不爭的事實(shí)。智能天線技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)所難以替代的，因此注重智能天線的研究開發(fā)運(yùn)用是非常必要且有現(xiàn)實(shí)意義的。