智能天線

智能天線又稱自適應(yīng)天線陣列、可變天線陣列、多天線。智能天線指的是帶有可以判定信號的空間信息(比如傳播方向)和跟蹤、定位信號源的智能算法，并且可以根據(jù)此信息，進行空域濾波的天線陣列。智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。

智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)方式，利用信號在傳播路徑方向上的差別，將時延擴散、瑞利衰落、多徑、信道干擾的影響降低，將同頻率、同時隙信號區(qū)別開來，和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地有效利用頻譜資源。早期應(yīng)用集中于雷達和聲吶信號處理領(lǐng)域，20世紀70年代后被引入軍事通信中。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，陣列處理技術(shù)被引入到移動通信領(lǐng)域，很快就形成了智能天線的研究領(lǐng)域。在移動通信技術(shù)的發(fā)展中，以自適應(yīng)陣列天線為代表的智能天線已成為最活躍的研究領(lǐng)域之一，應(yīng)用領(lǐng)域包括聲音處理、跟蹤掃描雷達、射電天文學(xué)、射電望遠鏡和3G手機網(wǎng)絡(luò)。

日本最早開始智能天線的研究是在20世紀70年代。到1987年，研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差(MMSE)準則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落，因而可以用于高速移動通信應(yīng)用中。自此，日本學(xué)者展開了大量的針對移動通信環(huán)境的智能天線研究，包括自適應(yīng)處理算法、數(shù)字波束形成方案、WCDMA中的多址干擾抑制方法，以及基站和移動終端上分別適用的智能天線類型等。其中，較早的有日本郵政電信部通信研究實驗室的智能天線系統(tǒng)和NTT-DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA體制的智能天線實驗系統(tǒng)。前者工作于1.5 GHz，針對TDMA方式采用GMSK調(diào)制，數(shù)碼率可達256 kbps。

系統(tǒng)利用4陣元天線進行多徑時延對消以消除多徑衰落，權(quán)值更新采用恒模(CMA)算法在東京進行的實驗表明：自適應(yīng)天線技術(shù)在無線高速數(shù)據(jù)傳輸和存在選擇衰落的情況下仍能很好地對消多徑時延信號。后者則采用2D-RAKE接收機結(jié)合MMSE自適應(yīng)波束形成算法進行處理。實驗系統(tǒng)有3個小區(qū)基站用以評估切換和其他的網(wǎng)絡(luò)功能。實驗結(jié)果表明，就平均誤碼率(BER)而言，智能天線比空間分集有明顯改善。此外，日本ATR光電通信研究所也研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在經(jīng)過低噪聲放大、下變頻和模數(shù)變換后，進行快速傅氏變換(FFT)處理，形成正交波束后分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集(MRC)算法。野外移動試驗確認了采用恒模算法的多波束天線功能。理論分析及實驗證明使用最大比值合并算法可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。在此基礎(chǔ)上，ATR的研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號間干擾)也不同，利用軟件方法實現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法。比如當噪聲是主要因素時，則使用多波束MRC算法，而當同信道干擾是主要因素時則使用多波束CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA實現(xiàn)實時天線配景，完成智能處理。隨后，ATR研究所又針對移動通信中移動終端上適用的智能天線形式進行了大量探討，最終提出了單端口電激勵的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合，在天線處實現(xiàn)了空間濾波。

歐洲通信委員會(CEC)在RACE計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱為TSUNAMI。實驗評測了采用MU-SIC算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而市區(qū)環(huán)境則更適合采用簡單的直線陣。此后，歐洲通信委員會(CEC)又在ACTS計劃中繼續(xù)進行了第二階段智能天線技術(shù)研究，即TSUNAMIⅡ，旨在考察第三代移動通信中采用智能天線系統(tǒng)的可行性和具體優(yōu)勢。通過大量宏蜂窩和微蜂窩的實驗，用以驗證智能天線系統(tǒng)在商用網(wǎng)絡(luò)中的工作情況。通過對兩套系統(tǒng)收發(fā)性能的比較，證實了實際的智能天線方向圖與理論方向圖的一致性，實際所能達到的干擾抑制能力與理想的干擾抑制能力相差通常在2dB以內(nèi)。實驗結(jié)果同時也說明，智能天線系統(tǒng)在郊區(qū)宏蜂窩環(huán)境下的干擾抑制水平比較理想，而在市區(qū)微蜂窩環(huán)境下的干擾抑制能力則與環(huán)境雜波有關(guān)。