移動通信系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)

隨著移動通信的蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量迅速增加，頻譜資源越來越緊張，如何利用現(xiàn)有頻譜資源進(jìn)一步擴(kuò)展容量已成為移動通信發(fā)展的關(guān)鍵問題。智能天線技術(shù)利用陣列天線替代常規(guī)天線，能夠降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，因此智能天線技術(shù)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納相控陣天線，完成空間濾波和定位等。近年來，隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理芯片處理能力的提高和價格的降低，以及ASIC技術(shù)的日益成熟，智能天線技術(shù)不久即將應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)。

一、智能天線原理

從方向圖來區(qū)分，天線主要有全向天線和定向天線兩種：全向天線在各個方向的發(fā)射和接收均相同，應(yīng)用于360°覆蓋小區(qū)；當(dāng)采用小區(qū)分裂技術(shù)后，應(yīng)采用僅覆蓋部分小區(qū)的定向天線。后者與前者相比，提高了信道復(fù)用率。上述兩種方式的覆蓋區(qū)域形狀是固定的。智能天線可以產(chǎn)生多個空間定向波束，動態(tài)改變覆蓋區(qū)域形狀，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，并且自動跟蹤用戶和應(yīng)用環(huán)境的變化，從而有效抑制干擾，提取用戶信號，提高鏈路性能和系統(tǒng)性能。

與時分多址、頻分多址或碼分多址相對應(yīng)，智能天線為一種空分多址SDMA技術(shù)。它與其他的多址方式相配合，增加了自由度，因此可以有效地增加系統(tǒng)容量、減小干擾和衰落、降低系統(tǒng)成本。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

二、智能天線分類

波束形成是智能天線的關(guān)鍵技術(shù)，是提高信干比、增加用戶容量的保證。波束形成對陣列天線的波束幅度、波束指向和波束零點位置進(jìn)行控制，在期望方向保證高增益波束指向的同時，在干擾方向形成波束零點，并通過調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和加權(quán)相位來改變方向圖形狀。智能天線可以分為預(yù)多波束和自適應(yīng)波束兩大類。

1．預(yù)多波束形成

預(yù)多波束預(yù)先生成多個固定波束覆蓋某個小區(qū)。根據(jù)接收到的用戶信號，確定用戶所在的波束，用戶在小區(qū)內(nèi)移動時，實現(xiàn)用戶和波束的切換。下行波束采用與上行波束相對應(yīng)的權(quán)值。預(yù)多波束切換類的關(guān)鍵在于確定與用戶對應(yīng)的波束。

預(yù)多波束對于處于非主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，可以通過控制旁瓣來抑制。對于處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，系統(tǒng)將無法抑制。

在TDMA和FDMA系統(tǒng)中的計算和模擬顯示，利用30°的預(yù)多波束智能天線系統(tǒng)平均有7.6dB的增益，系統(tǒng)頻率復(fù)用系數(shù)為4時可達(dá)到頻率復(fù)用系數(shù)為7的容量。波束處理系統(tǒng)由預(yù)多波束形成子系統(tǒng)和預(yù)多波束切換子系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)基帶處理部分包括：Rake合并、功率控制指令產(chǎn)生、解交織、信道解碼等等。

2．自適應(yīng)波束形成

自適應(yīng)波束形成通過調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和加權(quán)相位，來改變陣列的方向圖，使陣列天線的主瓣對準(zhǔn)期望用戶；同時陣列天線的零點和副瓣對準(zhǔn)其他用戶，從而提高接收信噪比，滿足某一準(zhǔn)則下的最佳接收。它同預(yù)多波束的區(qū)別在于：某一用戶的波束要隨著用戶移動而移動。自適應(yīng)波束的結(jié)構(gòu)有許多種。

主要的自適應(yīng)算法有如下幾種：

a．基于波達(dá)方向估計

經(jīng)典DOA估計方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改進(jìn)算法，還有最大似然估計、基于高階累計量、基于特征值分解的次最優(yōu)估計等方法。該類算法要解決的問題是計算復(fù)雜、自由度小、矩陣分解等等。

b．非盲自適應(yīng)處理

自適應(yīng)處理中的期望信號對自適應(yīng)處理結(jié)果影響很大。在CDMA系統(tǒng)中，由于提供了導(dǎo)頻信道，因此完全有條件進(jìn)行非盲自適應(yīng)處理。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是該算法的具體實例。

c．盲自適應(yīng)波束形成

盲自適應(yīng)是無法提供自適應(yīng)算法中要求的期望信號，只能利用傳輸信號的特性進(jìn)行波束形成，實現(xiàn)盲自適應(yīng)算法。這種方法不是最優(yōu)估計，典型的代表有CMA恒模算法　。CMA有許多變形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

三、智能天線對移動通信系統(tǒng)的影響

1．智能天線的優(yōu)點

智能天線對系統(tǒng)性能的改善如下：

a．提高系統(tǒng)容量

智能天線采用窄波束接收和發(fā)射移動用戶信號，降低了其他用戶的干擾，因此對于自干擾系統(tǒng)如CDMA系統(tǒng)，可以有效地提高系統(tǒng)容量；同時，采用空分技術(shù)復(fù)用信道，也增加了系統(tǒng)容量。

b．增大覆蓋范圍

波束形成是多根天線的矢量疊加，等效為天線增益的增加，也就是提高了基站接收機(jī)的靈敏度和基站發(fā)射機(jī)的EIRP有效全向輻射功率　。這意味著在同樣的接收和發(fā)射條件下可以達(dá)到更遠(yuǎn)的通信距離，因此增大了覆蓋范圍。

c．降低系統(tǒng)干擾

采用窄波束的主瓣接收和發(fā)射信號，旁瓣和零點抑制干擾信號，可以降低系統(tǒng)干擾，提高陣列的輸出信噪比，即提高系統(tǒng)的抗干擾能力。除外，它對于移動系統(tǒng)中的多徑干擾也有一定的削弱作用。

d．降低系統(tǒng)成本

由于波束形成的增益可以減小對功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同時可以減小移動臺的體積和重量，延長了移動臺的電池使用壽命，降低移動臺的成本。

e．增加增值業(yè)務(wù)

智能天線可以獲得移動用戶的方位信息，同其他技術(shù)配合可以實現(xiàn)移動用戶的無線定位。無線定位目前是移動通信領(lǐng)域的熱點技術(shù)，將來的市場潛力巨大，這是一項很有實用價值的增值業(yè)務(wù)。

2．智能天線存在的問題

a．增加了系統(tǒng)復(fù)雜度

智能天線需要高效的算法、高速的DSP器件，滿足實時性處理要求。智能天線的算法結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量能夠兼容常規(guī)的處理結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)靈活配置，降低成本。采用智能天線的基站要能夠和常規(guī)基站混合組網(wǎng)，兼容網(wǎng)絡(luò)側(cè)的管理和維護(hù)。

b．增加了通道校正

如果要在基帶完成波束形成，則需要進(jìn)行通道校正，提高了通道要求。

四、結(jié)束語

智能天線技術(shù)是近年來移動通信領(lǐng)域的研究熱點。它在PHS中已經(jīng)得到商用，在第3代移動通信系統(tǒng)中更倍受關(guān)注，WCDMA和CDMA2000都不同程度地對智能天線技術(shù)給予支持，TS-SCDMA明確表示使用智能天線?？梢哉f，智能天線是未來移動通信的一項關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)在其他的無線系統(tǒng)中也有著光明的發(fā)展前景。