移動(dòng)通信系統(tǒng)的智能天線技術(shù)的工作原理分析

智能天線（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價(jià)格的不斷下降，使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術(shù)開始在無線通信中廣泛應(yīng)用。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

智能天線提高系統(tǒng)性能的原理

智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。因?yàn)橛脩粜盘?hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。

現(xiàn)在，簡要地介紹一下智能天線如何克服無線通信中的時(shí)延擴(kuò)展和多徑衰落來提高系統(tǒng)的性能和容量。設(shè)天線陣列的不同天線元對(duì)信號(hào)施以不同的權(quán)值，然后相加，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。如果定義“天線增益”為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號(hào)功率的降低，“分集增益”為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低，那么一般來說，M元的天線陣列可以提供M倍的天線增益加上一個(gè)分集增益，具體提高的值決定于天線陣元間的相關(guān)性。

首先我們考慮多波束天線。多波束天線是在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)放置多個(gè)天線來覆蓋整個(gè)扇區(qū)，每個(gè)天線只覆蓋一部分角度范圍。扇區(qū)天線的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，這樣在下行方向也可以獲得M倍的天線增益。但扇區(qū)天線由于其自身的構(gòu)成形式，有下面缺點(diǎn)：相鄰天線之間重疊的部分由于天線增益比較小，會(huì)有2dB的降低；當(dāng)由于多徑或干擾而錯(cuò)誤地鎖定天線波束時(shí)，多波束天線能提供的增益很小。

自適應(yīng)天線陣列中，各天線元的放置形式可有多種，相鄰天線元間距為一特定值。在接收信號(hào)到達(dá)天線陣時(shí)，每個(gè)陣元上的信號(hào)經(jīng)過不同的加權(quán)，然后再疊加產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，加權(quán)系數(shù)和疊加可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則。需要注意的是，自適應(yīng)天線的陣元必須具有相似的波束，而在多波束天線中則沒有這樣的要求。與多波束天線相似，一個(gè)M元自適應(yīng)天線陣可以提供M倍的天線增益，但它沒有波束之間部分重疊的缺點(diǎn)。M元自適應(yīng)天線陣列可以完全抑制N（N〈M）個(gè)干擾用戶，即使在N＞M時(shí)也可以獲得很大的增益。盡管自適應(yīng)天線較多波束天線有更多優(yōu)點(diǎn)，但自適應(yīng)天線計(jì)算加權(quán)系數(shù)的速度必須與衰落速率相當(dāng)才能跟蹤用戶（注意到3G中衰落速率將達(dá)到1000Hz）。然而，多波束天線波束之間的切換只要幾秒鐘一次即可。

自適應(yīng)天線陣列用在無線系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵問題是在視距（LOS）和非視距（NLOS）情況下的性能差異。在視距情況下，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、合并后產(chǎn)生一個(gè)天線圖案，它的主波束方向就指向目標(biāo)用戶，而在其它方向上抑制干擾用戶。此時(shí)，若天線陣元數(shù)大于到達(dá)的信號(hào)數(shù)，可以用信號(hào)處理中MUSIC、ESPRIT等現(xiàn)代譜估計(jì)算法來估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角度，這樣一個(gè)陣列至少可以在M－1個(gè)方向上形成方向圖零點(diǎn)。在非視距情況下，無線信號(hào)的到達(dá)經(jīng)由了多次反射和多個(gè)途徑（兩條不同路徑之間的相對(duì)時(shí)延大的必須作為兩條獨(dú)立的路徑）。自適應(yīng)天線在多徑環(huán)境的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能夠抑制干擾用戶而不管其到達(dá)的方向，也就是說，即使干擾用戶和所有用戶只相距幾英寸，自適應(yīng)天線陣也能抑制干擾用戶。這是由于在多徑環(huán)境中天線周圍的物體就是一個(gè)巨大的反射天線，使得接收天線陣列能夠區(qū)分不同用戶的信號(hào)。特別是若接收陣元間距足夠大，陣列能夠形成比擴(kuò)展角度小的波束。能夠區(qū)分的信號(hào)數(shù)隨天線陣元數(shù)、角度擴(kuò)展，在擴(kuò)展角度內(nèi)多徑反射密度的增加而增加。從這個(gè)意義上來說，多徑是一個(gè)有利的因素。但由于時(shí)延擴(kuò)展，自適應(yīng)天線把時(shí)延信號(hào)作為干擾信號(hào)而進(jìn)行抑制。M元的自適應(yīng)天線可以抑制M－1時(shí)延信號(hào)，這是一個(gè)很不利的因素。為了充分利用接收到的信號(hào)，我們可以在每個(gè)天線陣元上加一個(gè)時(shí)域的處理，比如自適應(yīng)均衡或RAKE接收，然后再進(jìn)行自適應(yīng)波束形成。

天線波束的實(shí)現(xiàn)方式