關(guān)于智能天線的提出、工作原理和分類以及TD-SCDMA在智能天線中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)詳解

智能天線技術(shù)是TD-SCDMA（時(shí)分同步碼分多址）中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中主要介紹了智能天線的提出、工作原理及分類，并分析了智能天線在TD-SCDMA中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

TD-SCDMA（Time DivisiON Synchronous CodeDivision Multiple Access ），即時(shí)分同步的碼分多址技術(shù)，已正式成為國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)IMT2000 建議的一個(gè)組成部分，我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA、歐洲WCDMA 和美國(guó)CDMA2000成為3G 時(shí)代最主流的技術(shù)。TD-SCDMA集碼分多址（CDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）等技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體，采用智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、同步CDMA、軟件無(wú)線電、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)，具有系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的移動(dòng)通信技術(shù)。

近年來(lái)隨著全球移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，對(duì)信號(hào)傳輸強(qiáng)度、覆蓋范圍及傳輸容量要求也越來(lái)越高，如何更高效率地利用無(wú)線頻譜受到了廣泛的關(guān)注。智能天線技術(shù)研究了無(wú)限資源的空域可分特性，是進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量的有效途徑。

1 智能天線的提出

智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來(lái)增強(qiáng)天線性能的一種天線。智能天線采用空分多址技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。它利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號(hào)與干擾信號(hào)，從而控制天線陣的方向圖，達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)的目的;同時(shí)它還能根據(jù)所需信號(hào)和干擾信號(hào)位置及入射角度的變化，自動(dòng)調(diào)整天線陣的方向圖，實(shí)現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動(dòng)的目的，達(dá)到最佳收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“空間濾波”的效果。與無(wú)方向性天線相比較，其上、下行鏈路的增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時(shí)，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其他用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動(dòng)通信信道的多徑。CDMA系統(tǒng)是一個(gè)功率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達(dá)到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著擴(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。最早的智能天線是出現(xiàn)在20 世紀(jì)50 年代的旁瓣對(duì)消天線，這種天線包含一個(gè)用于接收有用信號(hào)的高增益天線和一個(gè)或幾個(gè)用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個(gè)這樣的環(huán)路組合成陣列天線，就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，與智能天線有關(guān)的術(shù)語(yǔ)也越來(lái)越多，如智能天線（intelligent antenna ）、相控陣（phased arrays）、空分多址（SDMA）、空間處理（spatial processing）、數(shù)字波束形成（DIGItal beam forming）、自適應(yīng)天線系統(tǒng)（adaptive antenna sySTem）等，反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個(gè)不同的方面。

2 智能天線的原理

TD-SCDMA智能天線的工作原理是使一組天線和對(duì)應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，通過自適應(yīng)算法，控制天線波束的方向和形狀，將高增益的窄波束對(duì)準(zhǔn)服務(wù)用戶方向，零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向，實(shí)現(xiàn)波束賦形，達(dá)到定向發(fā)射和接收的目的。

自適應(yīng)算法是智能天線的核心，它分為非盲目算法和盲目算法。非盲算法是指需要借助參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，按一定準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）、LS（最小二乘）等。盲算法無(wú)需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，它一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號(hào)集，循環(huán)平穩(wěn)等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性。非盲算法相對(duì)盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源。將二者結(jié)合產(chǎn)生一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致。

3 智能天線的分類

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。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。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(zhǎng)。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。

按實(shí)現(xiàn)形式智能天線可分為3 類。

（1）自適應(yīng)調(diào)零智能天線

它是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)算法形成方向圖，根據(jù)天線的輸入、輸出特性，按一定的算法自動(dòng)地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)，在干擾方向上形成零陷，從而大幅度降低干擾電平，提高系統(tǒng)的信噪比。從空間響應(yīng)看，其自適應(yīng)天線陣列是一個(gè)空間濾波器，天線的物理位置不作改變，由信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)判斷出干擾與信號(hào)的來(lái)向，自適應(yīng)地改變天線的方向圖，并將零陷方向?qū)?zhǔn)干擾，主瓣對(duì)準(zhǔn)要接收的信號(hào)。但自適應(yīng)智能天線對(duì)處于主瓣區(qū)域內(nèi)干擾的抑制能力是很有限的。

（2）等旁瓣針狀波束智能天線

它也是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，它的天線方向圖是等旁瓣方向圖，方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計(jì)算好的。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過測(cè)向確定信號(hào)的到達(dá)方向（DOA），選取合適的加權(quán)，然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向目標(biāo)方向。這類智能天線對(duì)處于非主瓣區(qū)域的干擾，可以通過低的等旁瓣電平來(lái)確保抑制，但對(duì)處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，采用此類智能天線將無(wú)法抑制，不及自適應(yīng)智能天線。但等旁瓣智能天線無(wú)需迭代，而且響應(yīng)速度快。

（3）數(shù)字波束形成智能天線

它運(yùn)用數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)，將其波束形成自適應(yīng)天線陣與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合。工作時(shí)利用高分辨率的測(cè)向算法獲得通信基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)到達(dá)波束形成自適應(yīng)天線陣時(shí)，便給信號(hào)處理器提供一個(gè)方向信息，將各陣元的接收信號(hào)轉(zhuǎn)換到基帶，由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)方向信息對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，在此方向上形成所需的波束。

4 智能天線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

TD-SCDMA智能天線通過利用多徑可以改善鏈路的質(zhì)量，通過減小相互干擾來(lái)增加系統(tǒng)的容量，并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。智能天線的優(yōu)點(diǎn)歸納如下：

（1）增加系統(tǒng)容量。CDMA 系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來(lái)自本系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)干擾的降低，信干比的提高便意味著系統(tǒng)容量的提高。采用多波束板狀天線的智能天線技術(shù)，提高了天線增益及載干比（C/I ）指標(biāo)，減少了同頻干擾，降低了頻率復(fù)用系數(shù)，提高了頻譜利用效率，無(wú)需增加新基站即可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量、擴(kuò)大系統(tǒng)容量。在TD-SCDMA 系統(tǒng)中，采用智能天線技術(shù)可在不影響通話質(zhì)量情況下，解決稠密市區(qū)容量難題。

（2）降低信號(hào)衰落。信號(hào)的衰落是高頻無(wú)線通信的主要問題。在陸地移動(dòng)通信中，隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)及環(huán)境變化，信號(hào)瞬時(shí)值及延遲失真的變化非常勻速且不規(guī)則，從而造成信號(hào)的衰落。采用智能天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，有效地降低了信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。電波通過不同路徑到達(dá)接收天線，其方向角各不相同。利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理，即可實(shí)現(xiàn)角度分集，降低信號(hào)衰落。

（3）抑制干擾信號(hào)。將智能天線用于CDMA 基站，可減少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_技術(shù)的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波，以TDD 模式運(yùn)行的TD-SCDMA中的智能天線波束具有方向性，可以區(qū)別不同入射角的無(wú)線電波，可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)“權(quán)值”，自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化。優(yōu)化無(wú)線陣列方向圖，將其“零點(diǎn)”自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，從而大大提高陣列的輸出信噪比，提高系統(tǒng)可靠性。

（4）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向。通過此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的精確定位;此外，在使用普通天線的無(wú)線基站中，發(fā)射信號(hào)采用的是高功率放大器，使用了智能天線，波束賦型的增益可以減小對(duì)功放的要求，大大降低了基站的發(fā)射功率，同時(shí)也減少了電磁環(huán)境污染。

總之，通過智能天線可以減少干擾和被干擾的機(jī)會(huì)、擴(kuò)充系統(tǒng)容量、加大覆蓋范圍、提高頻譜利用率、降低無(wú)線基站的成本，顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，并為拓展新業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高，智能天線技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。