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[摘 要]本文介绍了智能天线技术，其基本原理是使用自适应天线阵列系统，利用空分复用，接入技术使网络容量增加，覆盖范围改善，发射功率减小，干扰减小。智能天线技术可以大，大增加现有无线网络的容量，使当前无线通信频率资源短缺的问题得到很好的解决。智能天线技术可广泛应用于各种时分、码分多址系统包括已商用的第二代系统。
[关键词]智能天线，自适应，空分复用，信道
中图分类号：TN821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0242-01
1 问题的提出
随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已经成为制约继续发展的瓶颈。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量；二是扩大频谱带宽。然而这两种方法都有其明显的缺点。第一种方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出；第二种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不可能无限扩展。基于这样的现实，智能天线技术应运而生了。智能天线技术最大的好处就是可以大大增加现有无线网络的容量，且所需的经济成本较为合理。
2 分析研究
2.1 基本原理
智能天线技术的基本原理是：使用自适应天线阵列系统，优化空中无线接口的容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量。自适应天线阵列系统的设计目的就是要克服传统蜂窝系统的最大弱点，即蜂窝系统需要尽可能保持全向信号的覆盖模式。因为传统的基站以全向方式发布射频广播信号[1]，这样原始射频信号的能量只有很少一部分能够到达所要寻找的用户，射频广播信号的大部分能量都浪费了，更糟糕的情况是，可能形成干扰信号，减弱其他用户的信号质量。当网络容量不断扩大，随着用户数量的增加，用户间的干扰也会增加，信干比不断劣化，直至引发掉话现象。在这种情况下，单纯提高信号的传输功率，会得到事与愿违的结果，因为发射功率增高同时也使相应的干扰增加。那么，是否能够将发射功率的能量尽可能地集中发射到所要寻找的用户呢？答案是肯定的，自适应天线阵列系统就是一个选择。通常自适应天线阵列系统包含4-8个天线，利用无线资源管理算法控制发射射频信号能量，动态地集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，这样就大大提高了信干比。
自适应智能天线技术利用了空分复用接入技术。就是说，同一小区内的用户处于相当邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能天线技术使基站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空域信道。使用空域信道，原来定义的处于特定时域内某一频率上的无线信道可以在本小区内多次重复利用，这样就大大提高了小区的容
量。空分复用接入技术与广泛使用的CDMA和TDMA复用接入技术[2]是兼容的。
2.2 应用可行性分析
我们分别从运营公司，用户和频谱资源管理部门的角度看看智能天线技术的优点。对运营公司的最大好处是提高无线网络的容量。原因上面已经讲过，采用空分复用接入技术减少了用户间的互相干扰。在日本，可以看到很多这方面的实例，有的运营公司采用了这项技术，网络容量甚至提高了6倍。这一技术同样也适用于3G网络，在某些国家的WCDMA网络中，利用智能天线技术将城区的无线网络容量提高了3倍，在郊区甚至提高了6倍。提高无线网络容量对运营公司很重要，对于我国的情况来说，尤其重要，因为我国大城市的人口密度一般都很高。在提高无线网络容量的同时，覆盖范围也有相应的改善。
由于使用了智能天线技术，提高了小区的信号质量，减少了邻近小区的干扰，因此也扩大了覆盖范围。根据有关试验数据，如果在WCDMA系统中使用智能天线技術，城区覆盖范围可以扩大1倍，郊区扩大3倍。由于整体噪声水平的降低，信号功率能够集中于特定的用户终端，基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能天线技术要求配置多个天线，增加了功率放大器的数量，但是功率放大器的发射功率有较大的减少，功放器的单价大大下降。由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高昂，所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资，同时还提高了整个功放子系统的可靠性。对普通用户的好处是通信质量提高。各小区容量增加，通信中的掉话几率减少，网络忙信号减少，话音质量改善，数据传输速率也得到提高。智能天线技术不要求高发射功率，手机电池重量减轻。对政府部门，全世界都面临频率资源紧张的挑战。智能天线技术提供了一种复用频谱容量，优化利用频率资源的手段，有助于解决人口密度高的大城市中无线频率资源紧张与容量要求的矛盾。
3 发展展望
移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）、TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰CCI（Co-Channel Interference）、CDMA系统中的MAI（Multiple Access Interference）等都使键路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收，信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息。而实际上有用信号的时延样本（delayversion）和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域（入射角DOA，Direction of Arrival）也存在差异，分集天线，特别是扇形天线可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。
智能天线是一种伸缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地改进移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统包括已商用的第二代系统。智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时它还可获得波达角信息。
[关键词]智能天线，自适应，空分复用，信道
中图分类号：TN821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0242-01
1 问题的提出
随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已经成为制约继续发展的瓶颈。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量；二是扩大频谱带宽。然而这两种方法都有其明显的缺点。第一种方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出；第二种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不可能无限扩展。基于这样的现实，智能天线技术应运而生了。智能天线技术最大的好处就是可以大大增加现有无线网络的容量，且所需的经济成本较为合理。
2 分析研究
2.1 基本原理
智能天线技术的基本原理是：使用自适应天线阵列系统，优化空中无线接口的容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量。自适应天线阵列系统的设计目的就是要克服传统蜂窝系统的最大弱点，即蜂窝系统需要尽可能保持全向信号的覆盖模式。因为传统的基站以全向方式发布射频广播信号[1]，这样原始射频信号的能量只有很少一部分能够到达所要寻找的用户，射频广播信号的大部分能量都浪费了，更糟糕的情况是，可能形成干扰信号，减弱其他用户的信号质量。当网络容量不断扩大，随着用户数量的增加，用户间的干扰也会增加，信干比不断劣化，直至引发掉话现象。在这种情况下，单纯提高信号的传输功率，会得到事与愿违的结果，因为发射功率增高同时也使相应的干扰增加。那么，是否能够将发射功率的能量尽可能地集中发射到所要寻找的用户呢？答案是肯定的，自适应天线阵列系统就是一个选择。通常自适应天线阵列系统包含4-8个天线，利用无线资源管理算法控制发射射频信号能量，动态地集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，这样就大大提高了信干比。
自适应智能天线技术利用了空分复用接入技术。就是说，同一小区内的用户处于相当邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能天线技术使基站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空域信道。使用空域信道，原来定义的处于特定时域内某一频率上的无线信道可以在本小区内多次重复利用，这样就大大提高了小区的容
量。空分复用接入技术与广泛使用的CDMA和TDMA复用接入技术[2]是兼容的。
2.2 应用可行性分析
我们分别从运营公司，用户和频谱资源管理部门的角度看看智能天线技术的优点。对运营公司的最大好处是提高无线网络的容量。原因上面已经讲过，采用空分复用接入技术减少了用户间的互相干扰。在日本，可以看到很多这方面的实例，有的运营公司采用了这项技术，网络容量甚至提高了6倍。这一技术同样也适用于3G网络，在某些国家的WCDMA网络中，利用智能天线技术将城区的无线网络容量提高了3倍，在郊区甚至提高了6倍。提高无线网络容量对运营公司很重要，对于我国的情况来说，尤其重要，因为我国大城市的人口密度一般都很高。在提高无线网络容量的同时，覆盖范围也有相应的改善。
由于使用了智能天线技术，提高了小区的信号质量，减少了邻近小区的干扰，因此也扩大了覆盖范围。根据有关试验数据，如果在WCDMA系统中使用智能天线技術，城区覆盖范围可以扩大1倍，郊区扩大3倍。由于整体噪声水平的降低，信号功率能够集中于特定的用户终端，基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能天线技术要求配置多个天线，增加了功率放大器的数量，但是功率放大器的发射功率有较大的减少，功放器的单价大大下降。由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高昂，所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资，同时还提高了整个功放子系统的可靠性。对普通用户的好处是通信质量提高。各小区容量增加，通信中的掉话几率减少，网络忙信号减少，话音质量改善，数据传输速率也得到提高。智能天线技术不要求高发射功率，手机电池重量减轻。对政府部门，全世界都面临频率资源紧张的挑战。智能天线技术提供了一种复用频谱容量，优化利用频率资源的手段，有助于解决人口密度高的大城市中无线频率资源紧张与容量要求的矛盾。
3 发展展望
移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）、TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰CCI（Co-Channel Interference）、CDMA系统中的MAI（Multiple Access Interference）等都使键路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收，信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息。而实际上有用信号的时延样本（delayversion）和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域（入射角DOA，Direction of Arrival）也存在差异，分集天线，特别是扇形天线可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。
智能天线是一种伸缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地改进移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统包括已商用的第二代系统。智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时它还可获得波达角信息。