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摘要：随着移动通信的蓬勃发展，用户数量迅速增加，频谱资源越来越紧张，如何利用现有频谱资源进一步扩展容量已成为移动通信发展的关键问题。智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。文章对智能天线的基本原理、用途及其在移动通信中的应用等进行了具体阐述。
关键词：智能天线；移动通信；应用
Abstract: With the vigorous development of mobile communication, rapid increase in the number of users, the spectrum resource becomes more and more intense, how to use the existing spectrum resources to further expand capacity has become a key problem in the development of mobile communication. Smart antenna is regarded as a kind of future mobile communications development trend. Based on the basic principles of smart antennas, uses and its application in mobile communication to wait undertook specific elaborate.
Key words: smart antenna; mobile communication; application
中图分类号：S972.7+6
一、智能天线的基本原理
在移动通信中,智能天线是天线阵在感知和判断自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天线吸取了自适应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
二、智能天线对移动通信系统的影响
1．智能天线的优点。智能天线对系统性能的改善如下：a．提高系统容量。智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。b．增大覆盖范围。波束形成是多根天线的矢量叠加，等效为天线增益的增加，也就是提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的EIRP有效全向辐射功率。这意味着在同样的接收和发射条件下可以达到更远的通信距离，因此增大了覆盖范围。c．降低系统干扰。采用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力。除外，它对于移动系统中的多径干扰也有一定的削弱作用。d．降低系统成本。由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同时可以减小移动台的体积和重量，延长了移动台的电池使用寿命，降低移动台的成本。e．增加增值业务。智能天线可以获得移动用户的方位信息，同其他技术配合可以实现移动用户的无线定位。无线定位目前是移动通信领域的热点技术，将来的市场潜力巨大，这是一项很有实用价值的增值业务。
2．智能天线存在的问题。a．增加了系统复杂度。智能天线需要高效的算法、高速的DSP器件，满足实时性处理要求。智能天线的算法结构应该尽量能够兼容常规的处理结构，便于系统灵活配置，降低成本。采用智能天线的基站要能够和常规基站混合组网，兼容网络侧的管理和维护。b．增加了通道校正。如果要在基带完成波束形成，则需要进行通道校正，提高了通道要求。
三、智能天线在移动通信中的用途
(1)抗衰落。在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。
(2)抗干扰。用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。
(3)增加系统容量。为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用多波束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C /I指标,减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,毋需增加新的基站就可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。
(4)实现移动台定位。目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。 在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即對每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
四、智能天线在移动通信中的具体应用
(1)用于FDMA系统。据研究,与通常的三扇区基站相比,C /I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。
(2)用于TDMA系统。无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120°天线,C /I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。
（3）用于CDMA系统。在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。
(4)用于无线本地环路系统。在无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行上行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。
(5)用于DECT、PHS等系统。DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。
(6)用于第三代移动通信。采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用TDD方式,使上下射频信道完全对称,可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能,可实现接力切换,减少信道资源浪费。
五、结束语
智能天线技术是近年来移动通信领域的研究热点。它在PHS中已经得到商用，在第3代移动通信系统中更倍受关注，WCDMA和CDMA2000都不同程度地对智能天线技术给予支持，TS-SCDMA明确表示使用智能天线。可以说，智能天线是未来移动通信的一项关键技术，该技术在其他的无线系统中也有着光明的发展前景。
关键词：智能天线；移动通信；应用
Abstract: With the vigorous development of mobile communication, rapid increase in the number of users, the spectrum resource becomes more and more intense, how to use the existing spectrum resources to further expand capacity has become a key problem in the development of mobile communication. Smart antenna is regarded as a kind of future mobile communications development trend. Based on the basic principles of smart antennas, uses and its application in mobile communication to wait undertook specific elaborate.
Key words: smart antenna; mobile communication; application
中图分类号：S972.7+6
一、智能天线的基本原理
在移动通信中,智能天线是天线阵在感知和判断自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天线吸取了自适应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
二、智能天线对移动通信系统的影响
1．智能天线的优点。智能天线对系统性能的改善如下：a．提高系统容量。智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。b．增大覆盖范围。波束形成是多根天线的矢量叠加，等效为天线增益的增加，也就是提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的EIRP有效全向辐射功率。这意味着在同样的接收和发射条件下可以达到更远的通信距离，因此增大了覆盖范围。c．降低系统干扰。采用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力。除外，它对于移动系统中的多径干扰也有一定的削弱作用。d．降低系统成本。由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同时可以减小移动台的体积和重量，延长了移动台的电池使用寿命，降低移动台的成本。e．增加增值业务。智能天线可以获得移动用户的方位信息，同其他技术配合可以实现移动用户的无线定位。无线定位目前是移动通信领域的热点技术，将来的市场潜力巨大，这是一项很有实用价值的增值业务。
2．智能天线存在的问题。a．增加了系统复杂度。智能天线需要高效的算法、高速的DSP器件，满足实时性处理要求。智能天线的算法结构应该尽量能够兼容常规的处理结构，便于系统灵活配置，降低成本。采用智能天线的基站要能够和常规基站混合组网，兼容网络侧的管理和维护。b．增加了通道校正。如果要在基带完成波束形成，则需要进行通道校正，提高了通道要求。
三、智能天线在移动通信中的用途
(1)抗衰落。在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。
(2)抗干扰。用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。
(3)增加系统容量。为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用多波束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C /I指标,减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,毋需增加新的基站就可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。
(4)实现移动台定位。目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。 在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即對每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
四、智能天线在移动通信中的具体应用
(1)用于FDMA系统。据研究,与通常的三扇区基站相比,C /I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。
(2)用于TDMA系统。无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120°天线,C /I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。
（3）用于CDMA系统。在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。
(4)用于无线本地环路系统。在无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行上行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。
(5)用于DECT、PHS等系统。DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。
(6)用于第三代移动通信。采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。SCDMA系统采用TDD方式,使上下射频信道完全对称,可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能,可实现接力切换,减少信道资源浪费。
五、结束语
智能天线技术是近年来移动通信领域的研究热点。它在PHS中已经得到商用，在第3代移动通信系统中更倍受关注，WCDMA和CDMA2000都不同程度地对智能天线技术给予支持，TS-SCDMA明确表示使用智能天线。可以说，智能天线是未来移动通信的一项关键技术，该技术在其他的无线系统中也有着光明的发展前景。