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摘要：由我国提交的第三代移动通信标准TD-SCDMA系统的关键技术之一就是智能天线技术，本文介绍了智能天线的提出及其分类，并且根据其优点深入分析了该技术在TD-SCDMA中的运用。
关键词：智能天线；第三代移动通信系统TD-SCDMA
中图分类号：V351文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10654-02
1 引言
最近几年来随着全球移动通信业务的迅速发展，对于移动通讯中所要求的信号传输强度也越来越高，由于覆盖范围的增大和传输数据的增多，对网络的传输和接收都提出了更高要求；此外移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱也受到了广泛的重视，智能天线能很好的解决这方面的问题，因此智能天线也越来越受到人们广泛的关注。
2 智能天线的提出
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的，是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。它利用信号传输的空间特性，从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号，从而控制天线阵的方向图，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的；同时它還能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化，自动调整天线阵的方向图，实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的，达到最佳收发信号，实现动态“空间滤波”的效果。采用智能天线的目的主要有以下3点：① 通过提供最佳增益来增强接收信号；②通过控制天线零点来抑制干扰；③利用空间信息增大信道容量。
在2O世纪5O年代出现的早期的智能天线是旁瓣对消天线，这种天线包含一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。将几个这样的环路组合成阵列天线，就构成自适应天线。随着阵列信号处理技术的发展，与智能天线有关的术语也越来越多。智能天线(intelligent antenna)、相控阵(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空间处理(spatial processing)、数字波束形成(digital beam forming)、自适应天线系统(adaptive antenna system)等不同的说法，反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。
3 智能天线的分类
早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。总的来说，智能天线主要包含两类：开关波束系统和自适应阵列系统。两者中，只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时，识别、跟踪和最小化干扰信号。通常按照实现形式可将智能天线分为3类。
(1)自适应调零智能天线
它是以自适应天线技术为基础，采用自适应算法来形成方向图。其基本原理就是根据天线的输入、输出特性，按一定的算法准则，自动地调节天线阵元的幅度和相位加权，在干扰方向上形成零陷，而在信号入射方向上增益最大，从而大幅度降低干扰电平，提高系统的信噪比。但这种天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
(2)等旁瓣针状波束智能天线
它也是以自适应天线技术为基础，但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图，且方向图的加权值是预先计算好的。系统工作时，首先通过测向确定信号的到达方向(DOA)，选取合适的加权，然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向，从而提高接收信噪比。这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰，可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制，但对处于主瓣区域内的干扰，采用此类智能天线将无法抑制，不及自适应智能天线。但等旁瓣智能天线无需迭代，而且响应速度快。
(3)数字波束形成智能天线
它运用数字波束形成(Digital Beam Forming，简称DBF)技术，将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。系统工作时，利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号，当基准信号到达波束形成自适应天线阵时，便给信号处理器提供一个方向信息，将各阵元的接收信号转换到基带，由A/D转换器转换成数字信号，然后根据方向信息对数字信号进行加权处理，从而在此方向上形成所需的波束。
4 智能天线的优点
在移动通信系统中，由于障碍物的反射，信号会在发射机和接收机之间多次传播从而形成多径传播。由于多径信号到达接收机的时间不同，因此多径传播将导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。智能天线对信号多径具有抑制作用。智能天线通过调整不同天线上信号的幅度和相位，把与主径（参考信号）不相关的多径当作干扰进行抑制。智能天线通过利用多径来改善链路的质量，通过减小相互干扰来增加系统的容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。此外，智能天线还有如下优点：
(1)增加覆盖范围以改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量。
(2)降低功率/减小成本。智能天线可以对特定用户的传输进行优化，这样就会使发射功率降低，从而降低放大器的成本，也可以延长移动台的使用寿命。
(3)改善链路质量/增加可靠性。由于通过独立的衰落路径可以接收到独立的信号副本，而在这些信号副本中一般会有一个或者多个副本没有受到衰落，这样多个独立的维数就会减小信号波动的影响，产生分集。多个发射天线通过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集，而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。可以提高信号接收质量降低掉话率从而提高语音质量。
(4)增加频谱效率。通过波束成形技术可以产生一种新的多址接入方式——空分多址(SDMA，Space—Division Multiple Access)。SDMA可以实现资源的重用，增加数据速率，从而增加频谱效率。
5 智能天线的工作原理及在TD-SCDMA中的应用
天线的主要组成为：高频处理部分、中频处理部分、波束形成部分。天线接收的信号经过高频/中频处理放大，以满足A/D变换的要求，然后进入专用数字处理器即数字调谐器，变换为窄带信道的零中频复包络信号，此信号经过数字波束形成器处理，计算出所需信号和干扰信号的到达时间(TOA)和角度，完成信号合成。发送信号可根据接收信号得到的参数，进行相反的处理。
基于智能天线在消除干扰、扩大小区半径、降低系统成本、提高系统容量方面所具有的优越性。WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术，但由于其算法复杂度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技术明确表示将在基站端使用智能天线。对于系统基站而言,智能天线技术在3G中的应用主要体现在基站的上行收与下行发两个方面。智能天线的上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中，可根据一定的自适应算法，对空、时域处理的各组权值系数进行调整，并与当前传输环境进行最大限度的匹配，从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值。但在实际工程中，由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时，更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式。智能天线依靠从上行连路中提取的参数来对下行波束赋形，即利用上行信道中提取的参数估计下行信道。对于FDD方式，由于上下行频率间隔相差较大，衰落特性完全独立因而不能使用。但对于TDD方式，上下行时隙工作于相同频段，只要上下行的帧长较短完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。
6 结束语
智能天线技术的发展步伐日益加快，应用前景日益广阔是不争的事实。在未来3G网络建设中引入智能天线技术，将从更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率，提高网络容量。基于智能天线也有一些本身无法解决的问题，因此在多径干扰严重的高速移动的情况下，智能天线必须和其他抗干扰的数字信号处理技术同时使用，才可能达到最佳效果。
参考文献：
[1]李小文,李贵勇.等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M].人民邮电出版社,2005.
[2]谢显中,唐宏.等.基于tdd的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社,2005.7.
[3]李世鹤.智能天线的原理和实现[M].电信建设,2001.4.
[4]Per H. Lehne and Magne Pettersen, "An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems", IEEE Communications Surveys, vol.2,1999
[5]周星华.TD-SCDMA智能天线的应用和市场分析[M].现代通信,2005.12.
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关键词：智能天线；第三代移动通信系统TD-SCDMA
中图分类号：V351文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10654-02
1 引言
最近几年来随着全球移动通信业务的迅速发展，对于移动通讯中所要求的信号传输强度也越来越高，由于覆盖范围的增大和传输数据的增多，对网络的传输和接收都提出了更高要求；此外移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱也受到了广泛的重视，智能天线能很好的解决这方面的问题，因此智能天线也越来越受到人们广泛的关注。
2 智能天线的提出
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的，是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。它利用信号传输的空间特性，从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号，从而控制天线阵的方向图，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的；同时它還能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化，自动调整天线阵的方向图，实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的，达到最佳收发信号，实现动态“空间滤波”的效果。采用智能天线的目的主要有以下3点：① 通过提供最佳增益来增强接收信号；②通过控制天线零点来抑制干扰；③利用空间信息增大信道容量。
在2O世纪5O年代出现的早期的智能天线是旁瓣对消天线，这种天线包含一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。将几个这样的环路组合成阵列天线，就构成自适应天线。随着阵列信号处理技术的发展，与智能天线有关的术语也越来越多。智能天线(intelligent antenna)、相控阵(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空间处理(spatial processing)、数字波束形成(digital beam forming)、自适应天线系统(adaptive antenna system)等不同的说法，反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。
3 智能天线的分类
早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。总的来说，智能天线主要包含两类：开关波束系统和自适应阵列系统。两者中，只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时，识别、跟踪和最小化干扰信号。通常按照实现形式可将智能天线分为3类。
(1)自适应调零智能天线
它是以自适应天线技术为基础，采用自适应算法来形成方向图。其基本原理就是根据天线的输入、输出特性，按一定的算法准则，自动地调节天线阵元的幅度和相位加权，在干扰方向上形成零陷，而在信号入射方向上增益最大，从而大幅度降低干扰电平，提高系统的信噪比。但这种天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
(2)等旁瓣针状波束智能天线
它也是以自适应天线技术为基础，但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图，且方向图的加权值是预先计算好的。系统工作时，首先通过测向确定信号的到达方向(DOA)，选取合适的加权，然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向，从而提高接收信噪比。这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰，可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制，但对处于主瓣区域内的干扰，采用此类智能天线将无法抑制，不及自适应智能天线。但等旁瓣智能天线无需迭代，而且响应速度快。
(3)数字波束形成智能天线
它运用数字波束形成(Digital Beam Forming，简称DBF)技术，将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。系统工作时，利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号，当基准信号到达波束形成自适应天线阵时，便给信号处理器提供一个方向信息，将各阵元的接收信号转换到基带，由A/D转换器转换成数字信号，然后根据方向信息对数字信号进行加权处理，从而在此方向上形成所需的波束。
4 智能天线的优点
在移动通信系统中，由于障碍物的反射，信号会在发射机和接收机之间多次传播从而形成多径传播。由于多径信号到达接收机的时间不同，因此多径传播将导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。智能天线对信号多径具有抑制作用。智能天线通过调整不同天线上信号的幅度和相位，把与主径（参考信号）不相关的多径当作干扰进行抑制。智能天线通过利用多径来改善链路的质量，通过减小相互干扰来增加系统的容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。此外，智能天线还有如下优点：
(1)增加覆盖范围以改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量。
(2)降低功率/减小成本。智能天线可以对特定用户的传输进行优化，这样就会使发射功率降低，从而降低放大器的成本，也可以延长移动台的使用寿命。
(3)改善链路质量/增加可靠性。由于通过独立的衰落路径可以接收到独立的信号副本，而在这些信号副本中一般会有一个或者多个副本没有受到衰落，这样多个独立的维数就会减小信号波动的影响，产生分集。多个发射天线通过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集，而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。可以提高信号接收质量降低掉话率从而提高语音质量。
(4)增加频谱效率。通过波束成形技术可以产生一种新的多址接入方式——空分多址(SDMA，Space—Division Multiple Access)。SDMA可以实现资源的重用，增加数据速率，从而增加频谱效率。
5 智能天线的工作原理及在TD-SCDMA中的应用
天线的主要组成为：高频处理部分、中频处理部分、波束形成部分。天线接收的信号经过高频/中频处理放大，以满足A/D变换的要求，然后进入专用数字处理器即数字调谐器，变换为窄带信道的零中频复包络信号，此信号经过数字波束形成器处理，计算出所需信号和干扰信号的到达时间(TOA)和角度，完成信号合成。发送信号可根据接收信号得到的参数，进行相反的处理。
基于智能天线在消除干扰、扩大小区半径、降低系统成本、提高系统容量方面所具有的优越性。WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术，但由于其算法复杂度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技术明确表示将在基站端使用智能天线。对于系统基站而言,智能天线技术在3G中的应用主要体现在基站的上行收与下行发两个方面。智能天线的上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中，可根据一定的自适应算法，对空、时域处理的各组权值系数进行调整，并与当前传输环境进行最大限度的匹配，从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值。但在实际工程中，由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时，更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式。智能天线依靠从上行连路中提取的参数来对下行波束赋形，即利用上行信道中提取的参数估计下行信道。对于FDD方式，由于上下行频率间隔相差较大，衰落特性完全独立因而不能使用。但对于TDD方式，上下行时隙工作于相同频段，只要上下行的帧长较短完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。
6 结束语
智能天线技术的发展步伐日益加快，应用前景日益广阔是不争的事实。在未来3G网络建设中引入智能天线技术，将从更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率，提高网络容量。基于智能天线也有一些本身无法解决的问题，因此在多径干扰严重的高速移动的情况下，智能天线必须和其他抗干扰的数字信号处理技术同时使用，才可能达到最佳效果。
参考文献：
[1]李小文,李贵勇.等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M].人民邮电出版社,2005.
[2]谢显中,唐宏.等.基于tdd的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社,2005.7.
[3]李世鹤.智能天线的原理和实现[M].电信建设,2001.4.
[4]Per H. Lehne and Magne Pettersen, "An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems", IEEE Communications Surveys, vol.2,1999
[5]周星华.TD-SCDMA智能天线的应用和市场分析[M].现代通信,2005.12.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。