隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智慧型天線採用空分復用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區分開來。它可以成倍地擴展通信容量，並和其他復用技術相結合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由於複雜的地形、建築物結構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質量受到嚴重影響。採用智慧型天線可以有效的解決這個問題。
基本介紹
- 中文名：智慧型天線技術
- 外文名：Smart antenna technology
基本介紹,工作原理,用途,⑴抗衰落,⑵抗干擾,⑶增加系統容量,⑷實現移動台定位,技術分類,自適應方向圖智慧型天線,固定形狀方向圖智慧型天線,採用軟體無線電實現智慧型天線,技術套用,存在問題,全向波束和賦形波束,智慧型天線的校準,智慧型天線和其他抗干擾技術的結合,設備複雜性的考慮,
基本介紹
智慧型天線也叫自適應陣列天線，它由天線陣、波束形成網路、波束形成算法三部分組成。它通過滿足某種準則的算法去調節各陣元信號的加權幅度和相位，從而調節天線陣列的方向圖形狀，以達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智慧型天線技術適宜於TDD方式的CDMA系統，能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統容量。但是由於存在多徑效應，每個天線均需一個Rake接收機，從而使基帶處理單元複雜度明顯提高。
起源發展
近年來，現代數位訊號處理技術發展迅速，數位訊號處理晶片處理能力不斷提高，晶片價格已經可以為現代通信系統所接受。同時，利用數位技術在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統的可靠性與靈活程度，智慧型天線技術因此開始在移動通信中得到套用。另一方面移動通信用戶數增加迅速，人們對移動通話質量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區在大容量下仍有高的話音質量。使用智慧型天線可以在不顯著增加系統複雜度的情況下滿足服務質量和擴充容量的需要。不同於常規的扇區天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發智慧型天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區域傳送和接收，充分利用了信號發射功率，降低了信號全向發射帶來的電磁污染與相互干擾。不同於傳統的時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智慧型天線引入了第四維多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分。
智慧型天線相當於空時濾波器，在多個指向不同用戶的並行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智慧型天線將在以下方面提高了移動通信系統的性能：
⑴擴大系統的覆蓋區域；
⑵增加系統容量；
⑶提高頻譜利用效率；
⑷降低基站發射功率，節省系統成本，減少信號間干擾與電磁環境污染。
工作原理
天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關係，對於全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對於陣列天線，可以通過調整陣列中各個元素的加權參數來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智慧型天線正是一種能夠根據通信的情況，實時地調整陣列天線各元素的參數，形成自適應的方向圖的設備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的主瓣對準有用信號，而在其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。
智慧型天線原理圖（單個用戶）
智慧型天線原理圖（單個用戶）智慧型天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據得到的關於通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和傳送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環反饋的形式時，也可能是通信對端關於傳送信號接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構成天線陣列。構成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，並且取向相同。智慧型天線系統由天線陣列部分、陣列形狀、模數轉換等幾部分組成，如圖所示。實際智慧型天線結構比圖複雜，因為圖中表示的是單個用戶情況，假如在一個小區中有K個用戶，則圖1中僅天線陣列和模數轉換部分可以共用，其餘自適應數位訊號處理器與相應的波束形成網路需要每個用戶一套，共K套。以形成K個自適應波束跟蹤K個用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶，剩下的K- 1 個用戶均為干擾用戶。智慧型天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益.因此，智慧型天線系統的套用可以帶來如下好處：提高系統容量、減小衰減、抗干擾能力較強、實現移動台定位、增強網路管理能力等。
用途
智慧型天線在移動通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統容量以及移動台的定位。
⑴抗衰落
採用智慧型天線控制接收方向，天線自適應地構成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減少信號衰落的影響。智慧型天線還可以用於分集，減少衰落。
⑵抗干擾
高增益、窄波束智慧型天線陣用於WCDMA基站，可減少移動台對基站的干擾，改善系統性能。抗干擾套用實質是空間域濾波。
⑶增加系統容量
為了滿足移動 通信業務的巨大需求，應儘量擴大現有基站容量和覆蓋範圍。要儘量減少新建網路所需的基站數量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是採用智慧型天線技術，用多波束板狀天線代替普通天線。
⑷實現移動台定位
目前蜂窩移動通信系統只能確定移動台所處的小區。如果基站採用智慧型天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連線收機產生的回響作相應處理，獲得該信號的空間特徵矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向，即用戶終端的方位。
技術分類
自適應方向圖智慧型天線
它採用自適應算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態回響速度相對較慢。另外，由於波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統中上下行的回響不同，因此它不適應於頻分雙工而比較適應時分雙工系統。自適應天線陣著眼於信號環境的分析與權集實時最佳化上。
智慧型天線在空間選擇有用信號，抑制干擾信號，有時我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號干擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數學困難，同時建立了信號環境與處理結果的直接聯繫。自適應天線陣的重要特徵是套用信號處理的理論和方法、自動控制的技術，解決天線權集最佳化問題。
軟體無線電實現智慧型天線系統示意圖
軟體無線電實現智慧型天線系統示意圖自適應天線自出現以來，已有30多年。大體上可以分成三個發展階段：第一個10年主要集中在自適應波束控制上，第二個10年主要集中在自適應零點控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特徵空間正交譜估計等等。在大規模積體電路技術發展的促進下，八十年代以後自適應天線逐步進入套用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應信號處理理論與技術也得到了大力發展與廣泛的套用。
固定形狀方向圖智慧型天線
固定形狀方向圖智慧型天線在工作時，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達方向（DOA），然後根據信號的DOA選取合適的陣元加權，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智慧型天線對於處於非主瓣區域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應智慧型天線相比，固定形狀波束智慧型天線無需疊代、回響速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高。
近年來，一些研究小組針對個人移動通信環境的DOA檢測算法進行了相當的理論和實驗研究。Bigler等人的實驗表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實測值是可以滿足固定形狀波束智慧型天線工程需要的，實驗中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結果的標準偏差均小於4度。
在多徑環境下，空間信道的分析和測量是目前理論和實驗研究的熱點。已有多種傳播模型和分析方法，並用它對各種不同通信體制、不同信號頻寬、不同環境（城巿、農村、商業區、樓內）進行了分析，給出了對應的模型。在美國的Boston地區，New Jersey的高速公路，德國的Munich地區等進行了大量的測試。結果表明，在農村、城郊以及許多城區，對於窄波束，其時間色散可以減少。採用通信信號中的訓練序列進行信道估計，可以給出空間信道的回響，這也是研究的熱點之一。
採用軟體無線電實現智慧型天線
智慧型天線需根據通信系統的傳輸特性和環境，選用不同的算法來調整波束，甚至改變系統的資源管理狀態，為提高其運用彈性和靈活度，採用軟體無線電（SDR）實現智慧型天線已成為主流趨勢。軟體無線電採用開放式架構，以硬體作為其通用的基本平台，通過軟體完成功能性的重組，以滿足不同環境、多模式、多功能的通信要求，同時具備可適應性信號處理、組件可程式化的能力。在此概念下，利用軟體控制方式改變硬體特性的通信設備，均可視為軟體無線電系統。軟體無線電系統的發展方式類似於軟體開發，系統中各個硬體組件模組可視為功能不同的對象（object），根據呼叫的不同啟動相應的執行程式，因此可直接通過下載程式代碼的方式來置換對象，即可顯現在同一硬體平台上，可適應性的調整套用架構，藉以提高系統的運用彈性和擴充能力，提供高效率、高彈性、高適應性的處理能力。因為不對硬體組態進行任何改變，所以系統具有易維護、易套用的操作環境。
鑒於未來無線通信系統的體制繁多，為使智慧型天線能配合系統進行平滑的技術演進，進而能更彈性地運用於多模系統中，軟體無線電將是未來智慧型天線研製的重要系統架構。利用軟體無線電實現智慧型天線系統示意如圖所示。
軟體無線電系統由不同的硬體模組所構成，其中包括可組態通信系統模組、基頻處理單元（含DSP及FPGA模組）、數字寬頻收發單元（含模擬/數字轉換器（ADC）、數字/模擬轉換器（DAC））、實時作業系統及智慧型天線單元等。運用軟體無線電系統架構發展智慧型天線的最大挑戰在於各種算法的建立。
技術套用
在3G中的套用
在WCDMA和CDMA2000中的套用。第3 代系統被設計為一個可以提供相當高速的數據業務的系統。但是，它們還會像第2 代系統那樣受到空中信道質量的限制。標準化組織已經認識到智慧型天線在改善這個矛盾方面所起的作用，並且在3G 標準中制訂了相關的條款。如WCDMA 和CDMA2000 都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導頻信道，但是將要求使用智慧型天線系統。
對於WCDMA 和CDMA2000 系統而言，智慧型天線雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站產品已經開始支持智慧型天線了。
在TD- SCDMA系統中的套用。TDSCDMA（時分同步的碼分多址） 智慧型天線的高效率是基於上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性（ 無線環境和傳輸條件相同） 而獲得的。此外，智慧型天線可減少小區間干擾，也可減少小區內干擾。智慧型天線的這些特性可顯著提高移動通信系統的頻譜效率。TD- SCDMA 系統的智慧型天線是由8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應的收發信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產生強方向性的輻射方向圖，使用DSP( 數位訊號處理器） 使主瓣自適應地指向移動台方向，就可達到提高信號的載乾比，降低發射功率等目的。智慧型天線的上述性能允許更為密集的頻率復用，使頻譜效率得以顯著地提高。
由於每個用戶在小區內的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP 控制用戶的方向測量使上述要求可以實現。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量。在TD- SCDMA系統中，由於無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200 次，每用戶的上下行傳輸發生在相同的方向，通過智慧型天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。
TDD(時分雙工) 模式的TD- SCDMA 的進一步的優勢是用戶信號的傳送和接收都發生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2 個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的，使得智慧型天線能將小區間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統性能。
存在問題
全向波束和賦形波束
上述智慧型天線的功能主要是由自適應的發射和接收波束賦形來實現的，而且接收和發射波束賦形是依據基站天線幾何結構、系統的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統中，智慧型天線對每個用戶的上行信號均採用賦形波束，提高系統性能是非常直接的；但在用戶沒有發射、僅處於接收狀態下，又是在基站的覆蓋區域內移動時（ 空閒狀態） ，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發射（ 如系統中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道）。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發射功率，這是系統設計時所必須考慮的。
智慧型天線的校準
在使用智慧型天線時，必須具有對智慧型天線進行實時自動校準的技術。在TDD系統中使用智慧型天線時是根據電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形係數來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環境條件等因素變化。如果不進行實時自動校準，則下行波束賦形將受嚴重影響。這樣，不僅得不到智慧型天線的優勢，甚至完全不能通信。
智慧型天線和其他抗干擾技術的結合
目前，在智慧型天線算法的複雜性和實時實現的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智慧型天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動都卜勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動環境下，必須將智慧型天線和其他抗干擾的數位訊號處理技術結合使用，才可能達到最佳的效果。這些數位訊號處理技術包括聯合檢測( joint detection) 、干擾抵消及Rake接收等。目前，智慧型天線和聯合檢測或干擾抵消的結合已有實用的算法，而和Rake 接收機的結合算法還在研究中。
