智能天线及其应用

一、序 随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效的解决这个问题。
用于基台的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积。或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境与用户和基台的最佳空间匹配通信。
用于手机的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电波对人体影响。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，它将是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救助等。天线的空间分集可以克服快衰落，显着提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。
近年来国内外不少公司在开发智能天线方面投入了大量人力物力，有些已开始进入实用阶段。如：Nortel SmartBTS - GSM, MetaWave SpotLight, ArrayComm IntelliCell, Celwave Smart System - AMPSc Hazeltine IAS - AMPS, Ericsson and Lucent - IS- 136, NTT DoCoMo等。AT&T公司采用带功率控制的开关多波束天线组成智能天线，在1.9 GHz频段上进行了实验。
二、空分信道和智能天线
智能天线是一个天线阵列，如图1所示。它由N个天线单元组成。每个天线单元有M套加权器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N。根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：
1. 自适应方向图智能天线
它采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。
智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称为空间滤波器。虽然这主要是靠天线的方向特性，但它是从信号干扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的直接联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题。
自适应天线自出现以来，已有30多年。大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上；第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗。与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。
2. 固定形状方向图智能天线
固定形状方向图智能天线在工作时，天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。
近年来，一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。Bigler等人的实验表明，在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满足固定形状波束智能天线工程需要的，实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感，各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。
在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境（城巿、农村、商业区、楼内）进行了分析，给出了对应的模型。在美国的Boston地区，New Jersey的高速公路,德国的Munich地区等进行了大量的测试。结果表明，在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少。采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应，这也是研究的热点之一。
三、智能天线的增益
8元圆形自适应阵列对1用户(实心矩形)、10干扰用户(空心矩形)通信环境的等效方向图。由图2可见，系统在干扰方向形成凹点，并在所需信号方向形成峰值。通常自适应算法在无干扰信号的其它角度上也可能出现峰值。
一个门限值为6dB的32用户CDMA系统中，在基站引入采用自适应、-15dB等旁瓣针状波束、-20dB等旁瓣针状波束和简单同相叠加方向图四种不同智能天线后，系统Eb/N的累积概率分布。可以看出，采用智能天线以后，系统的Eb/N得到了显着的提高。图5给出了分别利用四种智能天线扩容的系统，在不同用户数时系统Eb/N低于门限值(6dB)的出界概率分布。在0.01的出界概率下，采用上述四种智能天线系统的扩容能力分别为6.56、6.41、5.47、4.9倍。
四、时空信号联合处理技术
智能天线实际上是一种空间信号处理技术。如果它和时间信号处理技术相结合，就会获得更大的好处。在时间信号处理方面，如均衡技术，时、频域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到广泛应用。它们本身也常用于克服多径衰落，提高通信质量。把两种信号处理技术结合起来，产生一种新的统一的算法，可以更有效地提高通信性能和处理效率。有的文献称之为两维或三维RAKE接收。图6给出一种空间滤波RAKE接收机的框图, 它包括N个天线单元、三套形成空间波束的加权器和一个三指RAKE接收机。除此之外，还需一个实时DOA探测器和相应的控制器，用以产生加权数。
图7给出了一个用于DSCDMA系统的时空域联合处理系统结构框图。它除了有智能天线部分，还有多用户联合检测部分。在多用户联合检测部分，如我们需要先得到用户0的信号。Demi和Modi (i＝1,2,…,M)分别将来自第i个用户的扩频干扰解调后重新扩频，自适应数字滤波器ADFi用来识别包括无线信道和天线阵列的参数，以产生对干扰的复制。从智能天线输出端的信号y(k)中减去干扰信号，得到的u(k)经过自适应滤波器ADF0得到用户0的信号。再通过Dem0解调后得到基带信息，把它重新扩频、调制再与ADF0的输出相减，就得到了用于控制ADFi（i＝0,1,…,M）的误差信号。
我们进行了计算机仿真，假设有两个用户同时在工作，每个用户的信号到达接收端都有两径，针状波束智能天线的主瓣指向为180°,以第一位用户的DOA=180°的信号为有用信号，对全向天线（无多用户联合检测）、全向天线（有多用户联合检测）、智能天线（无多用户联合检测）、智能天线（有多用户联合检测）四种情况。
多径信号干扰的影响。全向天线误码率为50%左右；采用多用户联合检测的全向天线使误码率下降到10-2到10-4左右；无多用户联合检测的智能天线在干扰小于信号时，误码率极低（小于10-10），但当干扰来向接近天线主瓣最大值时，此时干扰强于有用信号，误码率迅速提高到50%左右；采用多用户联合检测的智能天线在干扰来向接近天线主瓣最大值时，仍能极大地压制干扰，但在干扰弱于有用信号时，由于时域均衡造成的误差在此时成为误差主要来源而导致误码率高于无多用户联合检测的智能天线，因此在实际使用中，可以控制ADFi（i=0,1,…,M）使其在干扰高于有用信号时工作，用来消除通信盲区。
图9是其他用户信号干扰的影响，可以看出，全向天线误码率为50%左右；采用多用户联合检测的全向天线误码率下降到10-2.5到10-4左右；无多用户联合检测的智能天线在其他用户的干扰小于有用信号时，误码率极低（小于10-10），但当其他干扰强于有用信号时，误码率迅速变大到50%左右；采用多用户联合检测的智能天线在干扰来向接近天线主瓣最大值时，仍能保证误码率低于10-3，但在干扰弱于有用信号时，误码率高于无多用户联合检测的智能天线。
五、动态信道分配
在通信中，信道的分配是保障通信质量，有效利用信道的关键技术之一。当空分信道引入系统后，空、频、时、码分信道的动态分配算法成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的，在小区内它与环境无关，可以由系统根据用户情况实施动态分配。但空分信道分配与他们不同，它基于信干比情况，可以归纳为两个基本条件。即在基台处接收功率相差不大和用户方向角度相差大于天线主波瓣的用户可以分享同一时、频域信道。这样，信道分配成为一个动态的条件组合问题，并且，随着用户空间位置的移动，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配，以跟踪用户。它必须与时、频信道的分配和切换结合起来。这需要一种高效算法，以适应快速移动用户的要求。此外，它还必须保证信道的切换不能过于频繁，切换和接入时间要足够短等。对于CDMA系统，由于其容量是一个软容量，其信道分配相对简单。
由于智能天线本身具有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制技术。所谓波束跟着用户走还包含着功率控制。现有的功率控制是一维的，而智能天线的功率控制是两维，甚至三维的。采用智能天线，基地台间的越区切换可以采用更为灵活的方法，更好地克服CDMA系统中的呼吸现象。
六、结束语
天线技术是当前移动通信发展的瓶颈之一，是目前最有活力、最富有挑战性的学术和技术领域。一方面，对天线的各种要求，如小体积、宽频带、多频段、高方向性及低副瓣等不断提出；因此新的材料，如陶瓷介质材料、超导天线等不断出现；新的天线形式，如金属介质多层结构、复合缝隙阵、各种阵列天线等不断产生。另一方面，在目前电磁环境曰益恶化的情况下，将空间信号和时间信号处理结合，采用智能天线和软件无线电技术是解决需求和可能矛盾的根本出路。自适应天线已经历了40多年的发展历史，有了长足的进步。但是，智能天线的发展必将在更高层次上、更广泛的内涵上将无线通信带入新的时代。

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