新型智能天线

自适应天线阵列通过虚拟线路连接移动用户，极大地改善了无线通讯。

我们每天都沉浸在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、蜂窝电话网和警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们收发信息。过度的无线能量也是一种污染，因为它将破坏有用的通信。随着电子通信的日益频繁，无线电干扰也日渐嘈杂，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们必须加大无线信号的强度，才能在背景电磁噪声中将有用信号区分开来。


解决这个问题的一种方案是采用新型的射频天线，这种天线能够极大地减少人为干扰。以蜂窝电话通讯为例，采用这种全新的天线后，我们无须采用对用户的通话进行全向广播发送这种浪费的方式，而代之以跟踪移动用户的位置并将无线信号直接发送给他。这种天线系统在使其他用户受到的干扰最小化的同时，也使得目标用户的接受信号强度达到最大。实际上，这等同于给每个移动用户建立了一条虚拟的有线连接。 这些系统通常被称为智能天线，它们之中最智能的那种又被称为自适应天线阵列。1992年我和他人一起在美国加州圣荷赛创立了爱瑞公司，致力于开发能应用于已有和新的无线网络的自适应天线阵列。每个阵列包含了多达12根的天线以及一个强大的数字处理器（用于对输入输出信号的合并和处理）。朗讯、北电以及其他一些公司也都在开发这项技术。我们的目标都是降低成本和提高无线通讯的质量。现在自适应天线阵列已经向数以百万的蜂窝电话用户提供这些好处。此外，由于非常适合大量数据的传送和接收，它们极有可能成为无线因特网的关键部分。

天线的物理学原理

要了解智能天线的工作原理，先要了解比较“笨拙”的普通天线。射频天线将发射机产生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将之转化为接收机能处理的电流和电压信号。最简单最常用的天线是偶极子，它不过是特定长度的能向空间全向发射能量的竖杆而已，无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐减弱，并被空气、树木和建筑等障碍物吸收。 商用广播和电视台必须向地理分布上分散的用户提供服务，自然要进行全向广播。而一次蜂窝电话通讯通常只针对一个用户，在蜂窝网中，用户和最近的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域（称作小区）内所有的无线业务信号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多个小区；用户从一个小区移动到另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基站。在这种情况下，如果能将无线能量集中到单个用户身上，就像手电筒通过反射镜将光线集中成束那样，效率就会高得多。同样的功率，集束的信号能比全向发射的信号，传播到远得多的地方。基站向不同用户发送的波束在空间上是分开的，这样相互干扰也降低了。 反射器能把无线电波聚焦成束，但是它们实在是又笨重又昂贵。所以工程师们想出了许多不用反射器却能产生无线波束的办法。如果我们并排放置两根天线，它们之间的距离是无线信号波长的一半，那么从上面看下去时，这个简单阵列发射能量的方向图就是8字型的。在垂直于阵列（即垂直于两根天线之间的连线）的两个方向，无线电波的传送距离将达到最大，因为在这两个方向上用户能同时收到两根天线发送的信号（换句话说，就是两个信号是同相的）。然而，在平行于阵列的方向上，用户将接收到相位相差180度的两股信号。两股信号的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就产生了零区，在那里将检测不到任何信号。

这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发射。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越来越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被用于雷达波束的聚焦。虽然天线数目的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产生了更多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强（“增益”），也有可能由于抵消效应的存在变得比后者更弱（“损失”）。

波束的定向

如果不能指向特定的接收者，无线波束还是没有多大用途。最显而易见的解决方案就是移动天线阵列本身，但显然这个办法是笨拙和代价昂贵的。用电子的方法来操纵波束将简便得多。通过一种叫波束切换的技术，天线阵列能产生一组相互有所交叠的波束，这些波束在一起就能覆盖周围的区域。当一个蜂窝电话用户进行通话时，无线接收机首先确定从哪个波束方向来的用户信号最强，然后阵列发射机就按照这个来波方向给用户“回话”。如果用户从原有波束走入另一个相邻的波束，控制系统就自动将发射和接收都切换到那个新的波束。 然而波束切换在现实的无线通信环境中还是不能很好地工作。只有当用户处于波束正中央时，波束才是最有效的。正如离开手电筒的光线方向就会变暗一样，一旦用户离开波束中心，信号就会发生衰落。当用户靠近波束的最边缘时，在系统将之切换到相邻波束之前，信号强度会发生相当大的衰落。如果另一方向上的某个用户需要使用同一无线信道怎么办？如果第二个用户处于零场，还好不会给前一位用户带来干扰，但是一旦他处于某个旁瓣的中心，那么给他的信号将会阻塞或扭曲前一位用户的信号。 波束切换系统的另一个问题是，实际上在几乎所有的环境中，无线信号都很少沿着直接路径进行传播。我们手机上接收到的信号通常是由多个反射信号合并而成的。反射体可能是自然或者人造的物体（建筑、山脉、汽车和树木等等）。这些发射信号还在不停地变化，特别是那些由大型车辆（例如巴士）造成的。这种所谓的多径现象也会影响从手机发送到基站的信号。在波束切换系统中，如果用户靠近波束的边缘，那么他或她所发送的信号有可能在到达天线阵列前就被反弹到其他波束中。在这种情况下，天线阵列就有可能发送错误的波束，用户则可能完全得不到回应的信号。 在实际应用中，只有波束切换系统显然是不够的。一个真正智能的天线阵列应该能直接给移动用户一个波束，而不是选择一个相对靠近用户的波束。理想的天线阵列还必须能调整波束的方向图，将来自同一频段信道上其他用户的干扰最小化。最后，这种天线阵列必须能根据用户位置和反射的迅速变化做出快速反应。这些都是为什么要引入自适应天线阵列的原因。

优点与应用

与传统的蜂窝网络相比，采用自适应天线阵列的无线网络具有很多优点。对于同样的功率，由于装备有自适应阵列的基站的覆盖范围比普通基站大得多，因而覆盖同样的区域，所需基站的数量也相应减少。尽管自适应阵列可能比传统的天线更昂贵，但基站数目的减少能急剧降低设备和运营无线网络的成本。自适应阵列使得蜂窝业务公司能更好地利用希缺的资源：分配给该公司的频谱。许多蜂窝网络正因用户数目的增多而过载：在某些拥挤的区域，有时候同时迸发的信号量超过了系统中有限数目的无线信道所能承载的数量。当通话掉话或者信号质量下降时，用户就能感受到这种紧张。由于自适应阵列允许同一基站覆盖范围内的一些用户同时使用同一无线信道，因此就增加了频谱的容量。相对于普通天线而言这种改进是显著的：对语音业务，配备有自适应阵列的基站的用户容量提高了6倍；对于数据业务，这一数字更是高达40倍。采用自适应天线阵列的结果是更好的服务和更少的干扰，除此之外还有较少的能量浪费和射频污染。

这样，我们就不会为自适应天线已经获得的商业应用感到吃惊。在日本、中国、泰国以及亚洲和非洲的其他一些地区，已有超过15万的基站装备了使用爱瑞公司技术的天线阵列，为总计超过1500万人提供电话服务。自适应阵列在美国和欧洲的商业应用进展得相对比较缓慢，这要部分归咎于电信业不景气所导致的对蜂窝网络新投资的削减。但是还是有一家美国制造商（佛罗里达州蒙特利尔的Airnet公司），正在生产使用爱瑞公司技术的蜂窝基站。同时英国的电信公司马可尼也正在开发一种包含自适应阵列的先进基站。

自适应阵列对无线数据网络而言也是一大福音。因为这种阵列能够使干扰最小化，所以在给定的频率范围内可以传送和接收更多的数据。一个装备有自适应天线阵列的基站能同时为40位用户提供速度高达每秒1M字节的数据服务，这大约是现有远程无线网络典型数据率的20倍。在此类网络中，并非所有的用户都在同时要求获得峰值数据率的服务，所以一个装备自适应天线阵列的基站可以为数千用户提供服务。拥有便携式电脑或其他便携设备的用户，就能在步行或开车通过服务区的同时保持对因特网的高速连接。

自从1990年代末，电信业就开始欢呼无线因特网的到来。虽然新网络的发展速度并不像预期的那样快，但还是在逐步取得进展。随着无线运营商对3G网络（能以包的形式传递数据的下一代蜂窝系统）的继续追求，其他的公司也正在提供多种有竞争力的高速数据传输解决方案，其中有些解决方案就采用了智能天线并能在现有网络中使用。一个采用了爱瑞公司技术的数据网络正在澳大利亚悉尼运营着，类似的网络很快将在美国和韩国建立。美国德州Navini NetWork公司开发的自适应阵列，正在接受一些无线运营商的测试。一些大型电信设备执制造也准备在它们的下一代产品中采用智能天线技术。

在贝尔发明电话之后的近100年中，语音通讯始终依赖于呼叫者和网络间的物理链接（铜线或者同轴电缆）。只是在过去的30年里，蜂窝电话才开始让我们享受到一些无线通讯的自由。有了自适应天线阵列技术，终有一天无线运营商能以更低廉的价格提供比有线网络质量更好的服务。到那时，我们就从金属铜的牢笼中解放出来了。