如何改善频谱使用效率？智能天线异军突起

目前，频率资源的投入已成为全球各运营商资金投入成本的重要组成部分。可以预言，在我国，频率资源不再无偿使用的日子已为期不远了。因此，如何采取新技术提高有限频率资源的使用效率已成为人们日益关注的课题。全球第一部移动手机的研发者，被誉为“世界手机之父”的马丁·库珀先生曾经说过“我们并不缺乏频率，我们缺乏的是频率的使用效率。”近些年来，随着微电子技术的高速发展，智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用于移动通信系统，并通过对无线数字信号的高速时空处理，极大的改善了无线信号的传输，成倍地提高了系统的容量和覆盖范围，从而极大的改善了频谱的使用效率。

一、智能天线的原理

智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，后来被引入移动通信系统中。智能天线通常包括波束转换智能天线(SwitchedBeamAntenna)和自适应阵列智能天线(AdaptiveArrayAntenna)。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。目前，自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。

移动通信信道传输环境较恶劣。实际环境中的干扰和多径衰落现象异常复杂，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-SymbolInterference）、FDMATDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰（CCI，Co-ChannelInterference）、CDMA系统中的MAI（MultipleAccessInterference）等都使链路性能、系统容量下降。

自适应阵列天线技术是近30年中最先进的无线技术之一，它利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束即最大增益点对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的（如图1所示）。使用自适应阵列天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等。

自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低；太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD中,如美国ArrayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线的阵元间距为5个波长。间距宽而波束更窄，而PHS系统中采用TDD模式,因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都比较少，因而不会带来不利的影响。
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阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。

虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备，但自适应阵列天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加噪声比最大。基带处理部分采用复杂的自适应算法。目前已经有多种有关时域和空域的算法提出，如通过时域获得天线最优加权算法有：最小均方算法(LMS)、取样协方差矩阵的直接求逆(DMI)、递归最小均方误差(RLS)算法、恒模(CM)算法等；通过在空域对频谱进行分析以获得信号到达方位角(DOA)估计的算法有：多信号分类法(MUSIC)算法、旋转不变技术信号参数估计法(ESPRIT)算法等。

下图为自适应智能天线实现的简单原理图：

二、空分多址技术（SDMA）的核心——自适应天线技术

近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这三种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（SDMA）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能。并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。而实现它的技术核心则是自适应智能天线技术。

自适应智能天线技术是一种软件技术，是当今软件无线电技术的基础。它使用了自适应阵列信号处理软件，对所有用户的无线信号进行高速时空处理从而实时调整无线信号的传输，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号。即使基站在充满噪音和干扰的环境中，也能监测并保持与多个不同的用户的通信连接,从而实现空分多址（SDMA）的效果。在网络中，这种先进的基站性能可以用来增加基站覆盖范围，从而降低网络成本，提高系统容量，最终达到提高频率使用效率的目的。SDMA可以与任何空间调制方式或频段兼容，因此具有巨大的实用价值。

空分多址的基站组件就是一种先进的自适应天线阵列系统。自适应阵列天线系统持续监控其覆盖的范围，针对不断变化的无线环境（包括移动用户和干扰信号），系统将提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户，为用户所在的方向提供最大的增益，同时抑制其他用户的干扰，以适应用户的位置移动。
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SDMA系统的处理程序如下：

1．系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形式，并存储在内存中。

2．计算机中的SDMA处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户、干扰源及其所在的位置。

3．处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略，每位用户的信号接收质量将大大提高，而其它用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽。

4．系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。在此基础上，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道—空间信道实现高效的传输。

5．在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。

利用上述流程，SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道，每一条信道都可以完全获得整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论上而言，带有m个单元的阵列能够在每条普通信道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可见，SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍地提高频谱使用效率。

三、自适应智能天线技术提高频谱使用率

自适应智能天线技术是一种物理层技术，它并不影响系统的高层协议，因此，它适用于各种无线接口。按照对传统的智能天线的理解，自适应智能天线技术由于其技术特点的限制仅适用于TDD系统，而现在随着这一新技术的不断完善，它在FDD系统中的应用同样能达到理想的效果。实验及现场测试表明，自适应智能天线技术能应用于PHS，WLL，GSM/GPR/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系统，使系统的容量及覆盖范围都成倍地提高。

在现有的PHS商用系统中，有近十万台基站装备了自适应智能天线系统，而其中近五万台装备在中国。由于使用了自适应智能天线技术，基站通过上行信息分析每个用户及干扰源的位置，为每个用户波束赋形，以增强用户的信号增益，同时最大限度地降低对其他用户的干扰，这样，网络的频率复用模式可以从传统的（7，3）复用，改为（4，3）复用，甚至（1，3）复用，频率的复用距离可以减小一倍或数倍，且网络的服务质量不变。在此基础上，SDMA技术的应用，可以使系统增加多达一倍的空分信道。系统的总容量达到数倍地增加。

对于GSM/GPRS/EDGE系统而言，跳频技术的应用是传统的提高系统容量的方式，但跳频技术只能起到平均网络干扰的作用，并不能主动地降低网络的干扰电平，虽然它也在一定程度上缓解了热点地区的容量与频谱间的矛盾，但它只是对网络容量的一种优化调整，并没有在根本上改善频谱的使用效率。而采取自适应智能天线技术，结合传统的调频技术，可以使传统的跳频负载的限制由原来的50%提高到100%，且频率的复用模式可以由原来的（1，3）改为更紧密地（1，1）复用。网络的仿真及现场测试表明，采用自适应智能天线技术后，跳频负载提高到100%后，网络的服务质量不低于调整前。也就是说，频谱的使用效率较传统的提高四倍（在采取四天线阵的情况下）。

CDMA系统是一种自干扰系统，无论IS-95CDMA，WCDMA还是CDMA2000，系统的射频污染是影响系统容量的重要因素。由于自适应智能天线系统采用有选择性的空间传输，因此基站发射的功率可以远远低于普通的基站，从而可减少网络内的射频污染，同时减小功率放大器的规格。首先，功率可分配到每个单元，然后，由于能量根据方向而提供，所以输送到每个单元的功率就随之减少。如果阵列部署有10个单元，则每个单元的放大器只需发射来自相关天线系统的1%的功率。而且能量只集中在有效用户的位置，对其他用户位置的能量辐射最小，从而最大限度地减少网络空间的射频污染，降低干扰电平，提高系统容量。
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表1及表2是加入自适应智能天线技术后各种无线接口标准下基站的容量及频谱使用效率。

四、软件无线电技术的雏形

从自适应智能天线技术的实现原理可以看出，自适应智能天线的核心在于基带的数字处理部分，它由数个软件功能模块组成。自适应智能天线系统针对不同的通信标准以及不同的应用环境有不同的解决方案，基站系统只需通过软件置换即可实现基站设备的重新配置，而基站系统的射频结构及其它硬件结构则不需作任何调整。这正是当今软件无线电的概念。虽然现在的自适应智能天线系统硬件平台的通用性还有一定的限制，但这种限制并不是来源于自适应智能天线技术本身。因此，从自适应智能天线的技术特点上来看，它已具备了软件无线电技术的基本构成要件，是软件无线电技术的雏形。

结束语：

自适应智能天线技术以其技术的先进性正越来越多地被人们所重视，随着无线通信业务的发展，自适应智能天线技术将可以帮助运营商经济高效地完成系统的部署，从而提供优质的服务。用户则将是这种技术的最终受益者，能够以较低的费用获得清晰的通话质量，而这就将成为通信发展的原动力，推动通信技术的不断发展。

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