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摘要：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受到了广泛的重视，智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。本文首先介绍了智能天线的定义、关键技术及与以往天线的对比信息，进而提出了智能天线未来的发展方向。
关键词：智能天线；关键技术；移动通信
Abstract: The rapid development of mobile communication capacity and pressure bring to the system, so how to utilize wireless spectrum efficiency has received extensive attention, smart antenna technology is currently considered one of the most effective methods to improve spectrum utilization. This paper firstly introduces the definition of information, the key technology of the intelligent antenna and the antenna, and then put forward the future development direction of intelligent antenna.
Keywords: smart antenna; key technology; mobile communication
中图分类号：F626.5
一、智能天线的组成和关键技术
智能天线主要分为天线阵列、接收通道及数据采集、信息处理3部分。在移动通信系统中,天线阵列通常采用直线阵列和平面阵列两种方式。在确定天线阵列的形式后,天线单元的选择就十分关键。天线单元不仅要达到本身的性能指标,还必须具有单元之间的互耦小、一致性好以及加工方便的特点。目前微带天线使用较多。
接收通道及数据采集部分主要完成信号的高频放大、变频和A/D转换,以形成数字信号。目前,受A/D器件抽样速率的限制,不能直接对高射频信号和微波信号进行采样,必须对信号进行下变频处理,降低采样速率。
信息处理部分是智能天线的核心部分,主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形成两方面的功能。进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数,这些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制方式及射频频率等,其中信号的来向对于实现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。在众多的超分辨率测向算法中,MUSIC算法及其改进算法一直占据主导地位,它不受天线阵排阵方式的影响,只需经过一维搜索就能实现對信号来向的无偏估计,并且估计的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法来解决移动通信中的测向问题也得到了广泛的研究。数字波束形成主要通过调整加权系数来达到增强有用信号和抑制干扰的作用,它需要收敛速度快、精度高的算法支持。根据所需先验知识的不同,目前的波束形成算法主要有3类:以信号来向为先验知识,如LCMV算法;以参考信号为先验知识,包括LMS算法及其改进算法NLMS、RLS等;不需要任何先验知识,如CMA算法。由于移动通信环境复杂,各种算法也有各自的优缺点,因此系统中必须对多种算法取长补短,才能达到最佳效果。
二、智能天线与若干空域处理技术的比较
为了进一步理解智能天线的概念,我们把智能天线和相关传统空域处理技术加以比较。
2.1智能天线与自适应天线的比较。智能天线（图1）与自适应天线（图2）并没有本质上的区别,只是由于应用场合不同而具有显著的差异。自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相当。而在无线通信系统中,由于多径传播效应到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,入射角呈现随机分布,功率电平也有很大的动态变化范围,此时的天线叫智能天线。对自适应天线而言,只需对入射干扰信号进行抵消以获得信干噪比(SINR, Signal to Interference plus Noise Ratio)的最大化。对智能天线而言,由于到达阵列的多径信号的入射角和功率电平均数是随机变化的,所以获得的是统计意义上的信干噪比(SINR)的最大化。
2.2智能天线与空间分集技术的比较。空间分集是无线通信系统中常用的抗多径衰落方案。M单元智能天线也可等效为由M个空间耦合器按优化合并准则构成的空间分集阵列。因此可以认为智能天线是传统分集接收的进一步发展。但是智能天线与空间分集技术却是有显著的差别的。首先空间分集利用了阵列天线中不同阵元耦合得到的空间信号的弱相关性,也即是不同路径的多径信号的弱相关性。而智能天线则是对所有阵元接收的信号进行加权合并来形成空间滤波。一个根本性的区别:智能天线阵列结构的间距小于一个波长(一般取λ/2),而空间分集阵列的间距可以为数个波长。
2.3智能天线与小区扇区化的比较。小区的扇区化可以认为是一种简化的、固定的预分配智能天线系统。智能天线则是动态地、自适应优化的扇区化技术。现在,我们来讨论一个颇有争议的问题。根据IS-95建议,当采用120°扇区时系统容量将增加3倍。由此是否可以得到结论,扇区化波束越窄系统容量提高越大。考虑到实际的电磁环境,我们认为对这一问题的回答是否定的。这是因为窄波束接收到的信号往往是由许多相关性较强的多径信号构成的。一般情况下,各径信号的时延扩展小于一个chip周期。这时信号波形易于产生畸变从而降低信号的质量达不到增加系统容量的目的。同时如果采用过窄的波束接收信号,一旦该径信号受到严重的衰落,则将直接导致通信的中断。另外,过窄的接收波束在工程上是难以实现的,并将成倍地增加设备的复杂度。
三、智能天线的优点及应用
智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益。因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：
在通信网中通信覆盖距离取决于发射功率、接收灵敏度、传输损耗、天线增益。在基站，手机发射功率和接收灵敏度不变的情况下，通过提高基站天线在通信方向的增益，增加通信覆盖距离。在建网初期，小区内用户不多，使用智能天线能扩展通信距离，扩大小区半径，减少基站的数目，也减少了无线系统安装初期的建设费用。随着用户的增加，进行小区分裂减少基站的覆盖范围后，因为智能天线的应用可以提高载干比，降低用户的发射功率，降低系统的干扰。另一方面，由于降低干扰可以更加频繁的重复使用频率，又可以提高系统的容量。无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩散，智能天线可以分离来自不同方向的多径信号，通过RAKE接收技术提取有用信号，然后将其叠加，不但减轻了多径的影响，甚至可以利用多径所固有的分集效应改善链路的质量。CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户的地面分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调整方向，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。
近年来，无线本地环路WLL (Wireless Local Loop)的蓬勃发展使人们对智能天线刮目相看，它的无线基础设施安装方便、价格低廉。WLL系统是为固定用户服务而不是为移动用 户服务的，它的目的是为居民和商业用户提供有线质量的语音和数据业务。采用CDMA 和智能天线技术的新兴的WLL系统可以提高覆盖距离，增加可靠性和增大容量。智能天线使CDMA系统更有效的利用无线频谱，为业务密集的区域及无线宽带接入提供了高度的灵活性。第三代移动通信系统的标准之一，中国的TD—SCDMA初步实现环形8阵元自适应天线。
四、智能天线面临的挑战和发展方向
智能天线系统在改善性能的同时,也增加了收发机的复杂度。因为要对每个用户进行定位,并且波束形成的计算量很大,所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。在实施SMDA时,资源管理也成为一个必须关注的问题。作为一种新的多址方式,在频谱分配和移动性管理上也提出了新的问题,将会对网络管理提出更多的需求。此外,目前智能天线的物理尺寸较大,不利于构建更小的基站。
智能天线形成下行波束较为困难,因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识,而无线信道的信道状况变化极快,使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送链路中器件的线性特性对系统的性能有显著影响。智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大,对器件、时间和功率的要求比较高,因此研究高效的优化算法对提高系统的性能至关重要。
到目前为止,还没有一个完整的智能天线系统理论,而智能天线今后的研究必须同一些相关技术联系,如与多用户检测、多用户接收和功率控制等结合在一起。目前的智能天线多用于基站系统,今后还可以研究基于移动台的智能天线。在信号处理部分,目前多采用自适应信号处理算法,尚未将人工智能方法应用于其中,同时还可尝试将智能计算的一些方法,如人工神经网络、模糊技术和进化计算等用于智能天线系统中。
四、结语
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。智能天线技术对通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的，因此注重智能天线的研究开发运用是非常必要且有现实意义的。
关键词：智能天线；关键技术；移动通信
Abstract: The rapid development of mobile communication capacity and pressure bring to the system, so how to utilize wireless spectrum efficiency has received extensive attention, smart antenna technology is currently considered one of the most effective methods to improve spectrum utilization. This paper firstly introduces the definition of information, the key technology of the intelligent antenna and the antenna, and then put forward the future development direction of intelligent antenna.
Keywords: smart antenna; key technology; mobile communication
中图分类号：F626.5
一、智能天线的组成和关键技术
智能天线主要分为天线阵列、接收通道及数据采集、信息处理3部分。在移动通信系统中,天线阵列通常采用直线阵列和平面阵列两种方式。在确定天线阵列的形式后,天线单元的选择就十分关键。天线单元不仅要达到本身的性能指标,还必须具有单元之间的互耦小、一致性好以及加工方便的特点。目前微带天线使用较多。
接收通道及数据采集部分主要完成信号的高频放大、变频和A/D转换,以形成数字信号。目前,受A/D器件抽样速率的限制,不能直接对高射频信号和微波信号进行采样,必须对信号进行下变频处理,降低采样速率。
信息处理部分是智能天线的核心部分,主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形成两方面的功能。进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数,这些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制方式及射频频率等,其中信号的来向对于实现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。在众多的超分辨率测向算法中,MUSIC算法及其改进算法一直占据主导地位,它不受天线阵排阵方式的影响,只需经过一维搜索就能实现對信号来向的无偏估计,并且估计的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法来解决移动通信中的测向问题也得到了广泛的研究。数字波束形成主要通过调整加权系数来达到增强有用信号和抑制干扰的作用,它需要收敛速度快、精度高的算法支持。根据所需先验知识的不同,目前的波束形成算法主要有3类:以信号来向为先验知识,如LCMV算法;以参考信号为先验知识,包括LMS算法及其改进算法NLMS、RLS等;不需要任何先验知识,如CMA算法。由于移动通信环境复杂,各种算法也有各自的优缺点,因此系统中必须对多种算法取长补短,才能达到最佳效果。
二、智能天线与若干空域处理技术的比较
为了进一步理解智能天线的概念,我们把智能天线和相关传统空域处理技术加以比较。
2.1智能天线与自适应天线的比较。智能天线（图1）与自适应天线（图2）并没有本质上的区别,只是由于应用场合不同而具有显著的差异。自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相当。而在无线通信系统中,由于多径传播效应到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,入射角呈现随机分布,功率电平也有很大的动态变化范围,此时的天线叫智能天线。对自适应天线而言,只需对入射干扰信号进行抵消以获得信干噪比(SINR, Signal to Interference plus Noise Ratio)的最大化。对智能天线而言,由于到达阵列的多径信号的入射角和功率电平均数是随机变化的,所以获得的是统计意义上的信干噪比(SINR)的最大化。
2.2智能天线与空间分集技术的比较。空间分集是无线通信系统中常用的抗多径衰落方案。M单元智能天线也可等效为由M个空间耦合器按优化合并准则构成的空间分集阵列。因此可以认为智能天线是传统分集接收的进一步发展。但是智能天线与空间分集技术却是有显著的差别的。首先空间分集利用了阵列天线中不同阵元耦合得到的空间信号的弱相关性,也即是不同路径的多径信号的弱相关性。而智能天线则是对所有阵元接收的信号进行加权合并来形成空间滤波。一个根本性的区别:智能天线阵列结构的间距小于一个波长(一般取λ/2),而空间分集阵列的间距可以为数个波长。
2.3智能天线与小区扇区化的比较。小区的扇区化可以认为是一种简化的、固定的预分配智能天线系统。智能天线则是动态地、自适应优化的扇区化技术。现在,我们来讨论一个颇有争议的问题。根据IS-95建议,当采用120°扇区时系统容量将增加3倍。由此是否可以得到结论,扇区化波束越窄系统容量提高越大。考虑到实际的电磁环境,我们认为对这一问题的回答是否定的。这是因为窄波束接收到的信号往往是由许多相关性较强的多径信号构成的。一般情况下,各径信号的时延扩展小于一个chip周期。这时信号波形易于产生畸变从而降低信号的质量达不到增加系统容量的目的。同时如果采用过窄的波束接收信号,一旦该径信号受到严重的衰落,则将直接导致通信的中断。另外,过窄的接收波束在工程上是难以实现的,并将成倍地增加设备的复杂度。
三、智能天线的优点及应用
智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益。因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：
在通信网中通信覆盖距离取决于发射功率、接收灵敏度、传输损耗、天线增益。在基站，手机发射功率和接收灵敏度不变的情况下，通过提高基站天线在通信方向的增益，增加通信覆盖距离。在建网初期，小区内用户不多，使用智能天线能扩展通信距离，扩大小区半径，减少基站的数目，也减少了无线系统安装初期的建设费用。随着用户的增加，进行小区分裂减少基站的覆盖范围后，因为智能天线的应用可以提高载干比，降低用户的发射功率，降低系统的干扰。另一方面，由于降低干扰可以更加频繁的重复使用频率，又可以提高系统的容量。无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩散，智能天线可以分离来自不同方向的多径信号，通过RAKE接收技术提取有用信号，然后将其叠加，不但减轻了多径的影响，甚至可以利用多径所固有的分集效应改善链路的质量。CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户的地面分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调整方向，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。
近年来，无线本地环路WLL (Wireless Local Loop)的蓬勃发展使人们对智能天线刮目相看，它的无线基础设施安装方便、价格低廉。WLL系统是为固定用户服务而不是为移动用 户服务的，它的目的是为居民和商业用户提供有线质量的语音和数据业务。采用CDMA 和智能天线技术的新兴的WLL系统可以提高覆盖距离，增加可靠性和增大容量。智能天线使CDMA系统更有效的利用无线频谱，为业务密集的区域及无线宽带接入提供了高度的灵活性。第三代移动通信系统的标准之一，中国的TD—SCDMA初步实现环形8阵元自适应天线。
四、智能天线面临的挑战和发展方向
智能天线系统在改善性能的同时,也增加了收发机的复杂度。因为要对每个用户进行定位,并且波束形成的计算量很大,所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。在实施SMDA时,资源管理也成为一个必须关注的问题。作为一种新的多址方式,在频谱分配和移动性管理上也提出了新的问题,将会对网络管理提出更多的需求。此外,目前智能天线的物理尺寸较大,不利于构建更小的基站。
智能天线形成下行波束较为困难,因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识,而无线信道的信道状况变化极快,使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送链路中器件的线性特性对系统的性能有显著影响。智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大,对器件、时间和功率的要求比较高,因此研究高效的优化算法对提高系统的性能至关重要。
到目前为止,还没有一个完整的智能天线系统理论,而智能天线今后的研究必须同一些相关技术联系,如与多用户检测、多用户接收和功率控制等结合在一起。目前的智能天线多用于基站系统,今后还可以研究基于移动台的智能天线。在信号处理部分,目前多采用自适应信号处理算法,尚未将人工智能方法应用于其中,同时还可尝试将智能计算的一些方法,如人工神经网络、模糊技术和进化计算等用于智能天线系统中。
四、结语
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。智能天线技术对通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的，因此注重智能天线的研究开发运用是非常必要且有现实意义的。