無線技術

智能天線原名自適應天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應用於雷達、聲納、軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，大家熟悉的相控陣雷達就是一種較簡單的自適應無線陣。

移動通信研究者給應用於移動通信的自適應無線陣起了一個較吸引人的名字：智能無線，英文名為smart antenna或Intelligent antenna。

顧名思義，自適應天線陣由多個天線單元組成，每一個天線後接一個加權器（即乘以某一個係數，這個係數通常是複數，既調節幅度又調節相位，而在相控陣雷達中只有相位可調），最後用相加器進行合併。這種結構的智能天線只能完成空域處理，同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對複雜些，每個天線後接的是一個延時抽頭加權網（結構上與時城FIR均衡器相同）。自適應或智能的主要含義是指這些加權係數可以恰當改變自適應調整。上面介紹的其實是智能天線用作接收天線時的結構，當用它進行發射時結構稍有變化，加權器或加權網路置於天線之前，也沒有相加合併器。

假設滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天線所走路線的長度差決定。若入射信號為平面波（只有一個入射方向），則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分佈唯一確定。給定一組加權值、一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由於在天線問的相位差不同，合併器后的輸出信號強度也會不同。

以入射角為橫坐標對應的智能無線輸出增益（dB）為縱坐標所作的圖被稱為方向圖，智能天線的方向圖不同於全向（omni-）天線（理想時為一直線），而更接近方向（directional）無線的方向圖，即有主瓣（main lobe）、副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主、副瓣大小、位置關係，和較大的天線增益（無線術語，天線的一項重要指標，是最強大向的增益與各方向平均增益之比），另外和固定天線的最大區別是：不同的權值通常對應不同的方向圖，我們可以通過改變權值來選擇合適的方向圖。即天線模式（antenna Pattern）。

下面來解釋一下何謂合適的方向圖。為了最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號，最直觀的是我們可以將主辯對準有用信號的入射方向，而將方向圖中的最低增益點（被稱之為零陷）對準干擾信號方向。當然這只是理想情況，實際的無線通信環境是很複雜的，干擾信號很多，存在多徑傳輸、而天線陣元數不會很多精限的自由度）、有用信號與干擾信號在入射方向上差異可能不大等都使前面的方案並不可行，但追求最大信噪比SINR依然是最終目標。智能無線的實際工作原理要比上面介紹的複雜，特別是當進行空、時聯合處理時，這時最好是從信號處理、特別是自適應濾波角度解釋，由於這需要較強的理論性、專業性背景知識，這裡不作介紹。

移動通信通道傳輸環境較惡劣，多徑衰落、時延擴展造成的符號間串擾ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMATDMA系統（如GSM）由於頻率復用引入的同通道干擾（CCI，Co-ChannelInterference）、CDMA系統中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鍵路性能、系統容量下降，我們熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收，通道編解碼技術等都是為了對抗或者減小它們的影響。這些技術實際利用的都是時、頻域信息。而實際上有用信號的時延樣本（delay version）和干擾信號在時、頻域存在差異的同時，在空域（入射角DOA，Direction ofArrival）也存在差異，分集天線（antenna dlversty），特別是扇形天線（sector antenna）可看作是對這部分資源的初步利用，而要更充分地利用它只有採用智能天線技術。

智能天線是一種伸縮性較好的技術。在移動通信發展的早期，運營商為節約投資，總是希望用儘可能少的基站覆蓋儘可能大的區域，這就意味著用戶的信號在到達BTS（基站收發信設備）前可能經歷了較長的傳播路徑，有較大的路徑損耗（path loss），為使接收到的有用信號不至於低於門限，要麼增加移動台的發射功率、要麼增加基站天線的接收增益，由於移動台（特別是手機〕的發射功率通常是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對而言用智能無線實現較大增益比用單天線容易。

在移動通信發展中為擴大系統容量、支持更多用戶，需要收縮小區範圍、降低頻率復用係數提高頻率利用率，通常採用的方法是小區分裂和扇區化，隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實是藉助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。但利用智能天線，藉助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合併權值，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對準有用信號，低增益副瓣對準主要的干擾信號，從而可更有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子（比如在GSM中使復用因子3成為可能）和同時支持更多用戶（CDMA中）。從某種角度我們可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的扇形天線。

智能天線的又一個好處是可減小多徑效應，CDMA中利用RAKE接收機可對時延差大於一個碼片的多徑進行分離和相干合併，而藉助智能天線可以對時延不可分但角度可分的多徑進行進一步分離，從而更有效減小多徑效應。

採用智能天線技術的主要目的是為了更有效地改進移動通信通道，而時分，碼分多址系統的通道傳輸環境從本質上講是一樣的，所以除了具體演演算法上的差異外，智能天線可廣泛應用於各種時分、碼分多址系統包括已商用的第二代系統。

智能天線另一個可能的用途是進行緊急呼叫定位，並提供更高的定位精度，因為在獲得可用於定位的時延、強度等信息的同時它還可獲得波達角信息。

智能天線的研究內容可以按它在移動通信中所扮演的角色來劃分，移動台（特別是手機）在體積、電源上的限制使智能天線在移動台難於實現（一個例外是WLL無線本地環系統），所以目前主要研究的是在基站端的智能無錢收與發，即上行收與下行發。

要實現智能天線的下行發相對較困難，這是因為智能天線在設計發波束（transmitting beamforming）時很難準確獲知下行通道的特徵信息（特別是主要傳播路徑的出射角度），而理想的天線工作模式應是與通道相匹配的。一種方法是象IS-95上行功控一樣，做成閉環測試結構，但它有以下缺點：浪費寶貴的系統資源、附加時延、受上行通道干擾等。還有一種方法是利用上行通道信息來估計下行通道，在TDD（時分雙工）系統中這顯然行得通，這也是中國提交的TD-SCDMA第三代建議（TDD方式）得到較多注意的主要原因。但在FDD（頻分雙工）系統中情況卻並非如此由於上、下行通道使用的是不同頻率（第三代系統相對第二代有更大的上、下行頻差），上、下行通道的相關性是很弱的，很多參數並不相同，目前較多研究者相信的是上、下行通道主要傳播路徑的入射、出射角基本相同，所以我們只可能獲得下行通道的部分信息，所形成的發波束也絕不會是最優的。

下行通道包括控制通道和業務通道控制通道，由於是大家共用的，應該形成定波束，而對應各個用戶的業務通道則應用窄波束傳送，也就是說它們有不同的加機係數，這樣控制通道（如導頻通道）和業務通道實際經歷了不同的傳輸環境，會有不同的衰落，而移動台在做下行接收肘通常利用導頻通道來估計通道的幅度和相位畸變，以對業務通道進行相干接收，但這建立在兩個通道有相同傳輸環境基礎上，顯然前者並不滿足這一條件，而非相干接收相對相干接收有較大的信喚比損失。一些建議（比如CDMA2000）已考慮這一點，下行通道還有輔助尋頻通道（auxiliary Pilot channel），可將它也以窄波束髮送，但由於數目有限，更為可行的是將它分配給一群用戶（此時形成的波束也應該對準這群用戶，這可能發生在熱點地區和基於激活用戶數較多時進行的智能扇區化中）或某一要求鏈路質量較高的用戶（如向他傳送高速數據時）。

用智能無線實現下行發麵臨的另一難題是由於加權是在天線前端進行的（實際中多在基帶或中頻實現，因更容易更靈活），后級的濾波器、D/A數模轉換器、混頻器、天線陣元（各路的）特性變化必然使形成的發波束髮生變化，而它又不可能或很不容易用常用的反饋方法來調整加權係數以抵消這種變化，一種可行但並不是很好的方法是周期性地對后級特性進行測試和調整。

由於目前智能天線技術並不很成熟。第三代移動通信的各種后選方案除了中國的TD-SCDMA，都只將智能天線作為可選技術，沒有寫入具體建議中，第二代系統也普遍未採用智能天線技術，智能天線作上行收時由於對移動台的發並未提出新的要求。很容易將其作為全向天線、扇型天線的升級版本用於已有基站系統，但當智能天線用於下行發時。通常會對移動台的收也提出新要求。牽涉面大，靈活性較小。

目前的移動通信系統（主要是窄帶CDMA系統）存在下行容量超過上行的現象，即使考慮軟切換的損失情況依然如此，從表面看提高上行容量是當務之急，但在第三代系統中高速數據、多媒體業務更可能出現在下行通道中，考慮到這種非對稱需求，以後的瓶頸可能是下行，所以雖然存在上述的種種困難，研究智能天線的下行發依然是很必要和很迫切的。

TDD方式下的下行發和上行收處理差別不大，這裡不單獨論述。

智能天線的上行收技術相對成熟些，自適應天線陣最早引入移動通信的目的也是為了改善上行通道的質量和容量。智能天線上行收主要有兩種方式：全自適應方式和基於預多波束的波束切換方式，理論工作者對前者較感興趣，工程技術人員則更青睬於後者。在自適應方式中，對應空域或空、時域處理的各權值可依據一定的自適應演演算法進行任意調整，以對當前的傳輸環境進行最大可能匹配，相應的智能天線接收波束可以是任意指向的。而在切換波束中各權值只能從預先計算好的幾組值中挑選，某一時刻的智能天線工作模式只能從預先設計好的幾個波束中選擇，不是任意指向的，因而只可能對當前傳輸環境進行部分匹配，從理論角度講不是最優的。

全自適應智能無線研究的核心是自適應演演算法，目前已提出很多著名演演算法，概括地講有非盲演演算法和盲演演算法兩大類。非盲演演算法是指需藉助參考信號（導頻序列或導頻通道）的演演算法，此時收端知道發送的是什麼，進行演演算法處理時要麼先確定通道響應再按一定準則（比如最優的迫零準則zero forcing）確定各加權值，要麼直接按一定的準則確定或逐漸調整勸值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均分）和LS（最小二乘）等。盲演演算法則無需發端傳送已知的導頻信號。判決反饋演演算法（Decision Feedback）是一類較特殊的盲演演算法，收端自己估計發送的信號並以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號問有較小差錯。盲演演算法一般利用調製信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特徵如恆模CM、子空間Subspace、有限符號集Finite AlPhabet、循環平穩Cycle-stationary等，並調整權值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基於梯度的使用不同約束量的演演算法。非育演演算法相對盲演演算法而言，通常誤差較小收斂速度也較快，但需浪費一定的系統資源，將二者結合的有一種半官演演算法，即先用非官演演算法確定初始權值，再用盲演演算法進行跟蹤和調整，這樣做一方面可綜合二者的優點，一方面也是與實際的通信系統相一致的，因為通常導頻待不會時時發送而是與對應的業務通道時分復用的。

全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種演演算法均存在所需數據量、計算量大，通道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際通道條件下當干擾較多、多徑嚴重、特別是通道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。正是在這一背景下，基於預多波束的切換波束工作方式被提出。此時全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個（也有可能是幾個，但需合併后再輸出）作為工作模式與自適應方式相比它顯然更容易實現，實際上我們可將其看作是介於扇形天線與全自適應天線問的一種技術。波束切換天線中值得研究的有以下內容：如何劃分空域，即確定波束的問題，包括數目和形狀；挑選波束的準則；波束跟蹤的實現，主要指的是實現快速搜索演演算法等；以及切換波束與自適應波束成型的理論關係。

作為智能天線研究的基礎，建立更合理的通道傳播模型，研究天線各陣元的較優位置分佈等都是很有意義的。更多內容請看無線網狀網介紹、Wimax技術與趨勢、家庭無線區域網專題，或進入討論組討論。