智能天線技術
智能天線技術
隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線採用空分復用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區分開來。它可以成倍地擴展通信容量，並和其他復用技術相結合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由於複雜的地形、建築物結構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共通道干擾等，使通信質量受到嚴重影響。採用智能天線可以有效的解決這個問題。
智能天線原理圖
其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。
智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據得到的關於通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和發送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環反饋的形式時，也可能是通信對端關於發送信號接收情況的反饋信息。把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構成天線陣列。構成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，並且取向相同。智能天線系統由天線陣列部分、陣列形狀、模數轉換等幾部分組成，如圖所示。實際智能天線結構比圖複雜，因為圖中表示的是單個用戶情況，假如在一個小區中有K個用戶，則圖1中僅天線陣列和模數轉換部分可以共用，其餘自適應數字信號處理器與相應的波束形成網路需要每個用戶一套，共K套。以形成K個自適應波束跟蹤K個用戶。被跟蹤的用戶為期望用戶，剩下的K- 1 個用戶均為干擾用戶。智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益。因此，智能天線系統的應用可以帶來如下好處：提高系統容量、減小衰減、抗干擾能力較強、實現移動台定位、增強網路管理能力等。
智能天線是一個天線陣列，它由N個天線單元組成。每個天線單元有M套加權器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數M可以大於天線單元數N。根據採用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：
它採用自適應演演算法，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。它的優點是演演算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。但是它的動態響應速度相對較慢。另外，由於波束的零點對頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統中上下行的響應不同，因此它不適應於頻分雙工而比較適應時分雙工系統。自適應天線陣著眼於信號環境的分析與權集實時優化上。
軟體無線電實現智能天線系統示意圖
擾比的處理增益來分析的，它帶來的好處是避開了天線方向圖分析與綜合的數學困難，同時建立了信號環境與處理結果的直接聯繫。自適應天線陣的重要特徵是應用信號處理的理論和方法、自動控制的技術，解決天線權集優化問題。
自適應天線自出現以來，已有30多年。大體上可以分成三個發展階段：第一個10年主要集中在自適應波束控制上，第二個10年主要集中在自適應零點控制上；第三個10年主要集中在空間譜估計上，諸如最大似然譜估計、最大熵譜估計、特徵空間正交譜估計等等。在大規模集成電路技術發展的促進下，八十年代以後自適應天線逐步進入應用階段，尤其用在通信對抗。與此同時，自適應信號處理理論與技術也得到了大力發展與廣泛的應用。
固定形狀方向圖智能天線在工作時，天線方向圖形狀基本不變。它通過測向確定用戶信號的到達方向（DOA），然後根據信號的DOA選取合適的陣元加權，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對於處於非主瓣區域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與通道的要求較高。
近年來，一些研究小組針對個人移動通信環境的DOA檢測演演算法進行了相當的理論和實驗研究。Bigler等人的實驗表明，在900MHz移動通信頻段的DOA的實測值是可以滿足固定形狀波束智能天線工程需要的，實驗中DOA估計值對測量時間、信號功率、信號頻率的變化均不敏感，各種情況下測試結果的標準偏差均小於4度。
在多徑環境下，空間通道的分析和測量是目前理論和實驗研究的熱點。已有多種傳播模型和分析方法，並用它對各種不同通信體制、不同信號帶寬、不同環境（城巿、農村、商業區、樓內）進行了分析，給出了對應的模型。在美國的Boston地區，New Jersey的高速公路，德國的Munich地區等進行了大量的測試。結果表明，在農村、城郊以及許多城區，對於窄波束，其時間色散可以減少。採用通信信號中的訓練序列進行通道估計，可以給出空間通道的響應，這也是研究的熱點之一。
智能天線需根據通信系統的傳輸特性和環境，選用不同的演演算法來調整波束，甚至改變系統的資源管理狀態，為提高其運用彈性和靈活度，採用軟體無線電（SDR）實現智能天線已成為主流趨勢。軟體無線電採用開放式架構，以硬體作為其通用的基本平台，通過軟體完成功能性的重組，以滿足不同環境、多模式、多功能的通信要求，同時具備可適應性信號處理、組件可程序化的能力。在此概念下，利用軟體控制方式改變硬體特性的通信設備，均可視為軟體無線電系統。軟體無線電系統的發展方式類似於軟體開發，系統中各個硬體組件模塊可視為功能不同的對象（object），根據呼叫的不同啟動相應的執行程序，因此可直接通過下載程序代碼的方式來置換對象，即可顯現在同一硬體平台上，可適應性的調整應用架構，藉以提高系統的運用彈性和擴充能力，提供高效率、高彈性、高適應性的處理能力。因為不對硬體組態進行任何改變，所以系統具有易維護、易應用的操作環境。
鑒於未來無線通信系統的體制繁多，為使智能天線能配合系統進行平滑的技術演進，進而能更彈性地運用於多模系統中，軟體無線電將是未來智能天線研製的重要系統架構。利用軟體無線電實現智能天線系統示意如圖所示。
軟體無線電系統由不同的硬體模塊所構成，其中包括可組態通信系統模塊、基頻處理單元（含DSP及FPGA模塊）、數字寬頻收發單元（含模擬/數字轉換器（ADC）、數字/模擬轉換器（DAC））、實時操作系統及智能天線單元等。運用軟體無線電系統架構發展智能天線的最大挑戰在於各種演演算法的建立。
在WCDMA和CDMA2000 中的應用。第3 代系統被設計為一個可以提供相當高速的數據業務的系統。但是, 它們還會像第2 代系統那樣受到空中通道質量的限制。標準化組織已經認識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用, 並且在3G 標準中制訂了相關的條款。如WCDMA 和CDMA2000 都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導頻通道, 但是將要求使用智能天線系統。
對於WCDMA 和CDMA2000 系統而言, 智能天線雖然是推薦配置, 但是當今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站產品已經開始支持智能天線了。
智能天線技術
TD- SCDMA 系統的智能天線是由8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應的收發信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產生強方向性的輻射方向圖，使用DSP( 數字信號處理器) 使主瓣自適應地指向移動台方向，就可達到提高信號的載干比，降低發射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復用，使頻譜效率得以顯著地提高。
由於每個用戶在小區內的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP 控制用戶的方向測量使上述要求可以實現。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量。在TD- SCDMA系統中, 由於無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200 次，每用戶的上下行傳輸發生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。
TDD(時分雙工) 模式的TD- SCDMA 的進一步的優勢是用戶信號的發送和接收都發生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2 個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的, 使得智能天線能將小區間干擾降至最低, 從而獲得最佳的系統性能。
相關詞條
天線，TD-SCDMA，WCDMA，CDMA2000，波束