智能天線的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用解析

由于第三代移動通信系統(tǒng)（3G）還存在一些不足，包括很難達(dá)到較高的通信速率，提供服務(wù)速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務(wù)類型要求，以及分配給3G系統(tǒng)的頻率資源已經(jīng)趨于飽和等，于是人們提出了第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的構(gòu)想。4G的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）調(diào)制和信號傳輸技術(shù)（OFDM">OFDM）；
（2）先進(jìn)的信道編碼方式（Turbo碼和LDPC）；
（3）多址接入方案（MC- CDMA和FH-OFCDMA）；
（4）軟件無線電技術(shù)；
（5）MIMO和智能天線技術(shù)；
（6）基于公共IP 網(wǎng)的開放結(jié)構(gòu)。

研究表明，在基于CDMA技術(shù)的3G中使用多天線技術(shù)能夠有效降低多址干擾，空時處理能夠極大增加CDMA系統(tǒng)容量。憑在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線成為4G發(fā)展中炙手可熱的課題。

智能天線技術(shù)

智能天線最初用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。

1.基本原理和結(jié)構(gòu)

智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switchedbeamtechnology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），判斷有用信號到達(dá)方向（DOA）通過選擇適當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，在此方向上形成天線主波束，同時將低增益旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號方向。在發(fā)射時，能使期望用戶的接收信號功率最大化，同時使窄波束照射范圍外的非期望用戶受到的干擾最小，甚至為零。

智能天線引入空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號空間傳播路徑的不同而區(qū)分。實(shí)際應(yīng)用中，天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。智能天線系統(tǒng)由天線陣；波束成形成網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)算法控制三部分組成（見圖1）。

圖 1典型的智能天線系統(tǒng)

2.智能天線的分類

智能天線主要分為波束轉(zhuǎn)換智能天線（switchedbeamantenna）和自適應(yīng)陣列智能天線（adaptivearrayantenna）。

（1）波束轉(zhuǎn)換智能天線波束轉(zhuǎn)換智能天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，它利用多個并行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元的數(shù)目而確定（見圖2）。波束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較經(jīng)濟(jì)，與自適應(yīng)天線相比結(jié)構(gòu)簡單，無需迭代，響應(yīng)快、魯棒性好。但預(yù)先設(shè)計(jì)好的工作模式有限，窄波束的特性將極大地影響系統(tǒng)性能。

圖 2波束轉(zhuǎn)換智能天線

（2）自適應(yīng)陣列智能天線

自適應(yīng)陣列智能天線實(shí)時地對用戶到達(dá)方向（DOA）進(jìn)行估計(jì)，在此方向上形成主波束，同時使旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾方向。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，可能放大噪聲或干擾）。圖3對自適應(yīng)陣列智能天線與波束轉(zhuǎn)換智能天線進(jìn)行了比較。

圖 3自適應(yīng)陣列智能天線（a）與束轉(zhuǎn)換智能天線（b）的比較

3.智能天線的自適應(yīng)波束成形技術(shù)

智能天線技術(shù)研究的核心是自適應(yīng)算法，可分為盲算法、半盲算法和非盲算法。

非盲算法需借助參考信號，對接收到的預(yù)先知道的參考信號進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準(zhǔn)則（如迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值（即算法模型的抽頭系數(shù)）。常用的準(zhǔn)則有最小均方誤差MMSE(Minimummeansquareerror)、最小均方 LMS(Leastmeansquare)和遞歸最小二乘等；而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法，最常見的是最陡梯度下降法。

盲算法無須參考信號或?qū)ьl信號，它充分利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò)、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等）來調(diào)整權(quán)值，以使輸出誤差盡量小。常見的算法有常數(shù)模算法CMA(Constantmodulearithmetic)、子空間算法、判決反饋算法等。

非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但發(fā)送參考信號浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)帶寬。為此，又發(fā)展了半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。