智能天线技术原理及其应用

智能天线技术原理及其应用

龙金林

关键词:智能天线技术原理应用

一、智能天线技术的原理

智能天线原名自适应天线阵列(AAA,AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信等,用来完成空间滤波和定位,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)。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrinal),旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。总之,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。

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、FDMATDMA系统(如GSM)由于频率复用引入的同信道干扰、CDMA系统中的MAI等都使链路性能、系统容量下降。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。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。

二、智能天线在移动通信中的应用

第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用，因此，在3G标准如WCDMA和CDMA2000中，支持智能天线的条款已经出现，智能天线已成为3G的重要组成部分。

目前，除了部分国家或地区开展3G业务外，我国和大多数国家的3G网络仍然处于试验网或者初期覆盖阶段，因此预计在未来五年内，GSM网络仍然是移动话务和中低数据业务的的主要承载网络。降低网络的干扰水平、提高系统的载干比，这个在GSM高速增长期，特别是在GPRS业务正式商用后显得非常重要。因此，不少GSM生产厂商和运营商都在考虑将3G标准中的智能天线用于GSM网络中，一些厂商如爱立信、麦得威、中兴等公司在话务量高的局部区域开展了相应的研究和试验，并取得了较理想的效果。根据目前GSM网络运营的经验，在保证使用合适的小区信号的前提下，要保持网络质量在客户可接受的话音质量（清晰无杂音）范围内，则必须按照载干比在18dB以上进行无线网络规划。无论是按照传统的4/12频率复用方式还是利用MRP或1*3频率复用方式，在现有频宽下均最多按照12dB的载干比进行频率规划，剩余的载干比只能依靠动态功率控制、跳频、不连续发射等获得的增益进行补偿。

三、智能天线主要用途和应用进展

智能天线可以明显改善无线通信系统的性能，提高系统的容量。具体体现在下列方面：

1.提高频谱利用率。采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。

2.迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。

3.抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统，信干比的提高还意味着系统容量的提高。

4.抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。

5.实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。

目前智能天线技术有些已被大多数运营商认可，并在少数地区开始应用。由于还存在一些问题，限制了智能天线技术应用范围。通过已开展的GSM网络中的智能天线应用可见，智能天线可以匹配原网络的覆盖情况，通过上下行的波束切换进行干扰控制。在上行方面，智能天线为试验小区提供载干比增益，从而提高了试验小区运营质量；在下行方面，智能天线减少了对试验小区的相邻小区的干扰，其实质是分配了移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小。合理利用无线资源给网络（包括试验小区）带来下行载干比增益，通过改善下行载干比增益提高频率复用的距离，从而提高了网络的运营质量也提高了网络的无线容量，为网络的进一步扩容奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]程海云.浅谈智能天线的原理及应用[J].中国高新技术企业,2008(01).

[2]吕钱浩.智能天线技术原理和GSM网络的应用进展[J].移动通信,2008(13).

[3]陈善继.智能天线在移动通信中的应用研究[J].科技信息(学术研究),2008(26).