智能天線的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分析

劉培鋒

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智能天線的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分析

劉培鋒

31131部隊(duì)，江蘇 南京 210000

智能天線也可以稱為自適應(yīng)天線陣列，由于其能夠顯著降低時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑以及信道干擾等所造成的影響，因此能夠?qū)︻l譜資源進(jìn)行充分的利用。對(duì)智能天線的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了比較深入的分析研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步論述了智能天線在實(shí)際中的具體應(yīng)用，對(duì)于從事相關(guān)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

智能天線；優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用

引言

對(duì)于通信設(shè)備而言，天線是非常重要的組成部分，對(duì)通信質(zhì)量具有決定性的影響。隨著人們對(duì)通信質(zhì)量要求的逐漸提高，傳統(tǒng)的天線已無法滿足人們對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量和傳輸速度的要求，因此需要將智能天線有效地運(yùn)用于通信中，利用數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生定向波束，確保用戶信號(hào)可以通過固定信道到達(dá)定向位置，進(jìn)而為通信質(zhì)量提供可靠的保障[1]。

1 智能天線分析

1.1 智能天線的組成

智能天線在本質(zhì)上是具有側(cè)向和波束形成能力的一種天線陣列。隨著數(shù)字處理技術(shù)的不斷發(fā)展，智能天線的應(yīng)用范圍越來越廣，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域之中。根據(jù)各部分功能的不同，智能天線可以分為三部分，即天線陣列、波束形成單元以及自適應(yīng)控制單元[2]。智能天線各部分的工作原理不盡相同，每一部分的工作原理如下所示。

（1）天線陣列，該部分的主要功能是負(fù)責(zé)接收和發(fā)射信號(hào)，確保信號(hào)能夠順利傳輸。根據(jù)使用要求的不同，天線的陣列形式不盡相同，可以分為圓形和直線兩種結(jié)構(gòu)形式。

（2）波束形成單元，該部分的主要功能是對(duì)區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的單元天線進(jìn)行科學(xué)合理的整合，為信號(hào)的穩(wěn)定傳輸提供可靠保障。

（3）自適應(yīng)控制單元，該部分是整個(gè)智能天線系統(tǒng)的核心部分，對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用，其主要功能是對(duì)智能天線的網(wǎng)絡(luò)效果進(jìn)行一定的優(yōu)化處理，結(jié)合用戶的實(shí)際需求對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化處理[3]。

1.2 智能天線的工作原理

智能天線是在波束成形技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過將無線電信號(hào)按照設(shè)定的方向進(jìn)行有效的導(dǎo)向，進(jìn)而產(chǎn)生一空間定向波束，確保天線主波束的方向與用戶信號(hào)的到達(dá)方向保持一致，旁瓣或零陷與干擾信號(hào)的到達(dá)方向保持一致，進(jìn)而能夠有效避免干擾信號(hào)的影響，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。智能天線還能根據(jù)不同用戶信號(hào)空間特征的差異性，有針對(duì)性地采取陣列技術(shù)，進(jìn)而在同一個(gè)信道上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)射，有效避免不同用戶之間干擾的發(fā)生，進(jìn)一步提高無線電頻譜的利用率和信號(hào)的傳輸效率。智能天線的核心技術(shù)就是智能算法，其決定著整個(gè)系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)速率和電路的復(fù)雜程度。算法可以分為非盲算法和盲算法兩種不同的類型，其中前者在計(jì)算之前，需要明確參考信號(hào)的算法；后者則無須明確導(dǎo)頻信號(hào)，接收端對(duì)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行一定估算，但是同時(shí)要確保估算值與發(fā)送信號(hào)的真實(shí)值之間的誤差在合理的范圍內(nèi)[4]。

1.3 智能天線的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的天線，智能天線的優(yōu)勢(shì)如下所示。

（1）有效控制干擾信號(hào)。在通信系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)存在一定的干擾信號(hào)，其會(huì)對(duì)通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸造成非常嚴(yán)重的不利影響，而智能天線可以結(jié)合干擾信號(hào)的實(shí)際情況，采取有效的抑制措施，將干擾信號(hào)所造成的影響控制在合理的范圍內(nèi)，進(jìn)而有效改善通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

（2）抗衰落性強(qiáng)。在移動(dòng)通信中的高頻信號(hào)極易出現(xiàn)衰落的問題，進(jìn)而對(duì)通信質(zhì)量和通話效果造成不利影響，而智能天線能夠?qū)π盘?hào)的接收方向進(jìn)行科學(xué)合理的控制，并借助逐步分級(jí)技術(shù)，進(jìn)而為高頻信號(hào)的穩(wěn)定傳輸提供可靠保障[5]。

（3）有效實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位。智能天線能夠通過兩個(gè)以上的信號(hào)傳輸信號(hào)塔對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行精確的定位，還能對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤定位，進(jìn)而確保信號(hào)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸。

（4）擴(kuò)大系統(tǒng)容量。智能天線系統(tǒng)能夠結(jié)合空間方向的不同對(duì)信道進(jìn)行科學(xué)合理的分割，讓不同的信道能夠在同一時(shí)間內(nèi)共同使用相同的頻率，而且還不會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，進(jìn)而能夠在一定程度上增大系統(tǒng)的容量。

（5）減少天線系統(tǒng)的建設(shè)成本。由于智能天線能夠擴(kuò)大覆蓋范圍，進(jìn)而能夠有效減少信號(hào)塔數(shù)量，從而降低信號(hào)塔的建設(shè)費(fèi)用，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 智能天線的實(shí)際應(yīng)用

2.1 廣播信道無功率加權(quán)發(fā)送方案

當(dāng)前所采用的TD-LTE技術(shù)最多能夠支持4個(gè)不同的CRS端口，可以設(shè)定為0、1、2、3端口。對(duì)于具有兩個(gè)天線的信號(hào)塔而言，通常會(huì)優(yōu)先映射到端口0和端口1，而要想實(shí)現(xiàn)全部映射就需要4個(gè)端口。在實(shí)際的信號(hào)塔中一般使用8天線，這就導(dǎo)致CRS所提供的端口數(shù)無法與天線進(jìn)行有效的匹配，因此對(duì)于該種類型的信號(hào)塔而言，需要充分重視端口的使用情況。通過采用虛擬端口能夠滿足映射和信息的發(fā)送要求，對(duì)于傳統(tǒng)的天線而言，一般采用3?dB波束寬度為90°的天線陣列，但是廣播的信道為65°波束寬，進(jìn)而導(dǎo)致天線的加權(quán)系數(shù)小于1，造成發(fā)射功率出現(xiàn)不同程度損失。智能天線系統(tǒng)通過從不同極化方向進(jìn)行一定的等效疊加，就能形成接近65°的廣播波束，進(jìn)而滿足廣播信號(hào)的傳輸要求，同時(shí)還能避免功率損失，從而對(duì)廣播信道進(jìn)行有效的覆蓋[6]。

2.2 智能天線系統(tǒng)下行鏈路質(zhì)量估計(jì)的優(yōu)化

對(duì)于8天線的信號(hào)塔而言，通過采用智能天線能夠?qū)ζ湎滦墟溌返恼麄€(gè)傳輸過程進(jìn)行科學(xué)合理的控制，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化傳輸質(zhì)量的目的。在當(dāng)前的8天線信號(hào)塔中，等效信道只能獲得兩根邏輯天線，導(dǎo)致其邏輯天線數(shù)量不足，進(jìn)而影響獲得智能天線增益的質(zhì)量，導(dǎo)致其無法及時(shí)獲得足夠增益，從而導(dǎo)致公共導(dǎo)頻端口出現(xiàn)一定的映射問題。通過采用智能天線能夠根據(jù)用戶所反饋的虛擬2天線CQI與信號(hào)塔信道的估算值，就能計(jì)算出下行優(yōu)化波速的成形增益，進(jìn)而在信號(hào)的反饋過程中完成相應(yīng)的優(yōu)化處理。通過智能天線優(yōu)化處理后，還能在一定程度上提高信號(hào)塔的CQI精度，進(jìn)而為準(zhǔn)確選擇CQI調(diào)制編碼提供有效的依據(jù)，從而為信號(hào)塔的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

2.3 智能天線接入控制算法對(duì)上行鏈路的控制

在上行鏈路的控制過程中，控制措施是根據(jù)信號(hào)塔接收的總功率和噪聲值對(duì)接入新用戶后的干擾功率進(jìn)行一定的估算，再通過接入控制算法對(duì)估算值進(jìn)行有效的判斷，進(jìn)而確定用戶能否進(jìn)行接入操作。該算法是建立在每一切換波束之間不存在任何聯(lián)系保持獨(dú)立的基礎(chǔ)之上，通過測(cè)量每一波束接收到的總功率，進(jìn)而對(duì)新的接入用戶對(duì)信號(hào)塔所造成的干擾進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)。當(dāng)預(yù)測(cè)的總接收功率超過規(guī)定的門限值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)拒絕用戶的接入申請(qǐng)；當(dāng)小于規(guī)定的門限值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)允許用戶的接入申請(qǐng)。當(dāng)信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生區(qū)域間切換時(shí)，用戶就會(huì)隨之切換到新的信號(hào)塔，此時(shí)智能天線同樣會(huì)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的接入控制，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際情況將其切換到門限值更高的信道之中，進(jìn)而避免由于信號(hào)塔切換影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量[7]。

2.4 在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

在移動(dòng)通信環(huán)境中具有多個(gè)散射體和發(fā)射體，無線通信鏈路也具有較多的傳播途徑。這種類型的傳播方式會(huì)對(duì)通信的有效性和穩(wěn)定性造成不小的負(fù)面影響。通過將智能天線有效地運(yùn)用于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，借助多輸入-多輸出技術(shù)能夠在通信鏈的兩端同時(shí)使用多條不同的天線，發(fā)射端就能有效地將信號(hào)串行碼拆分成多路并行的子碼流，再通過不同的發(fā)射天線同時(shí)發(fā)出，接收端通過多條天線將信號(hào)進(jìn)行有效的分離，同時(shí)對(duì)原始子碼流頻帶資源進(jìn)行充分的利用，進(jìn)而同時(shí)完成信息高速準(zhǔn)確的傳輸和頻譜資源的高效利用。智能天線中的多輸入-多輸出技術(shù)能夠?qū)Χ鄰綗o線信道的信號(hào)發(fā)射和接收過程進(jìn)行有效的優(yōu)化處理，進(jìn)而有效地?cái)U(kuò)大通信容量、提升頻譜的利用效率。

2.5 基于時(shí)分雙工的智能天線優(yōu)化

時(shí)分雙工是一種通信系統(tǒng)的雙工方式，主要用于信道的分離和接收處理之中。其原理如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間；DL表示下行即信號(hào)塔向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射；UL表示上行即移動(dòng)臺(tái)向信號(hào)塔發(fā)射。從圖1可知，信號(hào)塔和移動(dòng)臺(tái)之間的無線傳輸是在一個(gè)頻率信道F上，使用不同時(shí)隙進(jìn)行雙向傳輸?shù)摹Ｖ悄芴炀€中的時(shí)分雙工模式信號(hào)的接收和傳送是在同一頻率信道即載波的不同時(shí)隙中進(jìn)行的，用保證時(shí)間來分離接收與傳送信道。時(shí)分雙工模式下的通信系統(tǒng)的上下行信道采用相同的頻率，因此上下行信道之間具有一定的互惠性，能夠確保信道的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 時(shí)分雙工原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著我國(guó)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)通信質(zhì)量的要求越來越高，為了滿足人們不斷提高的通信需求，就需要將智能天線運(yùn)用于通信系統(tǒng)之中。本文通過對(duì)智能天線的組成、工作原理以及優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行一定的論述，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了智能天線在實(shí)際中的具體應(yīng)用，不難發(fā)現(xiàn)智能天線具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于確保通信過程的順利進(jìn)行具有十分重要的實(shí)際意義。因此，在實(shí)際的工作過程中，要充分結(jié)合信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際需求將智能天線技術(shù)有效地運(yùn)用其中，進(jìn)而為信號(hào)的可靠傳輸提供保障。

[1]周健. 自適應(yīng)陣列天線跟蹤和抗干擾算法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[2]彭濤. 基于人工智能算法的自組構(gòu)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京郵電大學(xué)，2016.

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[6]李曉川. TD-LTE智能天線應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（25）：148-149.

[7]施亞齊. 智能天線技術(shù)在4G通信中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)新通信，2017（23）：37.

The Advantages and Application Analysis of Smart Antenna

Liu Peifeng

31131 Force, Jiangsu Nanjing 210000

Smart antenna can also be called adaptive antenna arrays. Because they can significantly reduce the effects of delay spread, Rayleigh fading, multipath and channel interference, they can fully utilize spectrum resources. The advantages of smart antenna are analyzed in depth. On the basis of this, the specific application of smart antenna in practice is further discussed, which has certain reference significance for technicians engaged in related work.

smart antenna; advantage; application

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劉培鋒（1984—），男，江蘇南通人，漢族，本科學(xué)歷，畢業(yè)于解放軍理工大學(xué)，現(xiàn)有職稱為助理工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>