智能天線技術(shù)的起源和發(fā)展

李立

智能天線技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始發(fā)展，其研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣。而真正的發(fā)展是在20世紀(jì)90年代初，以微計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)。到20世紀(jì)90年代中，美國和中國開始考慮將智能天線技術(shù)使用于無線通信系統(tǒng)。1997年，北京信威通信技術(shù)公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)；美國Redcom公司則在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線，以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。同時(shí)，在國內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也開始研究多種智能天線的波束成形算法和實(shí)現(xiàn)方案。在1998年，電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國電信主管部門向國際電聯(lián)提交的TD.SCDMARTT建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMA TDD技術(shù)（低碼片速率選項(xiàng)），就是第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信系統(tǒng)，在國內(nèi)外獲得了廣泛的認(rèn)可和支持川。歐洲進(jìn)行了基于DEC基站的智能天線的初步研究，于1995年開始現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了智能天線的性能。目前通常將這種過程分為以下三個(gè)階段

第一階段：開關(guān)波束轉(zhuǎn)換。在天線端預(yù)先定義一些波瓣較窄的波束，根據(jù)信號(hào)的來波方向?qū)崟r(shí)確定發(fā)送和接收所使用的波束，達(dá)到將最大天線增益方向?qū)?zhǔn)有效信號(hào)，降低發(fā)送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區(qū)天線和智能天線之間，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算較為簡單，但是性能也比較有限。

第二階段：自適應(yīng)（最強(qiáng)）信號(hào)方向。根據(jù)接收信號(hào)的最強(qiáng)到達(dá)方向，自適應(yīng)地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，形成對(duì)準(zhǔn)該方向的接收和發(fā)送天線方向圖。這是動(dòng)態(tài)自適應(yīng)波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開關(guān)波束轉(zhuǎn)換，同時(shí)算法也較為復(fù)雜，但是還未達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

第三階段：自適應(yīng)最佳通信方式。根據(jù)得到的通信情況的信息，實(shí)時(shí)地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，自適應(yīng)地形成最大化有用信號(hào)、最小化干擾信號(hào)的天線特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提高系統(tǒng)無線頻譜的利用率。但是其算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)運(yùn)算量大，同時(shí)還需要進(jìn)一步探尋各種實(shí)際情況下的最佳算法。

智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時(shí)，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號(hào)發(fā)射功率，降低了信號(hào)全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式：空分多址（SDMA）方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此問干擾。智能天線可以通過模擬電路方式實(shí)現(xiàn)：首先根據(jù)天線方向圖確定饋源的激勵(lì)系數(shù)，然后確定饋源的饋電網(wǎng)絡(luò)即波束形成網(wǎng)絡(luò)。由于饋電布線呈矩陣狀，實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，隨著陣元數(shù)目增加，更增加電路復(fù)雜度。智能天線可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面：提高頻譜利用率。采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運(yùn)營商成本。迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量。

抑制干擾信號(hào)。智能天線對(duì)來自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過對(duì)各天線元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。

抗衰落。高頻無線通信的主要問題是信號(hào)的衰落，普通全向天線或定向天線都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。

實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向。通過此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競爭力的必然手段。（作者單位：中國電信股份有限公司青海分公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)事業(yè)部）