智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。

智能天線 - 簡介

智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初應用于雷達、聲納及軍用通信領域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，使得利用數(shù)字技術在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術開始在無線通信中廣泛應用。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術。在移動通信系統(tǒng)中,天線擔負著發(fā)射和接收空間電磁坡的重要作用。天線性能的好壞直接影響著移動通信系統(tǒng)的性能。

智能天線系統(tǒng)(smart antenna system)具有提高移動通信系統(tǒng)容量、質(zhì)量和減少干擾的功能。現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)正處于大力開展移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務,逐步向第三代移動通信過渡的階段,更需要解決提高載波與干擾之比(稱載干比,C/1)的問題,達到能提供更高數(shù)據(jù)傳送速率和增大系統(tǒng)容量兩大目標。應用智能天線系統(tǒng)將對上述兩大目標的實現(xiàn)起重要的作用。

智能天線是應用先進的技術,把無線電的信號導向某個特定的方向,使無線電頻譜的利用率更高,信號的傳輸更為效。所謂的先進的技術主要是指波束轉(zhuǎn)換技術和自適應空間數(shù)字處理技術。智能天線有波束轉(zhuǎn)換智能天線和自適應智能天線兩類。

智能天線 - 歷程

90年代以來，陣列處理技術引入移動通信領域，很快形成了一個新的研究熱點-智能天線，智能天線應用廣泛，它在提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨特的優(yōu)點。

最初的智能天線技術主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。智能天線技術因此用于具有復雜電波傳播環(huán)境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數(shù)迅速增長和人們對通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域(TDMA)、頻率域(FDMA)或碼域(CDMA)而拓展到了空間域，屬于空分多址(SDMA)體制。

智能天線 - 原理

智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA(DirectionofArrinal)，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。

智能天線 - 分類

多波束天線與自適應天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當用戶在小區(qū)中移動時，基站在不同的相應波束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。

1、波束轉(zhuǎn)換智能天線

智能天線是在分區(qū)傳輸途徑的概念上發(fā)展起來的。這種天線把現(xiàn)用的全向性天線或1200方向性的天線改變成為多個分區(qū)的窄波束(通常是15°～30°)天線。因為現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)基站天線系統(tǒng)的覆蓋面積較大,天線的功率大部分損耗在電波的無效傳播中。窄波束天線縮小了覆蓋的面積,因而相對地提高了信號的強度。例如,30°窄波束的覆蓋面積只有1200天線覆蓋面積的四分之一，因此它接收同頻道區(qū)內(nèi)干擾的窗口也縮小到四分之一。從原理上來說,窄波束天線接收到的干擾也減少到四分之-,相當于把載波干擾比提高了6分貝。

窄波束天線系統(tǒng)需要用數(shù)字信號處理(DSP)技術持續(xù)不斷地對本區(qū)內(nèi)每一個移動手機進行最佳波束的選擇,保證能在任一個時隙(按全球通移動通信系統(tǒng)的標準,“時隙”的長度為0.57毫秒)內(nèi)實現(xiàn)波束轉(zhuǎn)換。這種技術叫做“波束轉(zhuǎn)換技術(swithched beam technology)”,而這種智能天線也叫做“波束轉(zhuǎn)換智能天線”。

2、自適應智能天線

它應用了自適應空間數(shù)字處理技術測量不同波束的信號強度,能動態(tài)地改變每個扇區(qū)的波束寬度和方向角，以適應話務負荷分布狀況的改變。自適應智能天線系統(tǒng)具有比波束轉(zhuǎn)換智能天線更為先進的系統(tǒng)性能，但由于存在技術復雜、成本費用高等方面問題，實際應用尚少。

智能天線技術已經(jīng)成為移動通信中最具有吸引力的技術之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其它用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑效應。CDMA系統(tǒng)是個功率受限系統(tǒng)，智能天線的應用達到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

智能天線在本質(zhì)上是利用多個天線單元空間的正交性，即空分多址復用(SDMA)功能，來提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。這樣，TD-SCDMA系統(tǒng)充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA這四種多址方式的技術優(yōu)勢，使系統(tǒng)性能最佳化。

智能天線 - 抗干擾

智能天線去干擾MartinCooper自適應天線陣列通過虛擬線路連接移動用戶，極大地改善了無線通訊?？床灰姷碾姶拍苡胁煌脑搭^：廣播塔、蜂窩電話網(wǎng)和警察的無線通訊等等。這些輻射也許對人體無害，但它們會嚴重影響收發(fā)信息。過度的無線能量也是一種污染，因為它將破壞有用的通信。隨著電子通信的日益頻繁，無線電干擾也日漸嘈雜，環(huán)境中射頻干擾信號強度的增加，必須加大無線信號的強度，才能在背景電磁噪聲中將有用信號區(qū)分開來。

解決這個問題的一種方案是采用新型的射頻天線，這種天線能夠極大地減少人為干擾。以蜂窩電話通訊為例，采用這種全新的天線后，無須采用對用戶的通話進行全向廣播發(fā)送這種浪費的方式，而代之以跟蹤移動用戶的位置并將無線信號直接發(fā)送給他。這種天線系統(tǒng)在使其他用戶受到的干擾最小化的同時，也使得目標用戶的接受信號強度達到最大。實際上，這等同于給每個移動用戶建立了一條虛擬的有線連接。

智能天線 - 核心

在于數(shù)字信號處理部分，它根據(jù)一定的準則，使天線陣產(chǎn)生定向波束指向用戶，并自動地調(diào)整系數(shù)以實現(xiàn)所需的空間濾波。智能天線須要解決的兩個關鍵問題是辨識信號的方向和數(shù)字賦形的實現(xiàn)。

TD-SCDMA的智能天線使用一個環(huán)形天線陣，由8個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為R的圓上所組成。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時產(chǎn)生多個波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內(nèi)任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設置零點，該零點處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。TD-SCDMA使用的智能天線當N=8時，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB(對接收)和18dB(對發(fā)射)。每個振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線的發(fā)射增益要比接收增益大得多，對于傳輸非對稱的IP等數(shù)據(jù)、下載較大業(yè)務信息是非常適合的。