智能天线的优势及应用分析

刘培锋



智能天线的优势及应用分析

刘培锋

31131部队，江苏 南京 210000

智能天线也可以称为自适应天线阵列，由于其能够显著降低时延扩散、瑞利衰落、多径以及信道干扰等所造成的影响，因此能够对频谱资源进行充分的利用。对智能天线的优势进行了比较深入的分析研究，在此基础上进一步论述了智能天线在实际中的具体应用，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。

智能天线；优势；应用

引言

对于通信设备而言，天线是非常重要的组成部分，对通信质量具有决定性的影响。随着人们对通信质量要求的逐渐提高，传统的天线已无法满足人们对信号传输质量和传输速度的要求，因此需要将智能天线有效地运用于通信中，利用数字信号，产生定向波束，确保用户信号可以通过固定信道到达定向位置，进而为通信质量提供可靠的保障[1]。

1 智能天线分析

1.1 智能天线的组成

智能天线在本质上是具有侧向和波束形成能力的一种天线阵列。随着数字处理技术的不断发展，智能天线的应用范围越来越广，被广泛应用于多个领域之中。根据各部分功能的不同，智能天线可以分为三部分，即天线阵列、波束形成单元以及自适应控制单元[2]。智能天线各部分的工作原理不尽相同，每一部分的工作原理如下所示。

（1）天线阵列，该部分的主要功能是负责接收和发射信号，确保信号能够顺利传输。根据使用要求的不同，天线的阵列形式不尽相同，可以分为圆形和直线两种结构形式。

（2）波束形成单元，该部分的主要功能是对区域所有节点的单元天线进行科学合理的整合，为信号的稳定传输提供可靠保障。

（3）自适应控制单元，该部分是整个智能天线系统的核心部分，对整个天线系统的稳定运行具有十分重要的作用，其主要功能是对智能天线的网络效果进行一定的优化处理，结合用户的实际需求对无线网络建设进行有针对性的优化处理[3]。

1.2 智能天线的工作原理

智能天线是在波束成形技术的基础上发展而来的，通过将无线电信号按照设定的方向进行有效的导向，进而产生一空间定向波束，确保天线主波束的方向与用户信号的到达方向保持一致，旁瓣或零陷与干扰信号的到达方向保持一致，进而能够有效避免干扰信号的影响，确保信号的稳定传输。智能天线还能根据不同用户信号空间特征的差异性，有针对性地采取阵列技术，进而在同一个信道上实现信号的接收和发射，有效避免不同用户之间干扰的发生，进一步提高无线电频谱的利用率和信号的传输效率。智能天线的核心技术就是智能算法，其决定着整个系统的瞬时响应速率和电路的复杂程度。算法可以分为非盲算法和盲算法两种不同的类型，其中前者在计算之前，需要明确参考信号的算法；后者则无须明确导频信号，接收端对发送的信号进行一定估算，但是同时要确保估算值与发送信号的真实值之间的误差在合理的范围内[4]。

1.3 智能天线的优势

相较于传统的天线，智能天线的优势如下所示。

（1）有效控制干扰信号。在通信系统实际的运行过程中，经常会存在一定的干扰信号，其会对通信信号的稳定传输造成非常严重的不利影响，而智能天线可以结合干扰信号的实际情况，采取有效的抑制措施，将干扰信号所造成的影响控制在合理的范围内，进而有效改善通信信号的传输质量。

（2）抗衰落性强。在移动通信中的高频信号极易出现衰落的问题，进而对通信质量和通话效果造成不利影响，而智能天线能够对信号的接收方向进行科学合理的控制，并借助逐步分级技术，进而为高频信号的稳定传输提供可靠保障[5]。

（3）有效实现移动定位。智能天线能够通过两个以上的信号传输信号塔对移动通信设备进行精确的定位，还能对移动设备进行实时的跟踪定位，进而确保信号能够进行稳定的传输。

（4）扩大系统容量。智能天线系统能够结合空间方向的不同对信道进行科学合理的分割，让不同的信道能够在同一时间内共同使用相同的频率，而且还不会产生干扰信号，进而能够在一定程度上增大系统的容量。

（5）减少天线系统的建设成本。由于智能天线能够扩大覆盖范围，进而能够有效减少信号塔数量，从而降低信号塔的建设费用，提升企业的经济效益。

2 智能天线的实际应用

2.1 广播信道无功率加权发送方案

当前所采用的TD-LTE技术最多能够支持4个不同的CRS端口，可以设定为0、1、2、3端口。对于具有两个天线的信号塔而言，通常会优先映射到端口0和端口1，而要想实现全部映射就需要4个端口。在实际的信号塔中一般使用8天线，这就导致CRS所提供的端口数无法与天线进行有效的匹配，因此对于该种类型的信号塔而言，需要充分重视端口的使用情况。通过采用虚拟端口能够满足映射和信息的发送要求，对于传统的天线而言，一般采用3 dB波束宽度为90°的天线阵列，但是广播的信道为65°波束宽，进而导致天线的加权系数小于1，造成发射功率出现不同程度损失。智能天线系统通过从不同极化方向进行一定的等效叠加，就能形成接近65°的广播波束，进而满足广播信号的传输要求，同时还能避免功率损失，从而对广播信道进行有效的覆盖[6]。

2.2 智能天线系统下行链路质量估计的优化

对于8天线的信号塔而言，通过采用智能天线能够对其下行链路的整个传输过程进行科学合理的控制，进而达到优化传输质量的目的。在当前的8天线信号塔中，等效信道只能获得两根逻辑天线，导致其逻辑天线数量不足，进而影响获得智能天线增益的质量，导致其无法及时获得足够增益，从而导致公共导频端口出现一定的映射问题。通过采用智能天线能够根据用户所反馈的虚拟2天线CQI与信号塔信道的估算值，就能计算出下行优化波速的成形增益，进而在信号的反馈过程中完成相应的优化处理。通过智能天线优化处理后，还能在一定程度上提高信号塔的CQI精度，进而为准确选择CQI调制编码提供有效的依据，从而为信号塔的稳定运行提供可靠保障。

2.3 智能天线接入控制算法对上行链路的控制

在上行链路的控制过程中，控制措施是根据信号塔接收的总功率和噪声值对接入新用户后的干扰功率进行一定的估算，再通过接入控制算法对估算值进行有效的判断，进而确定用户能否进行接入操作。该算法是建立在每一切换波束之间不存在任何联系保持独立的基础之上，通过测量每一波束接收到的总功率，进而对新的接入用户对信号塔所造成的干扰进行一定的预测。当预测的总接收功率超过规定的门限值时，系统就会拒绝用户的接入申请；当小于规定的门限值时，系统就会允许用户的接入申请。当信号的强度发生区域间切换时，用户就会随之切换到新的信号塔，此时智能天线同样会对其进行相应的接入控制，系统会根据信号传输的实际情况将其切换到门限值更高的信道之中，进而避免由于信号塔切换影响信号的传输质量[7]。

2.4 在第四代移动通信系统中的应用

在移动通信环境中具有多个散射体和发射体，无线通信链路也具有较多的传播途径。这种类型的传播方式会对通信的有效性和稳定性造成不小的负面影响。通过将智能天线有效地运用于第四代移动通信系统中，借助多输入-多输出技术能够在通信链的两端同时使用多条不同的天线，发射端就能有效地将信号串行码拆分成多路并行的子码流，再通过不同的发射天线同时发出，接收端通过多条天线将信号进行有效的分离，同时对原始子码流频带资源进行充分的利用，进而同时完成信息高速准确的传输和频谱资源的高效利用。智能天线中的多输入-多输出技术能够对多径无线信道的信号发射和接收过程进行有效的优化处理，进而有效地扩大通信容量、提升频谱的利用效率。

2.5 基于时分双工的智能天线优化

时分双工是一种通信系统的双工方式，主要用于信道的分离和接收处理之中。其原理如图1所示，图中横坐标表示时间；DL表示下行即信号塔向移动台发射；UL表示上行即移动台向信号塔发射。从图1可知，信号塔和移动台之间的无线传输是在一个频率信道F上，使用不同时隙进行双向传输的。智能天线中的时分双工模式信号的接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙中进行的，用保证时间来分离接收与传送信道。时分双工模式下的通信系统的上下行信道采用相同的频率，因此上下行信道之间具有一定的互惠性，能够确保信道的稳定运行。

图1 时分双工原理图

3 结语

总而言之，随着我国通信技术的不断发展，人们对通信质量的要求越来越高，为了满足人们不断提高的通信需求，就需要将智能天线运用于通信系统之中。本文通过对智能天线的组成、工作原理以及优势等进行一定的论述，在此基础上，进一步介绍了智能天线在实际中的具体应用，不难发现智能天线具有非常明显的优势，对于确保通信过程的顺利进行具有十分重要的实际意义。因此，在实际的工作过程中，要充分结合信号传输的实际需求将智能天线技术有效地运用其中，进而为信号的可靠传输提供保障。

[1]周健. 自适应阵列天线跟踪和抗干扰算法研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.

[2]彭涛. 基于人工智能算法的自组构天线的优化设计[D]. 南京：南京邮电大学，2016.

[3]王海涛. 智能天线技术的研究[J]. 科技创新与应用，2017（9）：70.

[4]高书强，程章文. 智能天线技术的原理与应用[J]. 计算机产品与流通，2017（7）：141-142.

[5]赵东. 智能天线在移动通信中的应用[J]. 数字通信世界，2017（6）：228-229.

[6]李晓川. TD-LTE智能天线应用关键技术研究[J]. 科学技术创新，2017（25）：148-149.

[7]施亚齐. 智能天线技术在4G通信中的应用研究[J]. 中国新通信，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

TN821+.91

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刘培锋（1984—），男，江苏南通人，汉族，本科学历，毕业于解放军理工大学，现有职称为助理工程师，研究方向为通信工程。