智能天线技术的起源和发展

李立

智能天线技术在20世纪60年代就开始发展，其研究对象是雷达天线阵。而真正的发展是在20世纪90年代初，以微计算机和数字信号处理技术为基础。到20世纪90年代中，美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。1997年，北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统；美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线，以上是最先商用化的智能天线系统。同时，在国内外众多大学和研究机构也开始研究多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年，电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD.SCDMARTT建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的CDMA TDD技术（低码片速率选项），就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统，在国内外获得了广泛的认可和支持川。欧洲进行了基于DEC基站的智能天线的初步研究，于1995年开始现场实验，实验系统验证了智能天线的性能。目前通常将这种过程分为以下三个阶段

第一阶段：开关波束转换。在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来波方向实時确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。

第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。

第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。

智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此问干扰。智能天线可以通过模拟电路方式实现：首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状，实现很复杂，随着阵元数目增加，更增加电路复杂度。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：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。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。

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。

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。

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。（作者单位：中国电信股份有限公司青海分公司网络运行维护事业部）