智能天线

拼音：zhì néng tiān xiàn

   　智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。

智能天线 - 简介

智能天线(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。在移动通信系统中,天线担负着发射和接收空间电磁坡的重要作用。天线性能的好坏直接影响着移动通信系统的性能。

智能天线系统(smart antenna system)具有提高移动通信系统容量、质量和减少干扰的功能。现在移动通信系统正处于大力开展移动数据通信业务,逐步向第三代移动通信过渡的阶段,更需要解决提高载波与干扰之比(称载干比,C/1)的问题,达到能提供更高数据传送速率和增大系统容量两大目标。应用智能天线系统将对上述两大目标的实现起重要的作用。

智能天线是应用先进的技术,把无线电的信号导向某个特定的方向,使无线电频谱的利用率更高,信号的传输更为效。所谓的先进的技术主要是指波束转换技术和自适应空间数字处理技术。智能天线有波束转换智能天线和自适应智能天线两类。

智能天线 - 历程

90年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点-智能天线，智能天线应用广泛，它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。

最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，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，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外，随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现，智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域，属于空分多址(SDMA)体制。

智能天线 - 原理

智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

智能天线 - 分类

多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。

1、波束转换智能天线

智能天线是在分区传输途径的概念上发展起来的。这种天线把现用的全向性天线或1200方向性的天线改变成为多个分区的窄波束(通常是15°～30°)天线。因为现在移动通信系统基站天线系统的覆盖面积较大,天线的功率大部分损耗在电波的无效传播中。窄波束天线缩小了覆盖的面积,因而相对地提高了信号的强度。例如,30°窄波束的覆盖面积只有1200天线覆盖面积的四分之一，因此它接收同频道区内干扰的窗口也缩小到四分之一。从原理上来说,窄波束天线接收到的干扰也减少到四分之-,相当于把载波干扰比提高了6分贝。

窄波束天线系统需要用数字信号处理(DSP)技术持续不断地对本区内每一个移动手机进行最佳波束的选择,保证能在任一个时隙(按全球通移动通信系统的标准,“时隙”的长度为0.57毫秒)内实现波束转换。这种技术叫做“波束转换技术(swithched beam technology)”,而这种智能天线也叫做“波束转换智能天线”。

2、自适应智能天线

它应用了自适应空间数字处理技术测量不同波束的信号强度,能动态地改变每个扇区的波束宽度和方向角，以适应话务负荷分布状况的改变。自适应智能天线系统具有比波束转换智能天线更为先进的系统性能，但由于存在技术复杂、成本费用高等方面问题，实际应用尚少。

智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用(SDMA)功能，来提高系统的容量和频谱利用率。这样，TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。

智能天线 - 抗干扰

智能天线去干扰MartinCooper自适应天线阵列通过虚拟线路连接移动用户，极大地改善了无线通讯。看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、蜂窝电话网和警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响收发信息。过度的无线能量也是一种污染，因为它将破坏有用的通信。随着电子通信的日益频繁，无线电干扰也日渐嘈杂，环境中射频干扰信号强度的增加，必须加大无线信号的强度，才能在背景电磁噪声中将有用信号区分开来。

解决这个问题的一种方案是采用新型的射频天线，这种天线能够极大地减少人为干扰。以蜂窝电话通讯为例，采用这种全新的天线后，无须采用对用户的通话进行全向广播发送这种浪费的方式，而代之以跟踪移动用户的位置并将无线信号直接发送给他。这种天线系统在使其他用户受到的干扰最小化的同时，也使得目标用户的接受信号强度达到最大。实际上，这等同于给每个移动用户建立了一条虚拟的有线连接。

智能天线 - 核心

在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。TD-SCDMA使用的智能天线当N=8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB(对接收)和18dB(对发射)。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。