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智能天線的工作原理是什么？

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隨著移動用戶數(shù)量的快速增加，特別是在中國人口密度大的城市，移動業(yè)務(wù)運營公司和頻率資源管理部門將面臨頻率資源短缺的巨大挑戰(zhàn)，頻率資源已成為制約持續(xù)發(fā)展的瓶頸，隨著用戶數(shù)量的增加，問題將變得越來越嚴(yán)重。面對挑戰(zhàn)，人們提出了不同的解決方案，有兩種方法得到了廣泛的認(rèn)可：一種是移動運營公司調(diào)整基本網(wǎng)絡(luò)的組成，增加基站和社區(qū)的數(shù)量。該方法需要相對巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資，干擾問題更加突出；二是擴(kuò)大頻譜帶寬，需要更高的頻率資源成本，頻率資源有限，頻譜帶寬不能無限擴(kuò)展。基于這一現(xiàn)實，智能無線技術(shù)應(yīng)運而生。智能無線技術(shù)最大的優(yōu)點是可以大大提高現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的容量，所需的經(jīng)濟(jì)成本相對合理。

基本原理：智能天線采用空分多址技術(shù)(SCDMA),利用信號在傳輸方向上的差異，區(qū)分相同頻率、間隙和碼道的信號，最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣列和基于基帶的數(shù)字信號處理技術(shù)組成。

下圖描述了智能天線的工作TDD方式CDMA基站的示意框圖。與沒有智能天線的傳統(tǒng)基站相比，它的射頻部分由一個天線陣和一組收發(fā)信機組成，而基帶信號處理部分的硬件基本相同。必須注意的是，這組收發(fā)信機將使用相同的振動源，以確保這組收發(fā)信機是相關(guān)的。

每個射頻收發(fā)信機都有ADC和DAC,將接收到的基帶模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；將待發(fā)射的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號。所有接收和接收的數(shù)字信號都通過一組高速數(shù)字濾波器總線和基帶數(shù)字信號處理器連接。

多個用戶終端的信號是多址干擾、衰落、多傳播和多譜勒頻移，以及其他干擾和白噪聲。第n時刻輸出圖中第一個接收器S i(n)表示。每個碼道的接收數(shù)據(jù)可以通過解擴(kuò)和相應(yīng)的數(shù)字信號處理獲得。如果以X j i(∫)表示第j碼道第∫智能天線的總接收數(shù)據(jù)為：

其中:W其矩陣元素是上行波束賦形矩陣W ij(∫)。

智能天線的下一步是實現(xiàn)其下行波束賦形，下行波束賦形∫符號可以表示為Y j(∫)。通過智能天線的下行波束賦形(調(diào)整基站各發(fā)射機發(fā)射的信號的范圍和相位)，第一天線陣元發(fā)射的信號可以表示為:

其中:U為元素的U j i(∫)下波束賦形矩陣。顯然，為了獲得最佳的接收效果，我們必須找到一個好的上波束形成算法，即W矩陣；為了獲得最佳信號，我們必須找到一個好的下波束形成算法，即U矩陣。必須注意的是，當(dāng)要求波束形成矩陣時，只知道天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和各種接收器收到的信號。在這方面，學(xué)術(shù)界做了大量的工作，可以采用多種算法，其主要限制是基帶信號處理能力和對系統(tǒng)實時性的要求。

即使是最大功率合成算法作為簡化的特例W=X,獲得成形，在TDD在模式系統(tǒng)中，如果構(gòu)成智能天線系統(tǒng)的射頻收發(fā)信機是全方位的，由于上下波傳輸條件相同，上波束賦形矩陣可以直接用于下行U=W。

TD-SCDMA天線采用環(huán)形天線陣，8個完全相同的天線元素均勻分布在半徑為r的圓上。智能天線的功能由天線陣和連接的基帶數(shù)字信號處理部分共同完成。智能天線的仰角輻射圖與每個天線元相同。在360°為了消除干擾，波束也可以在干擾處設(shè)置零點，零點的天線輻射電平比最大輻射方向低40點左右 dB。

現(xiàn)狀及其發(fā)展方向：在日本，我們可以看到許多智能天線的例子。一些運營商使用該技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)容量甚至提高了6倍；該技術(shù)也適用于3G在某些國家，網(wǎng)絡(luò)WCDMA在網(wǎng)絡(luò)中，利用智能無線技術(shù)將城市的無線網(wǎng)絡(luò)容量提高了3倍，甚至在郊區(qū)提高了6倍。由于我國大城市的人口密度普遍較高，因此提高無線網(wǎng)絡(luò)容量對運營公司來說尤為重要。在提高無線網(wǎng)絡(luò)容量的同時，也相應(yīng)提高了覆蓋范圍。由于采用智能無線技術(shù)，提高了社區(qū)的信號質(zhì)量，減少了鄰近社區(qū)的干擾，也擴(kuò)大了覆蓋范圍。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，如果是在WCDMA采用智能無線技術(shù)，城市覆蓋范圍可擴(kuò)大1倍，郊區(qū)可擴(kuò)大3倍。智能無線技術(shù)的干擾緩解機制也有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號功率可以集中在特定的用戶終端上，基站和用戶終端只需要較小的發(fā)射功率就可以達(dá)到相同的信號質(zhì)量水平。雖然智能無線技術(shù)需要配置多個天線，因此增加了功率放大器的數(shù)量，但更重要的是，功率放大器的發(fā)射功率大大降低，單價大大降低；由于大功率寬帶放大器制造工藝復(fù)雜，成本高，使用多個低功率放大器大大節(jié)省了投資，提高了整個功率放大器系統(tǒng)的可靠性。

智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初用于雷達(dá)、聲納和軍用通信。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP隨著芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，利用數(shù)字技術(shù)在基帶中形成天線波束是可行的，推動智能天線技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線通信。由于智能天線可以顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，提高天線系統(tǒng)的靈活性，幾乎所有先進(jìn)的移動通信系統(tǒng)都將在未來使用。

天線在移動通信系統(tǒng)中起著發(fā)射和接收空間電磁坡的重要作用。天線性能直接影響移動通信系統(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、減少干擾的功能。目前，移動通信系統(tǒng)正處于大力發(fā)展移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)、逐步向第三代移動通信過渡的階段，需要解決提高載波與干擾的比例（稱為載干比，C/1)實現(xiàn)提供更高數(shù)據(jù)傳輸速率和增加系統(tǒng)容量的目標(biāo)。智能天線系統(tǒng)的應(yīng)用將在實現(xiàn)上述兩個目標(biāo)中發(fā)揮重要作用。

智能天線是將無線電信號引向特定方向的先進(jìn)技術(shù)，使無線電頻譜的利用率更高，信號傳輸更有效。所謂先進(jìn)技術(shù)，主要是指波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)。智能天線有波束轉(zhuǎn)換智能天線和自適應(yīng)智能天線。智能天線分為多波束天線和自適應(yīng)天線陣列兩類。多波束天線用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)方向固定，波束寬度也根據(jù)天線元的數(shù)量確定。當(dāng)用戶在社區(qū)中移動時，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強。由于用戶信號不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣和干擾信號位于波束中心時，接收效果最差，因此多波束天線不能實現(xiàn)最佳信號接收，通常僅用作接收天線。但與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需確定用戶信號到達(dá)方向的優(yōu)點。自適應(yīng)天線陣列一般采用4~16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半波長。天線陣元分布有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以接收和發(fā)送用戶信號。采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向的自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)，并在天線主波束。下面簡單介紹一下兩個智能天線:

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。這種天線將現(xiàn)用的全向天線或1200方向天線改為多個分區(qū)的窄波束(通常是15°～30°)天線。由于移動通信系統(tǒng)基站天線系統(tǒng)覆蓋面積大，大部分天線功率在無效電波傳輸中喪失。窄波束天線縮小了覆蓋面積，從而相對提高了信號的強度。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()，因此接收同頻道區(qū)域干擾的窗口也縮小到四分之一。原則上，窄波束天線接收到的干擾也減少到四分之一，相當(dāng)于將載波干擾比提高6分貝。

窄波束天線系統(tǒng)需要數(shù)字信號處理(DSP)該技術(shù)繼續(xù)選擇該地區(qū)每個移動手機的最佳波束，以確保波束轉(zhuǎn)換可以在任何間隙內(nèi)實現(xiàn)（根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，間隙的長度為0.57毫秒）。該技術(shù)稱為波束轉(zhuǎn)換技術(shù)(swithched beam technology)而這種智能天線又稱波束轉(zhuǎn)換智能天線。

2.自適應(yīng)智能天線自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)實現(xiàn)話務(wù)負(fù)荷平衡的原理。它用自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)測量不同波束的信號強度，動態(tài)改變各風(fēng)扇區(qū)域的波束寬度和方向角，以適應(yīng)電話負(fù)荷分布的變化。圖2左圖顯示三個扇區(qū)負(fù)荷不平衡，b區(qū)域負(fù)荷最輕，自適應(yīng)放寬波束寬度，承受原c區(qū)負(fù)荷；c區(qū)自適應(yīng)改變方向角，轉(zhuǎn)向原a區(qū)，分擔(dān)a區(qū)部分負(fù)荷，支撐a區(qū)負(fù)荷過大，實現(xiàn)話務(wù)負(fù)荷平衡。自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)比波束轉(zhuǎn)換智能天線具有更先進(jìn)的系統(tǒng)性能，但由于技術(shù)復(fù)雜、成本高，實際應(yīng)用較少。

近年來，智能天線技術(shù)已成為移動通信中最具吸引力的技術(shù)之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術(shù)利用信號在傳輸方向上的差異，區(qū)分同頻率、同間隙、同碼道的信號，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向天線相比，上下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，減少了與社區(qū)其他用戶和相鄰社區(qū)用戶的干擾，也減少了移動通信通道的多徑效應(yīng)。CDMA該系統(tǒng)是一個功率有限的系統(tǒng)。智能天線的應(yīng)用實現(xiàn)了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾的兩個目的，顯著擴(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

本質(zhì)上，智能天線利用多個天線單元空間的正交性，即空分多址復(fù)用(SDMA)提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的功能。TD-SCDMA充分利用了系統(tǒng)CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA這四種多址方法的技術(shù)優(yōu)勢使系統(tǒng)性能最佳化。

智能天線的核心在于數(shù)字信號處理部分，使天線陣列產(chǎn)生定向波束指向用戶，并自動調(diào)整系數(shù)以實現(xiàn)所需的空間濾波。智能天線需要解決的兩個關(guān)鍵問題是識別信號的方向和實現(xiàn)數(shù)字分配。

TD-SCDMA智能天線由8個完全相同的天線元素均勻分布在半徑為R的圓上組成。智能天線的功能由天線陣和連接的基帶數(shù)字信號處理部分共同完成。智能天線的仰角輻射圖與每個天線元相同。方向角的方向圖由基帶處理器控制，根據(jù)通信用戶的分布，可同時產(chǎn)生多個波束°任意賦形范圍內(nèi)。為了消除干擾，波束賦形也可以在干擾處設(shè)置零點，零點的天線輻射電平比最大輻射方向低40點左右dB。TD-SCDMA使用智能天線N=8時，單振子天線的增長分別大于無方向單振子天線dB(接收)和18dB(發(fā)射)。每個振子的增加Powerex代理益為8dB，天線的最大收益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線的發(fā)射增益遠(yuǎn)大于接收增益，因此傳輸不對稱IP非常適合下載大型業(yè)務(wù)信息等數(shù)據(jù)。

智能天線(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無線接入系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。利用時間雙工(TDD)在基站使用智能天線技術(shù)，使上下射頻信道完全對稱。通過對每個天線元及其連接的接收器中相關(guān)接收到的終端信號的反應(yīng)，獲得信號的空間特征矢量和矩陣，獲得信號的功率估值和到達(dá)方向(DOA)在此基礎(chǔ)上，可以計算每個天線陣元中下行信號的權(quán)重，解決天線上下波束賦形、消除多址干擾、抗多徑干擾、平衡等問題。該系統(tǒng)為每條碼道產(chǎn)生天線波束，實現(xiàn)空分多址(SDMA)。結(jié)果不僅增加了通信距離，而且簡化了信號處理的復(fù)雜性大大降低了干擾，增加了系統(tǒng)容量。

智能天線最初僅用于雷達(dá)、聲納和軍事通信。近年來，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能天線技術(shù)已成功應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)，通過無線數(shù)字信號的高速時空處理，大大提高了頻譜的使用效率。

智能天線的基本思想是：天線動態(tài)跟蹤多個高增益窄波束的多個預(yù)期用戶。在接收模式下，窄波束以外的信號受到抑制。在發(fā)射模式下，預(yù)期用戶接收的信號功率最大，窄波束照射范圍以外的非預(yù)期用戶干擾最小。智能天線利用不同的用戶空間位置來區(qū)分不同的用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA),智能天線引入第四種多址方式：空分多址(SDMA)。也就是說，在相同的間隙、相同的頻率或相同的地址代碼下，仍然可以根據(jù)不同信號的中間傳輸路徑進(jìn)行區(qū)分。

智能天線分為多波束天線和自適應(yīng)天線陣列兩類。

多波束天線使用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)域，每個波束的方向是固定的，波束線元的數(shù)量。當(dāng)用戶在社區(qū)中移動時，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強。多波束天線不能實現(xiàn)最佳信號接收，通常只用作接收天線。但與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需確定用戶信號到達(dá)方向的優(yōu)點。

自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號的接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列一般采用4-16天線陣列結(jié)構(gòu)，陣列間距為半波長。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)可擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高頻譜利用效率，降低基站發(fā)射功率，節(jié)約系統(tǒng)成本，減少信號間干擾和電磁環(huán)境污染。