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无线通信中的智能天线技术综述摘要：近年来，智能天线技术已成为移动通信领域中最具有吸引力的技术之一。木文对智能天线的产生背景、根本概念、根本原理和分类进行了综合论述，并讨论了其应用范围，最后对智能天线所面临的挑战和开展方向发表了看法。关键词：智能天线；移动通信；自适应算法；波束形成；0、引言随着当今社会信息量的逐渐增加，全球的通信事业飞速开展，个人移动通信迅速普及。移动通信业务需求量的增长和有限的频谱资源的矛盾日益突出。在不远的将来，用户的需求将超越现有的技术所能提供的信道资源。因此，如何更为有效地复用无线资源成为无线移动通信系统开展的首要问题。智能天线技术研究了无线资源的空域可分性能，是进一步提高系统容量的有效途径。智能天线最初用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来，随着现代数字信号处理技术开展迅速，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的广泛应用。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。1、智能天线的根本概念、根本原理和分类1.1 智能天线的根本概念智能天线(SmartAntenna)是一种具有侧向和波束形成能力的天线阵列，它利用各用户信号空间特性的差异，根据某个接收准那么自动调节各天线阵元的加权向量，使无线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，到达最正确接收和发射.实际上，智能天线利用了天线阵列中各单元间的位置关系，即利用了信号间的相位关系，这是与传统分集技术的本质区别。现有的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)分别是在频域、时域和码组上实现用户的多址接入，而智能天线采用了第四维多址一一空分多址(SDMA)技术。智能天线能识别信号的来波方向IDOA),从而实现在相同频率、时间和码组上用户量的扩展。1.2 智能天线的根本原理简单说，智能天线的根本原理就是根据一定的接收准那么自动地调节天线阵元的幅度和相位加权值，以实现最优接收和发射。从空间响应来看，智能天线是一个空间滤波器，它在信号入射方向上增益最大，在干扰信号入射方向上形成零陷或低陷。下面以直线阵为例，说明智能天线的根本原理。假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差来决定。假设入射信号为平面波(只有一个入射方向)，那么这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并后的输出信号强度也会不同。智能天线的工作原理可用图1说明：图I智能天线的工作原理对于N元天线阵列，设信号自a方向入射，阵元间距为d,接收信号功率为P,以第1个天线单元为参考，那么第i个天线单元的相位延迟为夕=(i-l)dcos(),其中尸二2%/4，义为电磁波波长。天线阵列接收信号可以用下面的矢量表示：S (t) =值叫小心"加Wg),Fej(w-(N-l)Jcos(a) -1=EeFVT(a)式中V7(a)为天线阵在。方向上的响应矢量。设%,匕分别表示有用信号、干扰信号的天线阵响应矢量，SKf),S,")分别为有用信号和干扰信号矢量，M为干扰信号个数，N为噪声矢量。那么经过加权的天线阵输出XQ)可表示为下式:X二W7S.+(N«)+ZSj.(t)j=l智能天线的目的就是确定最正确权值矢量W，己到达提取有用信号，抑制干扰信号滤除噪声信号的目的。智能天线的方向图是随着权值的改变而动态变化的，智能天线正是通过自适应调整权值的来抑制干扰、提高信噪比，进而提高移动通信系统性能。1.3 智能天线的分类根据不同的复杂度和结构，智能天线可分为波束切换智能天线和自适应智能天线两大类。(1)波束切换智能天线波束转换天线将传统的一个扇区一个波束变为一个扇区数个波束来覆盖，每个波束的指向是固定和预定义的，波束宽度随阵元数目而定。它采用波束切换技术，随着用户在小区内的移动，基地台自动选择不同的相应波束，使接收信号最强。波束转换天线虽然不能实现信号最正确接收，但结构简单，便于实现，且无需判定所接收信号的方向。波束转换天线的波束宽度由天线阵列的口径决定。对于处于主波束外的干扰，波束转换天线通过控制低的旁瓣电平确保抑制。而对于处于主波束内的干扰，它的抑制能力是有限的。由于所需信号的到达方向并不一定固定在主波束中央，当信号的到达方向随着移动台的移动位于波束边缘，而干扰信号位于波束中心时，接收效果最差。此时必须进行波束间切换，切换至载干比好的波束中。(2)自适应阵列智能天线自适应阵列智能天线融入了自适应数字处理技术，在天线阵接收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反应控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的鼓励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其他参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。自适应天线阵列通常采用4一16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1/2波长，假设阵元间距过大，接收信号彼此相关程度降低，太小那么会在方向图中形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD中(如美国ArrayCOmm公司在PHS系统中的自适应阵列天线)阵元间距为5个波长，间距宽波束更窄。PHS系统中采用TDD模式，因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都较少，因而不会带来不利影响。自适应天线阵列的效益虽高，但因需执行复杂的适应性算法，实现本钱较高。为满足无线通信高频谱效率需求，自适应天线阵列仍为未来的开展趋势。2、智能天线的根本结构典型的智能天线系统结构图，它主要由天线阵、数模转换、自适应信号处理器和波束形成网络组，如图2所示叫天线阵元数量N与天线阵元的配置方式，对智能天线的性能有着直接的影响，目前天线阵元数一般取4到I6。根据天线阵元之间的几何关系，阵列形状大致可以划分为：线阵、面阵、圆阵等。波束形成技术是智能天线能否实现的关键。简单地说，波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带，然后进行相应的空间谱处理，获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。在此根底上，依据一定的准那么(常用的有：最小均方误差(MMSE)准那么、最大信噪比(MAXSNR)准那么、最小二乘准那么(LS)、线性约束最小方差(LCMV)准那么等)，计算信号在各个天线阵元的加权矢量W,生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户。可以说波束形成是种空间滤波方法，目的是从信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。在接收模式下，抑制来自窄波束之外的信号；而在发射模式下，使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小。天线阵模数转换波束形成网络自适应数字信号处理器图2典型的智能天线系统结构图其中，自适应算法是智能天线技术的核心。按照是否需要参考信号可分为非盲算法和盲算法，其中非盲算法是基于专门发送导频信道信号或导频符号序列信号来实现的自适应算法，这方面的典型算法有：基于梯度的最小均方(LMS)误差算法、递归最小平方(RLS)算法等，以及这些算法的改良算法。LMS和RLS需系统提供与用户信号相关的参考信号，以计算误差，控制阵列加权。而对于盲算法，不需要参考信号，通过利用DoA的时空特征进行多用户检测并别离出各方向的用户来波，经典算法有恒模算法(CMA)和空间谱估计。此外，还有判决反应和模糊神经网络等算法。如何根据不同的场合选择最正确算法，是智能天线研究的关键问题。3、智能天线的优势和应用现况3.1 智能天线的优势智能天线对系统性能的改善主要表现在：(1) 提高了基站接收机的灵敏度：通过多个天线通道功率的最大比合并以及阵列信号处理，明显提高了接收灵敏度；(2) 降低了系统的干扰：波束赋形算法使得基站针对不同用户的接收和发射很高的指向性，因此用户间的干扰在空间上能够得到很好的隔离；(3) 增加了CDMA系统的容量：波束赋形对用户间干扰的空间隔离，明显提高了系统的容量。(4) 提高了基站发射机的等效发射功率：通过对天线阵进行波束赋形使得下行信号能够对准一个(或假设干个不同位置的用户)用户，这等效于提高了发射机的有效发射功率(EIRP)o(5) 改良了小区的覆盖：智能天线阵的辐射完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或出现新的建筑物使原覆盖改变时，均可非常简单地通过软件来优化。(6) 降低了无线基站的本钱：CDMA系统中采用了大功率线性功放，价格比拟昂贵；采用智能天线技术可以采用多个小功率功放，从而降低了制造本钱。32智能天线应用范围(7) 2G移动通信系统PHS.GSM和CDMA可以看做是2G移动通信系统。其中，PHS为时分双工TDD模式，即收发频率共用，而GSM和CDMA均为FDD模式，收发频率之间要间隔一定的频率。目前，在PHS中自适应阵列天线技术比拟成熟，应用十分广泛。PHS系统的通信距离有限，需要建立很多基站。假设采用智能天线技术，可以提高覆盖，而且可以降低本钱。在GSM系统中，目前有ArrayComm和爱立信推出了自己的解决方案。ArrayComm在与美国Airnet的合作中推出了具有自适应阵列天线功能和软件无线电功能的GSM基站。爱立信在德国Mannesman公司的GSM的网络中曾进行过试验。IS-95CDMA中应用智能天线的研究尚在进行之中。(8) 3G移动通信系统采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及效劳质量，W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。目前ArrayComm与英国马可尼公司正在合作开发具有自适应阵列天线功能的基站。爱立信宣称将在其W-CDMA基站中提供自适应阵列智能天线。郎讯也曾宣布，其第三代移动通信基站中将采用郎讯自主开发的IA-BLAST智能天线技术。在第三代移动通信系统中，我国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TD-SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。目前，在CDMA2000中应用智能天线技术也有了进展。CDMA开展组织(CDG)已经发布了一个关于智能天线的文件，“智能天线在CDMA系统中的业务描述，用户需求和系统功能”。由此开始了推动智能天线在CDMA系列技术中的应用。(9) 4G移动通信系统4G移动通信系统中智能天线是不可或缺的关键技术，从常规智能天线演进而来的MlMo(多入多出)天线系统成为4G开展中炙手可热的课题。MlMo天线系统在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如过失率)或提高通信效率(如数据速率MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集那么可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。但是，随着使用天线数目的增加，MlMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MlMo技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的根底上降低MlMO技术的算法复杂度和实现复杂度，仍然是业界需要面对的巨大挑战141。4、智能天线面临的挑战和开展方向智能天线系统在改善性能的同时，也增加了收发机的狂杂度。因为要对每个用户进行定位，并且波束形成的计算量很大，所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。在实施SMDA时，资源管理也成为一个必须关注的新问题。作为一种新的多址方式，在频谱分配和移动性管理上也提出了新的新问题，将会对网络管理提出更多的需求。此外,目前智能天线的物理尺寸较大，不利于构建更小的基站。智能天线形成下行波束较为困难，因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识，而无线信道的信道状况变化极快，使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送链路中器件的线性特性对系统的性能有显著影响。智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大，对器件、时间和功率的要求比拟高，因此探究高效的优化算法对提高系统的性能至关重要。到目前为止，还没有一个完整的智能天线系统理论，而智能天线今后的探究必须同一些相关技术联系，如和多用户检测、多用户接收和功率控制等结合在一起。目前的智能天线多用于基站系统，今后还可以探究基于移动台的智能天线。在信号处理局部，目前多采用自适应信号处理算法，尚未将人工智能方法应用于其中，同时还可尝试将智能计算的一些方法，如人工神经网络、模糊技术和进化计算等用于智能天线系统中【5】。参考文献：1、潘涛，林家儒智能天线在TD-SCDMA中的应用J电信快报，2002,(4)2、桑怀胜，李峥噪智能天线的原理、自适应波束形成算法的研究进展与应用J国际科技大学学报,2001,(6)3、何先刚，刘勇，王平智能天线在第三代移动通信中的应用西南师范大学学报自然科学版，2004,(2)4、徐宁宁探讨MlMo智能天线技术在4G中的应用科技资讯，20095、李小强，胡健栋未来移动通信系统中的智能天线技术移动通信，1999,(1)