作者：石志誠(chéng) 酈 榮 樊 彥 王世順

論文關(guān)鍵詞:智能天線無(wú)線通信空分多址自適應(yīng)天線應(yīng)用

論文摘要:采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)形成定向波束的智能天線，引起了無(wú)線通信工程技術(shù)人員的極大重視。作者在對(duì)天線傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上闡述了智能天線的基本概念、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用前景。

一、概述

天線是實(shí)現(xiàn)電磁波傳播的必備器件:信號(hào)發(fā)射端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波輻射，信號(hào)接收端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波感應(yīng)。因此，不論何種通信系統(tǒng)，只要它采用無(wú)線傳輸方式，就必須使用天線，而不論該系統(tǒng)采用的工作頻率是多少，屬于何種頻段，也不論采用什么多址技術(shù)或者什么調(diào)制技術(shù)。

隨著通信的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)所用器件、部件的要求也越來(lái)越高。智能天線正是適應(yīng)通信發(fā)展而產(chǎn)生的新事物——在無(wú)線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)(不論在公眾通信網(wǎng)中，還是在專(zhuān)用通信網(wǎng)中)以及軍事通信等系統(tǒng)中，均有其重要應(yīng)用，并由此而帶來(lái)諸如抗干擾能力、頻率利用率等性能大幅度提高的一系列優(yōu)點(diǎn)。

盡管智能天線還是起著電磁波的輻射和感應(yīng)作用，但是，智能天線是一個(gè)嶄新的概念。

二、常規(guī)天線與智能天線

按照分類(lèi)方法不同，常規(guī)天線(下文稱(chēng)天線)有眾多的分類(lèi)。例如，若按振子形狀分類(lèi)，天線可分為線狀天線和面狀天線:后者有拋物面天線，卡什格侖賦形天線等(用于微波頻段);前者有布朗天線、J形天線、折合振子天線、八木天線、鞭狀天線、螺旋天線、菱形天線等(常用于特高頻、甚高頻、短波頻段)。若按方向性圖分類(lèi)，天線又可分為無(wú)方向性天線(即全向性天線)和定向性天線:前者如外露偶極子天線、共軸天線等，其特點(diǎn)是當(dāng)它們用于信號(hào)發(fā)射時(shí)，不論收信用戶位于何處，發(fā)射能量通過(guò)天線能作3600均勻分布;諸如角反射天線、角形反射器天線等則屬于定向性天線。此類(lèi)天線在一定方向上形成信號(hào)的發(fā)射或接收，能量的有效性較高。若按材料分，又有金屬天線和介質(zhì)天線之分。若按電場(chǎng)強(qiáng)度方向分類(lèi)，天線又有垂直極化、水平極化等之分。當(dāng)然，天線還有其它的分類(lèi)方法，我們不一一例舉。但無(wú)論怎么說(shuō)，通信天線的構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，即使將用于與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)相連的饋線算入，構(gòu)成“天饋線系統(tǒng)”，但是，它依然是一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)。

智能天線則是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，而且隨著性能要求的提高，智能天線也越加復(fù)雜。可以認(rèn)為智能天線是從自適應(yīng)天線發(fā)展起來(lái)的，但是二者之間有著顯著的差異:自適應(yīng)天線主要用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消，而且是干擾信號(hào)強(qiáng)度特大，數(shù)量又不多的場(chǎng)合。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，主要基于多徑傳播的干擾，其幅度一般較小，但數(shù)量往往很大，尤其是電波在城市地面?zhèn)鞑r(shí)更是如此。這些差異導(dǎo)致在方向性圖的形成上，或者說(shuō)在信號(hào)的處理上有著各自的特色。既然智能天線從自適應(yīng)天線發(fā)展而來(lái)，所以智能天線有著與自適應(yīng)天線相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，用于信號(hào)接收時(shí)的智能天線結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。就是說(shuō)，智能天線是由一個(gè)天線陣列和一組波束形成網(wǎng)絡(luò)(亦稱(chēng)聚束網(wǎng)絡(luò))聯(lián)合構(gòu)成的系統(tǒng)。所以，從硬件構(gòu)成來(lái)看，將智能天線稱(chēng)為“智能天線系統(tǒng)”是可以理解的。

用于收、發(fā)信側(cè)的智能天線結(jié)構(gòu)是相仿的，其工作原理也一致。這里以發(fā)送用智能天線為例，說(shuō)明其波束形成原理。將待發(fā)射的各路信號(hào)S1(t)，S2(t)……SM(t)組合成M維信號(hào)集合:S(t)=[S1(t)，S2(t)…SM(t)]T，再在N×M矩陣網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)W加權(quán)，得到一個(gè)N維的陣列輸出信號(hào):

X(t)=W×S(t) (1)

其中，X(t)=[X1(t)，X2(t)…XN(t)]T。

若智能天線的天線陣列的方向性函數(shù)為fN(θ)，且當(dāng)天線陣列選定以后，它就為定值。則X(t)將在天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)

E(θ，t)=∑XN(t)·fN(θ) (2)

若要將信號(hào)SM(t)發(fā)向接收方，只需修改加權(quán)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)W為WNM即可實(shí)現(xiàn)該信號(hào)的輻射方向性圖。即E(θ，t)可進(jìn)一步寫(xiě)成

顯然，只要調(diào)節(jié)WNM就能獲得所需方向波束。智能天線的天線陣列是由多個(gè)(例如5、6個(gè)甚至更多)單元天線排列成一定形式形成的，常用形式有平面形、圓環(huán)形、直線形。從工程上考慮，這些單元天線方向性圖常是無(wú)方向性的，其相互間距也需滿足一定要求。例如在移動(dòng)通信中使用時(shí)，各單元天線間距常取為λ2(λ為工作波長(zhǎng))。

智能天線波束形成網(wǎng)絡(luò)的作用是在天線陣列支援下，形成一系列極窄的信號(hào)傳輸通路——空間波道，又稱(chēng)波束(Beam)，即在收、發(fā)兩端之間形成一條極窄的信號(hào)通道。例如，當(dāng)智能天線用于無(wú)線接入系統(tǒng)時(shí)，可以在基站(或中心站、轉(zhuǎn)發(fā)站)和用戶之間形成極窄的無(wú)線電波束通道。當(dāng)智能天線用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信中時(shí)，這個(gè)極窄的波束能隨著用戶移動(dòng)而移動(dòng)。顯然，極窄波束的應(yīng)用能提高發(fā)信功率的有效性，還能提高信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)干擾比。或者說(shuō)，在保證接收端信號(hào)干擾比不變的條件下，發(fā)信端功率可以大幅度降低。

這個(gè)極窄波束的實(shí)用，也形成了多址技術(shù)的第四種概念——空分多址(SDMA)，而且這個(gè)SDMA可以和其它多址技術(shù)以及它們的混合聯(lián)合使用。即在采用智能天線后，系統(tǒng)能在相同時(shí)隙、相同頻率、相同地址碼情況下，用戶仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間波束——空間傳播路徑加以區(qū)分。

值得重提的是，形成一定指向的空間波束是眾多的無(wú)方向性天線和波束形成網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合作用，而且空間波束的指向依據(jù)用戶的不同空間傳播方向而決定。這個(gè)具有一定指向的空間波束等同于信號(hào)有線傳輸?shù)木€纜如光纜、同軸電纜。

智能天線能實(shí)用于無(wú)線通信系統(tǒng)，而不論它們是公眾網(wǎng)還是專(zhuān)用網(wǎng)，也不論該系統(tǒng)采用何種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。智能天線能適用于幾乎所有移動(dòng)通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的情況，見(jiàn)表1。有些協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)甚至至今還未正式形成產(chǎn)品，例如cdma2000、TD-SCDMA，這種情況說(shuō)明智能天線適用范圍很廣。

SDMA的實(shí)用也促使了系統(tǒng)頻率利用率的提高以及頻率管理、頻率配置難度的降低。例如在移動(dòng)通信中，同一基站范圍內(nèi)的相同載頻可以多次復(fù)用而不必慮及同頻干擾(這就大大地降低了頻率配置的難度)。而且不同指向的波束越窄，同頻復(fù)用系數(shù)可以越大，系統(tǒng)的頻率利用率就越提高，系統(tǒng)容量越大。同一小區(qū)兩個(gè)手機(jī)用戶同時(shí)占用同一頻道時(shí)，智能天線形成的方向性圖見(jiàn)圖2。圖中，智能天線形成的兩個(gè)主波束分別對(duì)準(zhǔn)這兩個(gè)用戶(而不會(huì)產(chǎn)生同頻干擾)，其它方向的增益卻很小，這就保證了主波束增益可以做得很高，周?chē)母蓴_(包括同頻干擾、鄰頻干擾、近端對(duì)遠(yuǎn)端比干擾等)和噪聲的影響可以降低到很小。

采用智能天線后，同無(wú)線區(qū)不僅可以安排相鄰或鄰近頻率，甚至還可實(shí)現(xiàn)同頻復(fù)用，這極大地降低了無(wú)線電管理部門(mén)在頻率配置和干擾管理上的難度，所以無(wú)委力主智能天線早日投入使用。

智能天線的應(yīng)用還可以極大地增強(qiáng)設(shè)備供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)能力，并且智能天線不受調(diào)制方式和空中接口協(xié)議的限制，它們能與現(xiàn)有的空中接口方式相適應(yīng)。智能天線的核心技術(shù)是波束形成，并主要由波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)智能天線為某個(gè)具體用戶服務(wù)時(shí)，利用天線陣列發(fā)射或接收無(wú)線電波，利用波束形成網(wǎng)絡(luò)中的某些部分對(duì)用戶形成極窄的波束指向，而在其它方向上，智能天線能自適應(yīng)地控制其方向性圖為零，這種性能又稱(chēng)為自適應(yīng)調(diào)零功能。正是利用這種功能，可以將智能天線的副瓣或零信號(hào)區(qū)(也稱(chēng)零陷區(qū))的幅度基本抑制掉，這也造就了智能天線有極好的抗干擾性能。

只要能把主波束做得極細(xì)，同一基站(或中心站)主波束數(shù)能做得足夠多，副瓣也能完全被抑制掉，那么，智能天線的應(yīng)用至少在理論上解決了眾多無(wú)線通信頻率資源不足的難題。因此，不論在歐日聯(lián)合提出的第三代移動(dòng)通信方案W-CDMA中，或是我國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信方案TD-SCDMA方案中都把智能天線作為特征技術(shù)闡述在內(nèi)，這是有道理的。就是在專(zhuān)用通信網(wǎng)中，這個(gè)特點(diǎn)也有著重要意義。我們以815~821 MHz(移動(dòng)臺(tái)發(fā))和860~866 MHz(基站發(fā))這一集群系統(tǒng)專(zhuān)用頻段為例說(shuō)明這一問(wèn)題。這一頻段雖可劃分成240個(gè)雙向通，但由于集群系統(tǒng)性能優(yōu)越，特別是它的調(diào)度功能強(qiáng)大，因而該系統(tǒng)特別受專(zhuān)用通信網(wǎng)歡迎，許多系統(tǒng)諸如電力、人防、交通、港口、民航等都想發(fā)展該系統(tǒng)，從而導(dǎo)致頻譜緊張。但是，一旦集群系統(tǒng)采用智能天線以后，頻譜緊張這一問(wèn)題將迎刃而解。

三、智能天線系統(tǒng)的構(gòu)成

智能天線之所以能具備這些優(yōu)良性能，這同其系統(tǒng)構(gòu)成有關(guān)，特別是波束形成網(wǎng)絡(luò)。波束形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜，大體上可分為網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)兩部分，依照網(wǎng)絡(luò)處理和網(wǎng)絡(luò)控制的工作原理、結(jié)構(gòu)不同，智能天線可分成波束切換型和自適應(yīng)陣列兩種類(lèi)型。

波束切換型是指，智能天線能形成多少個(gè)空間波束一空間信道事先就已確定，這個(gè)確定既包括波束指向，也包括數(shù)量。確切地說(shuō)，這類(lèi)天線的波束數(shù)量有限。當(dāng)智能天線服務(wù)于某用戶時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)從有限波束中選擇一個(gè)或幾個(gè)的組合以服務(wù)于該用戶，而不管所選波束的最大指向是否對(duì)準(zhǔn)用戶，也就是說(shuō)用戶雖處在所選波束作用范圍，卻有可能不在最大方向上。而且，當(dāng)用戶在移動(dòng)時(shí)波束卻是固定的，在用戶移動(dòng)到這種另一波束上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)由此波束切換到另一波束上。基于相同原因，另一波束也不保證其最大指向隨時(shí)指向用戶，這些特點(diǎn)構(gòu)成了這類(lèi)智能天線的缺點(diǎn)，但是這類(lèi)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

自適應(yīng)陣列型智能天線能形成無(wú)限多波束，并能使用戶始終得到波束的最大指向。當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，波束也能作自適應(yīng)改變。顯然，這種類(lèi)型的智能天線性能最佳，但其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，還要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好，即要求處理網(wǎng)絡(luò)在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應(yīng)算法，以能快速調(diào)整波束的復(fù)數(shù)加權(quán)參數(shù)W。

目前，智能天線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的算法有最小、最大信號(hào)比、最小偏差等。它們又各有特點(diǎn)，因而在實(shí)際系統(tǒng)中常需要并用，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，特別是在移動(dòng)通信和個(gè)人通信中。這是因?yàn)樵谶@兩種通信系統(tǒng)中，電波傳播主要在地面，而地面的電波傳播環(huán)境很惡劣。基于智能天線性能極大地依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件特性，因此智能天線也被稱(chēng)作“軟件天線”。

天線小型化和微帶天線的使用，使得天線陣列結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。軟件方面值得注意的發(fā)展是，基于特征值分解的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法格外受到重視，因?yàn)檫@種算法能和高分辨率的測(cè)向算法統(tǒng)一起來(lái)，還能克服眾多因素造成的波束誤差。但是，此種算法的計(jì)算量大。

四、智能天線在無(wú)線通信中的應(yīng)用

智能天線能用于很多種無(wú)線通信系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)性能。未來(lái)專(zhuān)用移動(dòng)通信網(wǎng)將向公眾移動(dòng)通信網(wǎng)方向發(fā)展，或者說(shuō)二者之間關(guān)系更加密切。還應(yīng)注意:移動(dòng)通信蜂窩小區(qū)正在向微型化、智能化方向發(fā)展，站距將更小，分布也更廣泛，波束跟蹤也更需智能化、實(shí)時(shí)化，基站配置也將更靈活，智能天線的波束形成技術(shù)將在改善地面電波傳播質(zhì)量和降低成本上發(fā)揮重要作用。由于智能天線的使用，不論在專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)，例如集群系統(tǒng)、無(wú)線本地環(huán)路，還是在公眾蜂窩系統(tǒng)，一改控制信道的發(fā)射方式——由全小區(qū)(或全扇區(qū)或全無(wú)線區(qū))范圍內(nèi)的輻射為跟蹤性的極窄波束輻射，全區(qū)內(nèi)同頻可以多次復(fù)用，從而形成了智能無(wú)線區(qū)(智能小區(qū)、智能扇區(qū))的新概念。因?yàn)橹悄芴炀€具有跟蹤功能的固有性，無(wú)需通信系統(tǒng)另設(shè)“定位功能”，從而使采用智能天線的移動(dòng)通信系統(tǒng)、個(gè)人通信系統(tǒng)的越區(qū)切換產(chǎn)生了“智能切換”的又一個(gè)新概念。而且，智能天線的應(yīng)用也降低了成本。目前國(guó)內(nèi)在公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)中雖然使用了性能優(yōu)良的單極化全向天線ANTEL BCD-87010、單極化定向天線ANTEL RWA-87027、雙極化天線DPS60-16 RSX和先進(jìn)的遙控電子傾角天線MTPA890-D4-RXY-Z，尤其是后者給日常的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了方便，人們根據(jù)需要可以方便地調(diào)節(jié)天線傾角，以改善覆蓋和干擾，但是它們遠(yuǎn)不能和智能天線相比。智能天線用于移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，主要用于基站的發(fā)和收。

應(yīng)該承認(rèn)，移動(dòng)通信和個(gè)人通信應(yīng)用智能天線的難度較大，其原因在于移動(dòng)的多用戶、電波傳播的多路徑等因素造成了信號(hào)動(dòng)態(tài)捕獲與跟蹤的難度，所以移動(dòng)通信和個(gè)人通信中智能天線應(yīng)用較晚，而無(wú)線接入系統(tǒng)尤其是固定式無(wú)線接入系統(tǒng)卻較早應(yīng)用。智能天線工作于TDD雙工方式的無(wú)線接入系統(tǒng)時(shí)，可以把上、下行鏈路的加權(quán)系數(shù)統(tǒng)一。但在上、下行頻率不同時(shí)，即采用FDD雙工方式時(shí)，則下行鏈路的加權(quán)系數(shù)在上行鏈路的加權(quán)系數(shù)基礎(chǔ)上，還需作適當(dāng)處理。智能天線有望用于移動(dòng)市話，以改善其頻率配置的難度和提高網(wǎng)絡(luò)的容量，以及提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

智能天線也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等體制的無(wú)繩電話系統(tǒng)，都能改善它們的系統(tǒng)性能。

智能天線還可用于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，例如用于L波段的衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)的智能天線就是用16單元、環(huán)形分布的微帶天線陣列和一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，采用左旋園極化。而波束形成網(wǎng)絡(luò)則采用10塊FPGA芯片，其中2塊用于波束選擇、控制和接口，8塊用于天線陣列的準(zhǔn)相干檢測(cè)和快速傅立葉變換。

智能天線還用于各種專(zhuān)用通信網(wǎng)和軍事通信等無(wú)線通信系統(tǒng)，以改善系統(tǒng)性能。正是由于智能天線具有重要的應(yīng)用價(jià)值，所以國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)、研究所、通信公司等單位投入巨資，潛心研究，并已見(jiàn)碩果。

五、結(jié)語(yǔ)

智能天線對(duì)提高專(zhuān)用網(wǎng)和公眾網(wǎng)通信系統(tǒng)容量、抗干擾能力，提高通信質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)同一地址的各專(zhuān)用網(wǎng)的頻率共享等具有巨大潛力，近年來(lái)備受關(guān)注。但是由于波束自適應(yīng)形成的難度大，影響因素多，因此智能天線雖已用于固定式無(wú)線接入、衛(wèi)星通信、軍事通信等系統(tǒng)中，并獲益匪淺。但用于移動(dòng)通信、個(gè)人通信中還存在有一些難度。不過(guò)近來(lái)已傳來(lái)樂(lè)觀消息。例如某國(guó)外公司已2000年6月在上海移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行智能天線實(shí)用試驗(yàn)。所用天線類(lèi)型為波束切換型。試驗(yàn)結(jié)果表明，確實(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。另?yè)?jù)廣東消息稱(chēng)，該省移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入智能天線，以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)和滿足用戶數(shù)量劇烈增長(zhǎng)的要求。

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