通信3G网络

摘要：主要介绍了智能天线的提出背景、基本概念、关键技术、优点以及国外的研究进展情况，最后指出了智能天线的发展方向。随着蜂窝移动用户的不断增长，如何解决频谱资源紧张、抑制各种干扰、提高通信服务质量成为一个亟待解决的问题。为此，人们提出了一系列的解决方案，例如，在通信密集的地方引入微蜂窝技术、频率跳变技术、高效的编码技术以及进行功率控制等。而智能天线为这一切问题的解决提供了一条新思路。智能天线能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制复杂电磁环境下的各种干扰，并且还能与各种通信系统和其他多址方式兼容，从而以较小的代价获取较大的性能提高。目前，国内外有许多大学和公司致力于智能天线的研究。欧洲电信委员会(ETSI)明确提出智能天线是第三代移动通信系统必不可少的关键技术之一，并制定了相应的开发计划。

关键词：

一 章 智能天线的概念

智能天线是一个天线阵列，它由N个天线单元组成。每个天线单元有M套加权器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N。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。我们每天都沉浸在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、蜂窝电话网和的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们收发信息。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，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们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，我们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。这些系统通常被称为智能天线，它们之中最智能的那种又被称为自适应天线阵列。1992年我和他人一起在美国加州圣荷赛创立了爱瑞公司，致力于开发能应用于已有和新的无线网络的自适应天线阵列。每个阵列包含了多达12根的天线以及一个强大的数字处理器（用于对输入输出信号的合并和处理）。朗讯、北电以及其他一些公司也都在开发这项技术。我们的目标都是降低成本和提高无线通讯的质量。现在自适应天线阵列已经向数以百万的蜂窝电话用户提供这些好处。此外，由于非常适合大量数据的传送和接收，它们极有可能成为无线因特网的关键部分。

二 章 智能天线的工作原理及分类

要了解智能天线的工作原理，先要了解比较“笨拙” 的普通天线。射频天线将发射机产生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将之转化为接收机能处理的电流和电压信号。最简单最常用的天线是偶极子，它不过是特定长度的能向空间全向发射能量的竖杆而已，无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐减弱，并被空气、树木和建筑等障碍物吸收。商用广播和电视台必须向地理分布上分散的用户提供服务，自然要进行全向广播。而一次蜂窝电话通讯通常只针对一个用户，在蜂窝网中，用户和最近的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域（称作小区）内所有的无线业务信号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多个小区；用户从一个小区移动到另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基站。在这种情况下，如果能将无线能量集中到单个用户身上，就像手电筒通过反射镜将光线集中成束那样，效率就会高得多。同样的功率，集束的信号能比全向发射的信号，传播到远得多的地方。基站向不同用户发送的波束在空间上是分开的，这样相互干扰也降低了。反射器能把无线电波聚焦成束，但是它们实在是又笨重又昂贵。所以工程师们想出了许多不用反射器却能产

生无线波束的办法。如果我们并排放置两根天线，它们之间的距离是无线信号波长的一半，那么从上面看下去时，这个简单阵列发射能量的方向图就是8字型的。在垂直于阵列（即垂直于两根天线之间的连线）的两个方向，无线电波的传送距离将达到最大，因为在这两个方向上用户能同时收到两根天线发送的信号（换句话说，就是两个信号是同相的）。然而，在平行于阵列的方向上，用户将接收到相位相差180度的两股信号。两股信号的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就产生了零区，在那里将检测不到任何信号。

这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发射。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越来越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被用于雷达波束的聚焦。虽然天线数目的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产生了更多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强（“增益”），也有可能由于抵消效应的存在变得比后者更弱（“损失”）。

（一）自适应方向图智能天线

根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：

它采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。

智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称为空间滤波器。虽然这主要是靠天线的方向特性，但它是从信号干

件无线电实现智能天线系统示意图

扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的直接联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题。自适应天线自出现以来，已有30多年。大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上；第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗。与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。

（二）固定形状方向图智能天线

固定形状方向图智能天线在工作时，天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向（DOA），然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。

近年来，一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。Bigler等人的实验表明，在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满

足固定形状波束智能天线工程需要的，实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感，各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。

天线在通信链路中起能量转换作用。发射天线时将高频电能转换成为电磁波的装置；接收天线则是将电磁波转换成高频电能的装置，因而天线在无线电通信中占有极其重要的地位。天线质量如何，对保证通信质量的好坏起着重要的作用。其中智能天线的波束可以自动控制，如自适应天线 多波束天线 相控阵天线等。

智能天线是将具有相同极化特性 相同增益的天线阵元，按一定方式排列构成的天线阵列。智能天线在军事领域已经获得了比较广泛的应用，并逐渐应用到民用领域。随着移动通信技术的发展，智能天线在移动通信领域也得到了越来越广泛的应用。

智能天线根据其工作原理，可分为波束转换天线和自适应阵列天线两种。

（1） 波束转换天线

波束转换天线的波束是有限且固定的，其方向图预先已经定义好，波束转换天线根据接收的功率，从几个预定义的波束中选择一个向移动台发送信号，同时周期性地检测天线阵列中的各单元，可以提供最佳性能。与传统天线相比，波束转换天线通过提高特定方向上的灵敏度，可以提高通信质量和系统容量，同时波束转换天线具有更好的方向性，具有一些增益。但由于波束方向固定，不能随用户位置的变化而调整，对性能的改善有限。假如用户位于波束边缘，而干扰位于波束中间时，干扰的增益大于有用信号，此时通信质量不会好转。

如果不能指向特定的接收者，无线波束还是没有多大用途。最显而易见的解决方案就

是移动天线阵列本身，但显然这个办法是笨拙和代价昂贵的。用电子的方法来操纵波束将简便得多。通过一种叫波束切换的技术，天线阵列能产生一组相互有所交叠的波束，这些波束在一起就能覆盖周围的区域。当一个蜂窝电话用户进行通话时，无线接收机首先确定从哪个波束方向来的用户信号最强，然后阵列发射机就按照这个来波方向给用户“回话”。如果用户从原有波束走入另一个相邻的波束，控制系统就自动将发射和接收都切换到那个新的波束。然而波束切换在现实的无线通信环境中还是不能很好地工作。只有当用户处于波束正时，波束才是最有效的。正如离开手电筒的光线方向就会变暗一样，一旦用户离开波束中心，信号就会发生衰落。当用户靠近波束的最边缘时，在系统将之切换到相邻波束之前，信号强度会发生相当大的衰落。如果另一方向上的某个用户需要使用同一无线信道怎么办？如果第二个用户处于零场，还好不会给前一位用户带来干扰，但是一旦他处于某个旁瓣的中心，那么给他的信号将会阻塞或扭曲前一位用户的信号。波束切换系统的另一个问题是，实际上在几乎所有的环境中，无线信号都很少沿着直接路径进行传播。我们手机上接收到的信号通常是由多个反射信号合并而成的。反射体可能是自然或者人造的物体（建筑、山脉、汽车和树木等等）。这些发射信号还在不停地变化，特别是那些由大型车辆（例如巴士）造成的。这种所谓的多径现象也会影响从手机发送到基站的信号。在波束切换系统中，如果用户靠近波束的边缘，那么他或她所发送的信号有可能在到达天线阵列前就被反弹到其他波束中。在这种情况下，天线阵列就有可能发送错误的波束，用户则可能完全得不到回应的信号。在实际应用中，只有波束切换系统显然是不够的。一个真正智能的天线阵列应该能直接给移动用户一个波束，而不是选择一个相对靠近用户的波束。理想的天线阵列还必须能调整波束的方向图，将来自同一频段信道上其他用户的干扰最小化。最后，这种天线阵列必须能根据用户位置和反射的迅速变化做出快速反应。这些都是为什么要引入自适应天线阵列的原因。

（2） 自适应阵列天线

自适应阵列天线利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线最大增益点对准用户到达方向，旁瓣对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效减少多径效应带来的影响，同时达到对干扰信号抑制甚至删除的目的。自适应天线通过DOA算法确定干扰方向，通过调整波束方向尽量较少干扰，可以看做一个空间和时域的滤波器，改变了传统天线仅在时域上的滤波。在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信、不同信号带宽、不同环境（城巿、农村、商业区、楼内）进行了分析，给出了对应的模型。在美国的Boston地区，New Jersey的高速公路，德国的Munich地区等进行了大量的测试。结果表明，在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少。采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应，这也是研究的热点之一。与传统的蜂窝网络相比，采用自适应天线阵列的无线网络具有很多优点。对于同样的功率，由于装备有自适应阵列的基站的覆盖范围比普通基站大得多，因而覆盖同样的区域，所需基站的数量也相应减少。尽管自适应阵列可能比传统的天线更昂贵，但基站数目的减少能急剧降低设备和运营无线网络的成本。自适应阵列使得蜂窝业务公司能更好地利用希缺的资源：分配给该公司的频谱。许多蜂窝网络正因用户数目的增多而过载：在某些拥挤的区域，有时候同时迸发的信号量超过了系统中有限数目的无线信道所能承载的数量。当通话掉话或者信号质量下降时，用户就能感受到这种紧张。由于自适应阵列允许同一基站覆盖范围内的一些用户同时使用同一无线信道，因此就增加了频谱的容量。相对于普通天线而言这种改进是显著的：对语音业务，配备有自适应阵列的基站的用户容量提高了6倍；对于数据业务，这一数字更是高达40倍。采用自适应天线阵列的结果是更好的服务和更少的干扰，除此之外还有较少的能量浪费和射频污染。

这样，我们就不会为自适应天线已经获得的商业应用感到吃惊。在日本、中国、泰国以及亚洲和非洲的其他一些地区，已有超过 15万的基站装备了使用爱瑞公司技术的天线阵列，为总计超过1500万人提供电话服务。自适应阵列在美国和欧洲的商业应用进展得

相对比较缓慢，这要部分归咎于电信业不景气所导致的对蜂窝网络新投资的削减。但是还是有一家美国制造商（佛罗里达州蒙特利尔的Airnet公司），正在生产使用爱瑞公司技术的蜂窝基站。同时英国的电信公司马可尼也正在开发一种包含自适应阵列的先进基站。

自适应阵列对无线数据网络而言也是一大福音。因为这种阵列能够使干扰最小化，所以在给定的频率范围内可以传送和接收更多的数据。一个装备有自适应天线阵列的基站能同时为40位用户提供速度高达每秒1M字节的数据服务，这大约是现有远程无线网络典型数据率的20倍。在此类网络中，并非所有的用户都在同时要求获得峰值数据率的服务，所以一个装备自适应天线阵列的基站可以为数千用户提供服务。自从1990年代末，电信业就开始欢呼无线因特网的到来。虽然新网络的发展速度并不像预期的那样快，但还是在逐步取得进展。随着无线运营商对3G网络（能以包的形式传递数据的下一代蜂窝系统）的继续追求，其他的公司也正在提供多种有竞争力的高速数据传输解决方案，其中有些解决方案就采用了智能天线并能在现有网络中使用。一个采用了爱瑞公司技术的数据网络正在澳大利亚悉尼运营着，类似的网络很快将在美国和韩国建立。美国德州Navini NetWork公司开发的自适应阵列，正在接受一些无线运营商的测试。一些大型电信设备执制造也准备在它们的下一代产品中采用智能天线技术。

在贝尔发明电话之后的近100年中，语音通讯始终依赖于呼叫者和网络间的物理链接（铜线或者同轴电缆）。只是在过去的30年里，蜂窝电话才开始让我们享受到一些无线通讯的自由。有了自适应天线阵列技术，终有一天无线运营商能以更低廉的价格提供比有线网络质量更好的服务。到那时，我们就从金属铜的牢笼中出来了。

三 章 智能天线技术的发展前景

未来无线系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术，因此未来智能天线设计

的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。

首先，在物理层的可重配置性方面，为了使无线通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中，需要在收发机中采用可重新配置的自适应技术来调节结构，从而获得最好的性能。

其次，在不同层之间的优化中，通过由模型定义的高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。可以通过结合物理层、链路层、网络层的参数来设计智能天线，使其具有一定的兼容性。智能天线技术在通信系统中的应用逐渐广泛，技术日益成熟，已经成为移动通信系统中最具有吸引力的技术之一，将在未来的通信发展中发挥更巨大的作用。

四 章 智能天线算法的实现

智能天线算法主要分为切换波束算法和自适应算法。在TD-SCDMA系统中，2种算法都有应用。TD-SCDMA通过采用波束赋形算法，形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准用户信号DOA，旁瓣或零陷对准干扰信号DOA，因此能充分利用移动用户信号并抵消或最大程度地抑制干扰信号，从而能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。

目前比较常用的波束赋形算法有2种：GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法，对于固定位置的用户，其波束指向是固定的，波束宽度也随天线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时，它通过测向确定用户信号DOA，然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大的同时，还要满足对其他用户干扰最小。

自适应算法与切换波束算法相比较，在很多方面诸如：最大化期望用户接收功率、减少对非期望用户的发射功率以及灵活适应各种不同天线阵列类型更有优势。同时，自适应算法在波束产生上并不拘于固定方向和形状，因而更加灵活并且可以更准确地对用户所在实际位置进行赋形。在多径环境下，指向用户的波束也可能会有多个，其根本目标是提高期望用户的载干比并避免对其他用户形成干扰。综合来看，自适应算法将会是智能天线波束赋形算法发展的方向。

五 章 采用软件无线电实现智能天线

智能天线需根据通信系统的传输特性和环境，选用不同的算法来调整波束，甚至改变系统的资源管理状态，为提高其运用弹性和灵活度，采用软件无线电（SDR）实现智能天线已成为主流趋势。软件无线电采用开放式架构，以硬件作为其通用的基本平台，通过软件完成功能性的重组，以满足不同环境、多模式、多功能的通信要求，同时具备可适应性信号处理、组件可程序化的能力。在此概念下，利用软件控制方式改变硬件特性的通信设备，均可视为软件无线电系统。软件无线电系统的发展方式类似于软件开发，系统中各个硬件组件模块可视为功能不同的对象（object），根据呼叫的不同启动相应的执行程序，因此可直接通过下载程序代码的方式来置换对象，即可显现在同一硬件平台上，可适应性的调整应用架构，借以提高系统的运用弹性和扩充能力，提供高效率、高弹性、高适应性的处理能力。因为不对硬件组态进行任何改变，所以系统具有易维护、易应用的操作环境。

鉴于未来无线通信系统的繁多，为使智能天线能配合系统进行平滑的技术演进，进而能更弹性地运用于多模系统中，软件无线电将是未来智能天线研制的重要系统架构。利用软件无线电实现智能天线系统示意如图所示。

软件无线电系统由不同的硬件模块所构成，其中包括可组态通信系统模块、基频处理

单元（含DSP及FPGA模块）、数字宽频收发单元（含模拟/数字转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC））、实时操作系统及智能天线单元等。运用软件无线电系统架构发展智能天线的最大挑战在于各种算法的建立。 六 章 在3G中的技术应用 在WCDMA和CDMA2000 中的应用。第3 代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务的系统。但是，它们还会像第2 代系统那样受到空中信道质量的。标准化组织已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用，并且在3G 标准中制订了相关的条款。如WCDMA 和CDMA2000 都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道，但是将要求使用智能天线系统。 对于WCDMA 和CDMA2000 系统而言，智能天线虽然是推荐配置，但是当今的一些WCDMA和CDMA2000 的基站产品已经开始支持智能天线了。 在TD- SCDMA 系统中的应用。TDSCDMA（时分同步的码分多址） 智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（ 无线环境和传输条件相同） 而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰，也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。TD- SCDMA 系统的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP( 数字信号处理器） 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。

由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在每一的方向上，系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP 控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量。在TD- SCDMA系统中，由于无线子帧的长度是5ms，则至少每秒可测量200 次，每用户的上下行传输发生在相同的方向，通过智能天线的方向性和跟踪性，可获得其最佳的性能。

TDD(时分双工) 模式的TD- SCDMA 的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此在上行和下行2 个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的，使得智能天线能将小区间干扰降至最低，从而获得最佳的系统性能。

七 章 智能天线的用途

智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位。

⑴抗衰落

采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减少信号衰落的影响。智能天线还可以用于分集，减少衰落。

⑵抗干扰

高增益、窄波束智能天线阵用于WCDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用实质是空间域滤波。

⑶增加系统容量

为了满足移动 通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。

⑷实现移动台定位

目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。

1886年，海因里希.赫兹（Heinrich Hertz）的终端加载偶极子发射天线和半波谐振环接收天线工作于8m波长。在德国卡尔斯鲁厄的赫兹实验室中，电感线圈在偶极子的间隙中所产生火花，导致相距数米远的的环隙中也产生了火花。这就是首个无线电链路，也就是最早的用于无线电的偶极子天线和环天线；1905年，古利莫.马可尼（Guglielmo Marconi）在英格兰波尔多架设的方锥天线，发射波长为1000m的信号；1980年，工作在厘米波长的甚大阵由27个直径各为25m的可转向抛面碟形天线组成，用于观测数亿光年以远的射电源。该阵列位于新墨西哥州索科罗附近的国立射电文天台；1985年，2000Km的中高度地球轨道上24颗全球定位卫星之一所装载的螺旋天线阵。工作在20cm波长，为地面或空中的客户提供所处位置的信息。

八 章 智能天线技术的特点及其优越性

在移动通信系统中，由于障碍物的反射作用，信号会在发射机和接收机之间多次反射辗转传播从而形成多径传播，被称为时延扩展。由于多径信号到达接收机的时间不同，将导致符号间干扰，将会严重地影响通信链路的质量。智能天线对信号的多径传播具有很好

的抑制作用。智能天线通过调整不同天线上信号的幅度和相位，使与参考信号强相关的信号增强，抑制与参考信号不相关的信号。智能天线通过抑制信号的多径传播可以改善链路的质量，并通过减小相互干扰来增加系统的容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。智能天线还可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益，增加覆盖范围改善建筑物中的信号接收质量；并且对高速率用户进行波束跟踪，起到空间隔离，消除干扰的作用。采用智能天线还可以提高系统设计时的灵活性

（1）提高系统容量

在蜂窝系统中，用户的干扰主要来自其他用户，而智能天线将波束零点对准其他用户，从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比，因此减少了频谱资源的复用距离，从而获得了更大的系统容量。

(2)扩大小区覆盖距离和范围

使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率，进一步扩大基站的通信距离，减少功率损失，从而延长电池的寿命，减小用户的终端。

(3)减少多径干扰影响

智能天线使用阵列天线，通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术，可以将多径衰落和其他多径效应最小化。

(4)降低蜂窝系统的成本

智能天线利用多种技术优化了信号的接收，从而能够显著降低放大器成本和功率损耗，

提高系统的可靠性，实现系统的低成本。

(5)提供新服务

智能天线在使用过程中必须对用户进行测向，以转自:http://www.21ks.net确定用户的位置，从而为用户提供基于位置信息的服务，如紧急呼叫等。目前，美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。

(6)更好的安全性

使用智能天线后，窃听用户的通话将会更加困难，因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。

(7)增强网络管理能力

利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情况，从而为实施更有效的网络管理提供条件。

(8)解决远近效应问题和越区切换问题

智能天线可自适应地调节天线增益，较好地解决了远近效应问题，为移动台的进一步简化提供了条件。在蜂窝系统中，越区切换是根据基站接收的移动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致越区转接，增加了网络管理的负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术，可以实时地测量和记录移动台的位置和速度，为越区切换提供更可靠的依据。

九 章 智能天线的技术现状

在分析智能天线理论的同时，国内外一些大学、公司和研究所分别建立了实验平台，将智能天线应用于实践中，并取得了一些成果。

(1)美国

在智能天线技术方面，美国较其他国家更加成熟，已开始投入实际应用中。美国的ArrayComm公司发展了针对GSM标准和日本PHS标准的智能天线系统。该公司已将智能天线应用于基于PHS标准的无线本地环路中，并投入了商业运行。该方案采用可变阵元配置，有12阵元、8阵元环形自适应阵列可供不同的环境选用，现场实验表明，在PHS基站采用智能天线技术可使系统容量增加4倍。

(2)欧洲

欧洲通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究，称为TSUNAMI，由德国、英国、丹麦和西班牙共同合作完成。它采用DECT标准，射频频率为1.GHz，天线由8个微带贴片组成。阵元距离可调、组阵方式可变，有直线型、圆环型和平面型3种形式。数字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片，它在软件上分别由MUSIC算法、NLMS、RLS完成测向和求得最佳的加权系数。在典型的市区环境下进行实验表明，该智能天线能有效跟踪的方向分辨率大约为15°，BER优于10-3。

(3)日本

ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局

为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率为1.5GHz。阵元组件接收信号在A/D变换后，进行快速傅氏变换，形成正交波束后分别采用恒模算法或最大比值合并分集算法，数字信号处理部分由10片FPGA完成。ATR研究人员提出了智能天线的软件天线概念。

(4)其他国家

我国的信威公司也将智能天线应用于TDD方式的WLL系统中。该智能天线采用8阵元的环形自适应阵列，射频工作于1785~1805MHz，采用TDD工作方式，收发间隔为10ms，接收机灵敏度最大可提高9dB。此外，爱立信公司与德国运营商也将智能天线应用于GSM基站上，但该天线的智能化程度不高。韩国、加拿大等国也开展了智能天线方面的研究。

(5)用于卫星移动通信的智能天线

上文主要介绍了基于蜂窝系统的智能天线，另外还有一种用于L卫星移动通信的智能天线。该天线采用了由16个环形微带贴片天线组成的一个4×4的方形平面阵，它的射频频率为1.2GHz，左旋圆极化，中频频率为32kHz，A/D变换器的采样速率和分辨率分别为128kHz和8位。在数字信号处理部分，选用了10个FPGA芯片，其中8个用于16个天线支路的准相干检测和快速傅里叶变换，另外2片则起到波束选择、控制和接口的作用；自适应算法则选择了CMA。系统的外场测试表明，它能产生16个波束来覆盖整个上半空间，并且不需要借助于任何传感器，就能用最高增益的波束来自动捕获和跟踪卫星信号，从而在各种复杂的环境下均能提供比采用其他天线要高得多的通信质量。

十 章 智能天线面临的挑战和发展方向

智能天线系统在改善性能的同时，也增加了收发机的复杂度。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较高，因此研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，而智能天线今后的研究必须同一些相关技术联系，如与多用户检测、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，今后还可以研究基于移动台的智能天线。在信号处理部分，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