談智能天線(xiàn)及其在無(wú)線(xiàn)通信中的應用

作者：石志誠 酈 榮 樊 彥 王世順

論文關(guān)鍵詞:智能天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信空分多址自適應天線(xiàn)應用

論文摘要:采用數字信號處理技術(shù)形成定向波束的智能天線(xiàn)，引起了無(wú)線(xiàn)通信工程技術(shù)人員的極大重視。作者在對天線(xiàn)傳統認識的基礎上闡述了智能天線(xiàn)的基本概念、特點(diǎn)、實(shí)現方法和應用前景。

一、概述

天線(xiàn)是實(shí)現電磁波傳播的必備器件:信號發(fā)射端利用天線(xiàn)實(shí)現電磁波輻射，信號接收端利用天線(xiàn)實(shí)現電磁波感應。因此，不論何種通信系統，只要它采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，就必須使用天線(xiàn)，而不論該系統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)或者什么調制技術(shù)。

隨著(zhù)通信的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，對所用器件、部件的要求也越來(lái)越高。智能天線(xiàn)正是適應通信發(fā)展而產(chǎn)生的新事物——在無(wú)線(xiàn)接入系統、衛星通信系統和移動(dòng)通信系統(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中，均有其重要應用，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(xiàn)還是起著(zhù)電磁波的輻射和感應作用，但是，智能天線(xiàn)是一個(gè)嶄新的概念。

二、常規天線(xiàn)與智能天線(xiàn)

按照分類(lèi)方法不同，常規天線(xiàn)(下文稱(chēng)天線(xiàn))有眾多的分類(lèi)。例如，若按振子形狀分類(lèi)，天線(xiàn)可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)和面狀天線(xiàn):后者有拋物面天線(xiàn)，卡什格侖賦形天線(xiàn)等(用于微波頻段);前者有布朗天線(xiàn)、J形天線(xiàn)、折合振子天線(xiàn)、八木天線(xiàn)、鞭狀天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)、菱形天線(xiàn)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(xiàn)又可分為無(wú)方向性天線(xiàn)(即全向性天線(xiàn))和定向性天線(xiàn):前者如外露偶極子天線(xiàn)、共軸天線(xiàn)等，其特點(diǎn)是當它們用于信號發(fā)射時(shí)，不論收信用戶(hù)位于何處，發(fā)射能量通過(guò)天線(xiàn)能作3600均勻分布;諸如角反射天線(xiàn)、角形反射器天線(xiàn)等則屬于定向性天線(xiàn)。此類(lèi)天線(xiàn)在一定方向上形成信號的發(fā)射或接收，能量的有效性較高。若按材料分，又有金屬天線(xiàn)和介質(zhì)天線(xiàn)之分。若按電場(chǎng)強度方向分類(lèi)，天線(xiàn)又有垂直極化、水平極化等之分。當然，天線(xiàn)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(xiàn)的構成比較簡(jiǎn)單，即使將用于與發(fā)射機、接收機相連的饋線(xiàn)算入，構成“天饋線(xiàn)系統”，但是，它依然是一個(gè)簡(jiǎn)單系統。

智能天線(xiàn)則是一個(gè)復雜的系統，而且隨著(zhù)性能要求的提高，智能天線(xiàn)也越加復雜?？梢哉J為智能天線(xiàn)是從自適應天線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的，但是二者之間有著(zhù)顯著(zhù)的差異:自適應天線(xiàn)主要用于雷達系統的干擾抵消，而且是干擾信號強度特大，數量又不多的場(chǎng)合。在無(wú)線(xiàn)通信系統中，主要基于多徑傳播的干擾，其幅度一般較小，但數量往往很大，尤其是電波在城市地面傳播時(shí)更是如此。這些差異導致在方向性圖的形成上，或者說(shuō)在信號的處理上有著(zhù)各自的特色。既然智能天線(xiàn)從自適應天線(xiàn)發(fā)展而來(lái)，所以智能天線(xiàn)有著(zhù)與自適應天線(xiàn)相類(lèi)似的結構，用于信號接收時(shí)的智能天線(xiàn)結構圖見(jiàn)圖1。就是說(shuō)，智能天線(xiàn)是由一個(gè)天線(xiàn)陣列和一組波束形成網(wǎng)絡(luò )(亦稱(chēng)聚束網(wǎng)絡(luò ))聯(lián)合構成的系統。所以，從硬件構成來(lái)看，將智能天線(xiàn)稱(chēng)為“智能天線(xiàn)系統”是可以理解的。

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

X(t)=W×S(t) (1)

其中，X(t)=[X1(t)，X2(t)…XN(t)]T。

若智能天線(xiàn)的天線(xiàn)陣列的方向性函數為fN(θ)，且當天線(xiàn)陣列選定以后，它就為定值。則X(t)將在天線(xiàn)遠區場(chǎng)產(chǎn)生的場(chǎng)強

E(θ，t)=∑XN(t)·fN(θ) (2)

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

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

智能天線(xiàn)波束形成網(wǎng)絡(luò )的作用是在天線(xiàn)陣列支援下，形成一系列極窄的信號傳輸通路——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通道。例如，當智能天線(xiàn)用于無(wú)線(xiàn)接入系統時(shí)，可以在基站(或中心站、轉發(fā)站)和用戶(hù)之間形成極窄的無(wú)線(xiàn)電波束通道。當智能天線(xiàn)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(zhù)用戶(hù)移動(dòng)而移動(dòng)。顯然，極窄波束的應用能提高發(fā)信功率的有效性，還能提高信號傳輸的信號干擾比?；蛘哒f(shuō)，在保證接收端信號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(xiàn)后，系統能在相同時(shí)隙、相同頻率、相同地址碼情況下，用戶(hù)仍可以根據信號不同的空間波束——空間傳播路徑加以區分。

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(xiàn)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用戶(hù)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有線(xiàn)傳輸的線(xiàn)纜如光纜、同軸電纜。

智能天線(xiàn)能實(shí)用于無(wú)線(xiàn)通信系統，而不論它們是公眾網(wǎng)還是專(zhuān)用網(wǎng)，也不論該系統采用何種技術(shù)標準。智能天線(xiàn)能適用于幾乎所有移動(dòng)通信協(xié)議和標準的情況，見(jiàn)表1。有些協(xié)議或標準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(xiàn)適用范圍很廣。

SDMA的實(shí)用也促使了系統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，同一基站范圍內的相同載頻可以多次復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，同頻復用系數可以越大，系統的頻率利用率就越提高，系統容量越大。同一小區兩個(gè)手機用戶(hù)同時(shí)占用同一頻道時(shí)，智能天線(xiàn)形成的方向性圖見(jiàn)圖2。圖中，智能天線(xiàn)形成的兩個(gè)主波束分別對準這兩個(gè)用戶(hù)(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、近端對遠端比干擾等)和噪聲的影響可以降低到很小。

采用智能天線(xiàn)后，同無(wú)線(xiàn)區不僅可以安排相鄰或鄰近頻率，甚至還可實(shí)現同頻復用，這極大地降低了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)早日投入使用。

智能天線(xiàn)的應用還可以極大地增強設備供應商的競爭能力，并且智能天線(xiàn)不受調制方式和空中接口協(xié)議的限制，它們能與現有的空中接口方式相適應。智能天線(xiàn)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。

當智能天線(xiàn)為某個(gè)具體用戶(hù)服務(wù)時(shí)，利用天線(xiàn)陣列發(fā)射或接收無(wú)線(xiàn)電波，利用波束形成網(wǎng)絡(luò )中的某些部分對用戶(hù)形成極窄的波束指向，而在其它方向上，智能天線(xiàn)能自適應地控制其方向性圖為零，這種性能又稱(chēng)為自適應調零功能。正是利用這種功能，可以將智能天線(xiàn)的副瓣或零信號區(也稱(chēng)零陷區)的幅度基本抑制掉，這也造就了智能天線(xiàn)有極好的抗干擾性能。

只要能把主波束做得極細，同一基站(或中心站)主波束數能做得足夠多，副瓣也能完全被抑制掉，那么，智能天線(xiàn)的應用至少在理論上解決了眾多無(wú)線(xiàn)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，或是我國提出的第三代移動(dòng)通信方案TD-SCDMA方案中都把智能天線(xiàn)作為特征技術(shù)闡述在內，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(zhù)重要意義。我們以815~821 MHz(移動(dòng)臺發(fā))和860~866 MHz(基站發(fā))這一集群系統專(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，但由于集群系統性能優(yōu)越，特別是它的調度功能強大，因而該系統特別受專(zhuān)用通信網(wǎng)歡迎，許多系統諸如電力、人防、交通、港口、民航等都想發(fā)展該系統，從而導致頻譜緊張。但是，一旦集群系統采用智能天線(xiàn)以后，頻譜緊張這一問(wèn)題將迎刃而解。

三、智能天線(xiàn)系統的構成

智能天線(xiàn)之所以能具備這些優(yōu)良性能，這同其系統構成有關(guān)，特別是波束形成網(wǎng)絡(luò )。波束形成網(wǎng)絡(luò )構成復雜，大體上可分為網(wǎng)絡(luò )處理系統和網(wǎng)絡(luò )控制系統兩部分，依照網(wǎng)絡(luò )處理和網(wǎng)絡(luò )控制的工作原理、結構不同，智能天線(xiàn)可分成波束切換型和自適應陣列兩種類(lèi)型。

波束切換型是指，智能天線(xiàn)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，也包括數量。確切地說(shuō)，這類(lèi)天線(xiàn)的波束數量有限。當智能天線(xiàn)服務(wù)于某用戶(hù)時(shí)，系統能自動(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(hù)，而不管所選波束的最大指向是否對準用戶(hù)，也就是說(shuō)用戶(hù)雖處在所選波束作用范圍，卻有可能不在最大方向上。而且，當用戶(hù)在移動(dòng)時(shí)波束卻是固定的，在用戶(hù)移動(dòng)到這種另一波束上時(shí)，系統會(huì )由此波束切換到另一波束上?；谙嗤?，另一波束也不保證其最大指向隨時(shí)指向用戶(hù)，這些特點(diǎn)構成了這類(lèi)智能天線(xiàn)的缺點(diǎn)，但是這類(lèi)天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單。

自適應陣列型智能天線(xiàn)能形成無(wú)限多波束，并能使用戶(hù)始終得到波束的最大指向。當用戶(hù)移動(dòng)時(shí)，波束也能作自適應改變。顯然，這種類(lèi)型的智能天線(xiàn)性能最佳，但其網(wǎng)絡(luò )控制系統相當復雜，還要求系統的實(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、精度高的自適應算法，以能快速調整波束的復數加權參數W。

目前，智能天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統使用的算法有最小、最大信號比、最小偏差等。它們又各有特點(diǎn)，因而在實(shí)際系統中常需要并用，以取長(cháng)補短，特別是在移動(dòng)通信和個(gè)人通信中。這是因為在這兩種通信系統中，電波傳播主要在地面，而地面的電波傳播環(huán)境很惡劣?；谥悄芴炀€(xiàn)性能極大地依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )系統軟件特性，因此智能天線(xiàn)也被稱(chēng)作“軟件天線(xiàn)”。

天線(xiàn)小型化和微帶天線(xiàn)的使用，使得天線(xiàn)陣列結構得以簡(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數字波束形成算法格外受到重視，因為這種算法能和高分辨率的測向算法統一起來(lái)，還能克服眾多因素造成的波束誤差。但是，此種算法的計算量大。

四、智能天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信中的應用

智能天線(xiàn)能用于很多種無(wú)線(xiàn)通信系統中，以提高系統性能。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。還應注意:移動(dòng)通信蜂窩小區正在向微型化、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(xiàn)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(xiàn)的使用，不論在專(zhuān)用移動(dòng)通信系統，例如集群系統、無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路，還是在公眾蜂窩系統，一改控制信道的發(fā)射方式——由全小區(或全扇區或全無(wú)線(xiàn)區)范圍內的輻射為跟蹤性的極窄波束輻射，全區內同頻可以多次復用，從而形成了智能無(wú)線(xiàn)區(智能小區、智能扇區)的新概念。因為智能天線(xiàn)具有跟蹤功能的固有性，無(wú)需通信系統另設“定位功能”，從而使采用智能天線(xiàn)的移動(dòng)通信系統、個(gè)人通信系統的越區切換產(chǎn)生了“智能切換”的又一個(gè)新概念。而且，智能天線(xiàn)的應用也降低了成本。目前國內在公眾移動(dòng)通信系統中雖然使用了性能優(yōu)良的單極化全向天線(xiàn)ANTEL BCD-87010、單極化定向天線(xiàn)ANTEL RWA-87027、雙極化天線(xiàn)DPS60-16 RSX和先進(jìn)的遙控電子傾角天線(xiàn)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，人們根據需要可以方便地調節天線(xiàn)傾角，以改善覆蓋和干擾，但是它們遠不能和智能天線(xiàn)相比。智能天線(xiàn)用于移動(dòng)通信系統時(shí)，主要用于基站的發(fā)和收。

應該承認，移動(dòng)通信和個(gè)人通信應用智能天線(xiàn)的難度較大，其原因在于移動(dòng)的多用戶(hù)、電波傳播的多路徑等因素造成了信號動(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(xiàn)應用較晚，而無(wú)線(xiàn)接入系統尤其是固定式無(wú)線(xiàn)接入系統卻較早應用。智能天線(xiàn)工作于TDD雙工方式的無(wú)線(xiàn)接入系統時(shí)，可以把上、下行鏈路的加權系數統一。但在上、下行頻率不同時(shí)，即采用FDD雙工方式時(shí)，則下行鏈路的加權系數在上行鏈路的加權系數基礎上，還需作適當處理。智能天線(xiàn)有望用于移動(dòng)市話(huà)，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(xiàn)也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等體制的無(wú)繩電話(huà)系統，都能改善它們的系統性能。

智能天線(xiàn)還可用于衛星移動(dòng)通信系統，例如用于L波段的衛星移動(dòng)系統的智能天線(xiàn)就是用16單元、環(huán)形分布的微帶天線(xiàn)陣列和一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò )構成，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(xiàn)陣列的準相干檢測和快速傅立葉變換。

智能天線(xiàn)還用于各種專(zhuān)用通信網(wǎng)和軍事通信等無(wú)線(xiàn)通信系統，以改善系統性能。正是由于智能天線(xiàn)具有重要的應用價(jià)值，所以國內外許多大學(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、結語(yǔ)

智能天線(xiàn)對提高專(zhuān)用網(wǎng)和公眾網(wǎng)通信系統容量、抗干擾能力，提高通信質(zhì)量以及實(shí)現同一地址的各專(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形成的難度大，影響因素多，因此智能天線(xiàn)雖已用于固定式無(wú)線(xiàn)接入、衛星通信、軍事通信等系統中，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(guān)消息。例如某國外公司已2000年6月在上海移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行智能天線(xiàn)實(shí)用試驗。所用天線(xiàn)類(lèi)型為波束切換型。試驗結果表明，確實(shí)提高了網(wǎng)絡(luò )的整體性能。另?yè)V東消息稱(chēng)，該省移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )將在充分試驗的基礎上，引入智能天線(xiàn)，以大幅度提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量等級和滿(mǎn)足用戶(hù)數量劇烈增長(cháng)的要求。

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