智能天线及其应用

一、序

随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生

用于基台的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积。或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境与用户和基台的最佳空间匹配通信。

用于手机的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电波对人体影响。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，它将是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救助等。天线的空间分集可以克服快衰落，显着提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。

近年来国内外不少公司在开发智能天线方面投入了大量人力物力，有些已开始进入实用阶段。如：Nortel SmartBTS - GSM, MetaWave SpotLight, ArrayComm IntelliCell, Celwave Smart System - AMPSc Hazeltine IAS - AMPS, Ericsson and Lucent - IS- 136, NTT DoCoMo等。AT&T公司采用带功率控制的开关多波束天线组成智能天线，在1.9 GHz频段上进行了实验。

二、空分信道和智能天线

智能天线是一个天线阵列，如图1所示。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。根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：

1. 自适应方向图智能天线

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。