最近幾年來, 隨著全球移動通信業務的迅速發展。 對于移動通訊中所要求的信號傳輸強度也越來越高，由于覆蓋范圍的增大和傳輸數據的增多，對網絡的傳輸和接收都提出了更高要求，智能天線能很好的解決這方面的問題，因此智能天線 也越來越受到人們廣泛的關注。智能天線最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域, 后來被引入移動通信系統。智能天線目前已經廣泛被應用于時分雙工(TDD)中的PHS系統。雖然在FDD系統里,如GSM、CDMA、W-CDMA以及CDMA2000中應用智能天線難度更大, 但由于近年來在技術方面取得突破, 使得智能天線在FDD中的應用成為趨勢而備受關注。

智能天線通常包括波束轉換智能天線(Switched Beam Antenna) 和自適應陣列智能天線(Adaptive Array Antenna)。自適應陣列智能天線利用基帶數字信號處理技術, 通過先進的算法處理, 對基站的接收和發射波束進行自適應的賦形, 從而達到降低干擾、增加容量、擴大覆蓋和提高無線數據傳輸速率的目的。目前,自適應陣列智能天線已經成為智能天線發展的主流。

智能天線的特征及優勢

智能天線由多個天線單元組成，不同天線單元對信號施以不同的權值，以形成多個不同方向的波束。每一個天線單元后接一個加權器，最后用相加器進行合并輸出。智能的主要含義是指這些加權系數可以根據一定的自適應算法進行調整。智能天線的基本思想是：天線以多個高增益窄波束動態地跟蹤多個期望用戶，接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制；發射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。具體而言，應用智能天線的移動通信系統呈現以下四個方面的特點：形成多個波束，最簡單的情況是基站的智能天線形成多個波束覆蓋整個小區；形成自適應波束，在用戶結隊移動或沿限定路線（如在高速公路上）移動時尤其有效；形成波束零點，智能天線在其陣列方向圖上形成對準同頻MS的波束零點有助于減小收發兩個方向上的同頻干擾；構造動態小區，使用智能天線可以改變小區邊界，從而能隨著業務需求的變化為每個小區分配一定數量的信道，即實現信道的動態分配。

智能天線可以明顯改善無線通信系統的性能，提高系統的容量。智能天線給移動通信系統帶來的優勢是：擴大系統的覆蓋區域，增加通信覆蓋距離；增加系統容量；提高頻譜利用效率；降低基站發射功率，節省系統成本，減少信號間干擾與電磁環境污染。智能天線還可用于分集，減少衰落，實現移動臺定位，采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。由于目前蜂窩移動通信系統只能確定移動臺所處的小區，因此移動臺定位的實現可以使許多與位置有關的新業務得以方便地推出，而發展新業務是目前移動運營商提升ARPU值、加強自身競爭力的必然手段。

智能天線的應用

智能天線的發展也有四五十年的歷史了，隨著移動通訊技術及業務的發展，到今天智能天線也取得了長足的發展，且廣泛應用于全球的移動通信之中。

現在的2G移動通信系統，已經廣泛采用了智能天線。PHS、GSM和CDMA可以看做是2G移動通信系統, 其中，PHS為時分雙工TDD模式, 即收發頻率共用，而GSM和CDMA均為FDD模式, 收發頻率之間要間隔一定的頻率。目前，在PHS中自適應陣列天線技術比較成熟, 應用十分泛。PHS系統的通信距離有限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術, 可以提高覆蓋, 而且可以降低成本。 在GSM系統中,目前有ArrayComm和愛立信推出了自己的解決方案. ArrayComm在與美國Airnet的合作中推出了具有自適應陣列天線功能和軟件無線電功能的GSM基站。愛立信在德國Mannesman公司的GSM的網絡中曾進行過試驗。

智能天線也廣泛用于無線本地環路系統，在TDD模式的無線本地環路系統中，基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行下行波束賦形，達到最佳接收效果。由于本系統采用TDD方式，可將上行波束賦形數據直接用于下行發射信號，實現對下行波束的賦形。天線波束自適應賦形改善了接收靈敏度和基站發射功率，擴大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。ArrayComm公司和中國郵電電信科學研究院信威公司研制出應用于無線本地環路(WLL)智能天線系統。ArrayComm產品采用可變陣元配置，有12元和4元環形自適應陣列可供不同環境選用。ArrayComm的WLL系統可以提供15公里的覆蓋和上千用戶的容量。

智能天線在MIMO系統中也廣泛應用，在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，它的天線以讓因為接收器也有多幅天線，因此它可以通過檢測不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下，發送器可以發送兩個完全不同的數據流，從用戶看來相當于將數據速率提高了一倍。與單獨的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態下具有材料上的優勢，這種MIMO優勢的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高信道效率和質量。 MIMO系統能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環境中存在這些空間維數，對這一點的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數據流。因此MIMO性能與系統應用環境中多徑的豐富程度密切相關,在許多環境中存在足夠多支持多個并行數據流的散射和多徑傳播。

在當前移動通訊世界里，最為熱門也是廣為人知的第三代移動通信技術及網絡就是3G了，采用智能天線技術可提高第三代移動通信系統的容量及服務質量，W－CDMA系統就采用自適應天線陣列技術，增加系統容量。目前ArrayComm與英國馬可尼公司正在合作開發具有自適應陣列天線功能的基站。愛立信宣稱將在其W-CDMA基站中提供自適應陣列智能天線。郎訊也曾公布, 其第三代移動通信基站中將采用郎訊自主開發的IA-BLAST智能天線技術。 

智能天線在我國的應用

在第三代移動通信系統中，我國TD-SCDMA系統是應用智能天線技術的典型范例。TD-SCDMA系統采用TDD方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統具有精確定位功能，可實現接力切換，減少信道資源浪費。 目前，在CDMA2000中應用智能天線技術也有了進展。CDMA發展組織(CDG)已經發布了一個關于智能天線的文件，“智能天線在CDMA系統中的業務描述, 用戶需求和系統功能”。由此開始了推動智能天線在CDMA系列技術中的應用。TD-SCDMA技術是中國在其通信史上第一次提出并被廣泛認可的國際標準，是世界上惟一的TDD模式的3G標準，將獨自享有ITU為TDD模式所分配的3G頻率。TD-SCDMA標準所具備的技術優勢恰恰符合了中國國情現狀發展第三代移動通信的要求，是建設中國3G網絡系統的最佳方案。


3G系統采用智能天線技術可提高其容量及系統服務質量，WCDMA系統就采用自適應天線陣列技術，增加系統容量。由我國大唐電信提出并擁有較多的基本專利的TD－SCDMA系統是應用智能天線技術的典型范例。TD－SCDMA系統采用TDD方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。TD－SCDMA系統采用了智能天線、聯合檢測等一系列要害技術。智能天線用于波束的賦形，從而在基站和用戶之間建立起一條能量相對集中的無線鏈路，大大降低系統干擾，提高系統容量。聯合檢測充分利用所有用戶的擴頻碼、幅度、相位等信息，能同時消除多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）。智能天線和聯合檢測雖然都能抑制系統干擾，但各有側重，智能天線在抑制區間干擾方面的能力要遠遠高于聯合檢測，而聯合檢測在抑制區內干擾方面的能力優于智能天線，兩者需要配合使用。同時，智能天線技術對CDMA移動通信系統的性能提高和成本下降都有很大的作用。

寫在最后

天線技術是當前移動通信發展的要害技術之一，也是瓶頸之一，是目前最有活力、最富有挑戰性的學術和技術領域。一方面，對天線的各種要求，如小體積、寬頻帶、多頻段、高方向性及低副瓣等不斷提出；因此新的材料，如陶瓷介質材料、超導天線等不斷出現；新的天線形式，如金屬介質多層結構、復合縫隙陣、各種陣列天線等不斷產生。另一方面，在目前電磁環境日益惡化的情況下，將空間信號和時間信號處理結合，采用智能天線和軟件無線電技術是解決需求和可能矛盾的根本出路。自適應天線已經歷了40多年的發展歷史，有了長足的進步。但是，智能天線的發展必將在更高層次上、更廣泛的內涵上將無線通信帶入新的時代。 隨著技術的成熟，相信智能天線會為無線通信帶來更高層次的變革。