李榮 楊峰

    在向第3代移動通信系統(3G)發展過程中，迅速增加的業務量和有限的頻譜資源之間的矛盾日益突出。運營商迫切希望提高系統的頻譜利用率從而提供更大的容量，智能天線正是解決這個矛盾的核心技術之一。從智能天線原理入手，結合實際應用中的復雜度、使用成本等因素，重點介紹了智能天線在3G系統中的應用，并具體分析了它的優勢和存在的問題。最后針對國內移動通信市場的現狀，得出結論：在即將到來的第3代移動通信系統中，智能天線必將出現美好的應用前景。

    要害詞 第3代移動通信 智能天線 自適應算法

    隨著移動通信的蓬勃發展，用戶數量迅速增加，頻譜資源越來越緊張，如何利用現有頻譜資源進一步擴展容量已成為移動通信發展的要害問題。智能天線技術能夠降低系統干擾，提高系統容量和頻譜效率，因此受到業界的廣泛關注。

    1、智能天線原理概述

    智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數加權器，最后用相加器進行合并輸出。這種結構的智能天線只能完成空域處理。同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對較復雜，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網絡(結構上與時域有限沖擊響應均衡器相同)。自適應或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自適應更新調整。

    智能天線的基本原理是：天線以多個高增益窄波束動態地跟蹤多個期望用戶，在接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制，在發射模式下，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。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區分不同用戶的。不同于傳統的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)，智能天線引入第4種多址方式：空分多址(SDMA)，即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據信號不同的中間傳播路徑而區分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現組合的多址方式，例如空分？碼分多址(SD-CDMA)。智能天線與傳統天線概念有本質的區別，其理論支撐是信號統計檢測與估計理論、信號處理及最優控制理論，其技術基礎是自適應天線和高分辨陣列信號處理。

    2、智能天線在3G系統中的應用

    歐、日、美等國非常重視智能天線技術在未來移動通信方案中的地位與作用，已經開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術試驗平臺。歐洲通信委員會(CEC)在RACE(researchintoadvancedcommunication in europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術研究，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。日本的ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。而美國的ArrayComm公司和中國電信科學研究院信威公司也研制出應用于無線本地環路(WLL)智能天線系統。我國也早已將研究智能天線技術列入國家863-317通信技術主題研究中的個人通信技術分項，許多專家及大學正在進行相關的研究。

    2.1在WCDMA和CDMA2000中的應用

    第3代系統被設計為一個可以提供相當高速的數據業務的系統。但是，它們還會像第2代系統那樣受到空中信道質量的限制。標準化組織已經熟悉到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用，并且在即將出臺的3G標準中制訂了相關的條款。如WCDMA和CDMA2000都答應在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導頻信道，但是將要求使用智能天線系統。

    對于WCDMA和CDMA2000系統而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產品已經開始支持智能天線了。

    2.2在TD-SCDMA系統中的應用

    TD-SCDMA(時分同步的碼分多址)智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性(無線環境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線可減少小區間干擾，也可減少小區內干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統的頻譜效率。

    TD-SCDMA系統的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應的收發信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產生強方向性的輻射方向圖，使用DSP(數字信號處理器)使主瓣自適應地指向移動臺方向，就可達到提高信號的載干比，降低發射功率等目的。智能天線的上述性能答應更為密集的頻率復用，使頻譜效率得以顯著地提高。

    由于每個用戶在小區內的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP控制用戶的方向測量使上述要求可以實現。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量。在TD-SCDMA系統中，由于無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200次，每用戶的上下行傳輸發生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。

    TDD(時分雙工)模式的TD-SCDMA的進一步的優勢是用戶信號的發送和接收都發生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的，使得智能天線能將小區間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統性能。

    3、對系統性能的改善及需解決的問題

    3.1智能天線對系統性能的改善

    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。具體體現在下列方面：

    1)提高頻譜利用率。采用智能天線代替普通天線，提高小區內頻譜復用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎上增加系統容量，降低運營商成本。

    2)迅速解決稠密市區容量瓶頸。智能天線應能答應任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區的無線網絡容量。

    3)抑制干擾信號。智能天線對來自各個方向的波束進行空間濾波。它通過對各天線元的激勵進行調整，優化天線陣列方向圖，將零點對準干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統質量，提高了系統可靠性。對于軟容量的CDMA系統，信干比的提高還意味著系統容量的提高。

    4)抗衰落。高頻無線通信的主要問題是信號的衰落，普通全向天線或定向天線都會因衰落使信號失真較大。假如采用智能天線控制接收方向，自適應地構成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。

    5)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。通過此方法，用2個基站就可將用戶終端定位到一個較小區域。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(averagerevenueperuser)值、加強自身競爭力的必然手段。

    3.2在實際應用中需要解決的問題

    智能天線技術對無線通信，非凡是CDMA系統的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統時，必須考慮所帶來的問題，并在標準和產品設計上解決這些問題。

    3.2.1全向波束和賦形波束

    上述智能天線的功能主要是由自適應的發射和接收波束賦形來實現的，而且接收和發射波束賦形是依據基站天線幾何結構、系統的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統性能是非常直接的；但在用戶沒有發射、僅處于接收狀態下，又是在基站的覆蓋區域內移動時(空閑狀態)，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發射(如系統中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發射功率，這是系統設計時所必須考慮的。

    3.2.2智能天線的校準

    在使用智能天線時，必須具有對智能天線進行實時自動校準的技術。在TDD系統中使用智能天線時是根據電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環境條件等因素變化。假如不進行實時自動校準，則下行波束賦形將受嚴重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優勢，甚至完全不能通信。

    3.2.3智能天線和其他抗干擾技術的結合

    目前，在智能天線算法的復雜性和實時實現的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動環境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數字信號處理技術結合使用，才可能達到最佳的效果。這些數字信號處理技術包括聯合檢測(jointdetection)、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯合檢測或干擾抵消的結合已有實用的算法，而和Rake接收機的結合算法還在研究中。

    3.2.4設備復雜性的考慮

    顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數目的增加而增加。但是增加天線陣元的數量，又將增加系統的復雜性。此復雜性主要是基帶數字信號處理的量將成幾何級數遞增?，F在，CDMA系統在向寬帶方向發展，碼片速率已經很高，基帶處理的復雜性已對微電子技術提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數量不可能太多。按目前的水平，天線元的數量在6？16之間。

    4、結論

    考慮到國內不同的移動通信網絡現狀，對即將得到3G牌照的各個運營商來說，將會采用不同的3G標準和不同的演進道路，但智能天線將是運營商共同的選擇。

    對于原本就沒有建設2G移動通信網絡的運營商來說，建設全新的網絡非常適宜。假如選擇建設TD-SCDMA系統，作為其核心技術，智能天線憑借其提高系統容量、減小移動臺發射功率等方面的優勢，將會有效地降低運營商的投資并提高其經濟收益。而對于已經建設GSM或CDMA網絡的運營商，分別過渡到WCDMA和CDMA2000系統將是最佳選擇。對這些運營商而言，智能天線雖然只作為一種推薦配置，但是它可以顯著提高無線網絡的容量，由于我國大城市的人口密度一般都很高，因而這一優勢對我國的運營商尤其重要。與此同時，由于智能天線技術的使用，提高了小區的信號質量，減少了鄰近小區的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。而智能天線技術的干擾緩解機制對系統也有改善：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶終端，基站和用戶終端僅僅需要較小的發射功率就能夠達到同樣的信號質量水平。盡管智能天線技術要求配置多個天線，增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發射功率有較大的減少，功率放大器的單價大大下降；由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高昂，所以使用多個低功率放大器反而大大節約了投資，同時還提高了整個功放子系統的可靠性。

    綜上所述，在即將到來的第3代移動通信系統中，大部分運營商都將采用智能天線技術來提高系統的性能和容量，有充分的理由相信，智能天線必將出現美好的應用前景。(寧一 編輯)