公诚管理咨询有限公司 510000
摘要：智能天线作为提高移动通信系统性能的关键技术，它能够对信号的接受和发射进行自适应波束，以大大降低系统内的干扰，提高系统容量，降低发射功率并提高接收灵敏度。在大大提高系统性能的同时，还可以降低设备的成本。本文首先介绍了智能天线的基本原理，分析了系统性能的改善以及移动通信系统的应用。
关键词：移动通信；智能天线；波束成型
近年来，智能天线技术已经成为现代移动通信中研究的热门技术，目的是为了充分利用空域资源，提高系统的性能和容量，移动通信中信道传输条件较恶劣，信号在到达接收端前会经历衰减"衰落和时延扩展。因此，（智能天线）通过使移动通信系统的容量和通信质量得到较大的提高，可望为移动通信的发展注入新的活力。
一、智能天线的基本原理
智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列，利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户信号，并抑制干扰信号的目的。智能天线类似一个空间滤波器，发射机把高增益天线波束对准通信中的接收机，这样既可增大通信距离，又可减少对其他方向上接收机的干扰；接收机把高增益天线对准通信中的发射机，可增大接收信号的强度，同时把零点对准其他干扰信号的入射方向，可滤除同道干扰和多址干扰，从而提高接收信号的信干比。智能天线利用了天线阵列中各单元间的位置关系，即利用了信号间的相位关系，这是与传统分集技术的本质区别。现有的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）分别在频域、时域和码组上实现用户的多址接入，而智能天线采用了第四维多址———空分多址（SDMA）技术。智能天线能识别信号的来波方向（DOA），从而实现在相同频率、时间和码组上用户量的扩展
图1为典型的智能天线结构图。它由天线阵列、A/D和D/A转换、自适应处理器和波束成型网络组成。自适应处理器是根据自适应空间滤波/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值，波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生希望的自适应波束。从接受的角度来看，基站利用智能天线对来自移动台的多径电波方向进行波达方（DOA）估计，在确定移动用户位置的基础上进行空间滤波（上行波束成型），抑制其他移动台和多径干扰。从发送的角度看，基站利用智能天线对下行波束成型，使基站发射信号能够沿着移动台的来波方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。智能天线技术主要包括两个方面：波束成型和波达方向（DOA）估计。
二、自适应波束系统
2.1 自适应波束成型技术
智能天线核心问题是波束成型技术，因此自适应波束成型算法是人们研究智能天线的关键，它决定智能天线暂态响应的速率和数字信号处理的复杂性。按照算法是否利用参考信号可将自适应算法分为盲算法、非盲算法和半盲算法。盲算法无须参考信号或导频信号，而是充分利用调制信号本身固有的与具体承载信息比特无关的一此特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法（CMA）、子空间算法、判决反馈算法等。非盲算法是指借助参考信号的算法。发送时的参考信号是预知的，对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则（如迫零准则）确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值（即算法模型的抽头系数），以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内。典型的非盲算法有：基于梯度的最小均方（LMS）算法，递归最小二乘（RLS）算法，差分最陡下降（DSD）算法等。半盲算法是将盲算法和非盲算法结合产生一种算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样可综合二者的优点，同时也与实际的通信系统相一致，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。
波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳组合与分配。软件无线电系统采用数字波束成型（DBF），使用软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配置的前提下增加系统灵活性。根据波束成型的不同过程，实现智能天线的方式分为两种：阵元空间处理方式和波束空间处理方式。阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样并进行加权处理后，形成阵列输出，使天线方向图主瓣对准用户信号到达方向，天线阵列各阵元均参与自适应调整；波束空间处理方式包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成指向不同方向的波束，第二级对第一级输出进行自适应加权调整并合成，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数，而是只对部分阵元作自适应处理，其特点是计算量小、收敛快，并且有良好的波束保形性能，如图
图2自适应波束形成器
三、智能天线对移动通信系统的改善
在移动通信环境条件下，复杂的地形、建筑物的结构都会对电波的传播产生影响，大量用户间的相互作用也会产生时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰等，从而会使通信质量受到影响。采用智能天线可以有效地解决这些问题。智能天线采用空分多址技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。
3.1提高移动通信系统容量。
智能天线是通过使天线主波束对准期望用户信号到达方向；旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向而提高了载干比，而载干比决定了系统容量，因此载干比的提高也就意味着系统容量的提高。
3.2抗衰落，增加基站的覆盖区域。
移动通信的一个主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大，采用智能天线控制接受方向，自适应地构成波束的方向性，降低信号衰落的影响。采用智能天线还可以增加分集增益，这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度，或增加了基站发射机的等效各向同性辐射功率。因此在同等发射功率的条件下，基站可以接收到更远的信号，增加了基站的覆盖区域。
3.3抑制干扰信号。
抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。
3.4降低系统成本。
在同等发射功率的情况下，采用智能天线的基站能够覆盖更大的区域。因此，在要求同等覆盖的情况下，可以用低功率的放大器代替昂贵的高功率放大器，从而大大降低成本。此外，还能降低对电源的要求，增加可靠性。
3.5实现移动台定位，增加增值业务。
采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域，从而获得移动用户的方位信息，同其他技术配合实现对移动用户的无线定位。
结语
在未来，智能天线技术作为第四代移动通信关键技术之一。智能天线技术带给移动通信系统的优势是其它技术都难以取代的，虽然智能天线具有许多优点，但由于其在硬件和算法方面的复杂性，要大规模的商用，还存在许多实际问题。目前，智能天线技术本身也在发展进步，并不断和其他信号与信息处理技术互相结合，如与联合检测、软件无线电、功率控制和OFDM技术等结合在一起，使它在移动通信得到更有效的利用。另外，智能天线可以降低多径干扰、同频干扰，提高系统灵敏度与系统容量，因此智能天线技术成为当前移动通信的研究热点。
参考文献
[1]谢完成，智能天线的波束形成算法与实现[J].通信技术.2009（01）
[2]吴伟陵，移动通信中智能天线自适应算法简介[J].微波学报.2004（03）
[3]荆雷，智能天线在移动通信中的应用[J].邮电设计技术.2004（04）
论文作者:严建伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/11
标签：天线论文; 波束论文; 信号论文; 智能论文; 算法论文; 自适应论文; 干扰论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;