智能天線技術的起源和發展

李立

智能天線技術在20世紀60年代就開始發展，其研究對象是雷達天線陣。而真正的發展是在20世紀90年代初，以微計算機和數字信號處理技術為基礎。到20世紀90年代中，美國和中國開始考慮將智能天線技術使用于無線通信系統。1997年，北京信威通信技術公司開發成功使用智能天線技術的SCDMA無線用戶環路系統；美國Redcom公司則在時分多址的PHS系統中實現了智能天線，以上是最先商用化的智能天線系統。同時，在國內外眾多大學和研究機構也開始研究多種智能天線的波束成形算法和實現方案。在1998年，電信科學技術研究院代表我國電信主管部門向國際電聯提交的TD.SCDMARTT建議和現在成為國際第三代移動通信標準之一的CDMA TDD技術（低碼片速率選項），就是第一次提出以智能天線為核心技術的CDMA通信系統，在國內外獲得了廣泛的認可和支持川。歐洲進行了基于DEC基站的智能天線的初步研究，于1995年開始現場實驗，實驗系統驗證了智能天線的性能。目前通常將這種過程分為以下三個階段

第一階段：開關波束轉換。在天線端預先定義一些波瓣較窄的波束，根據信號的來波方向實時確定發送和接收所使用的波束，達到將最大天線增益方向對準有效信號，降低發送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區天線和智能天線之間，實現運算較為簡單，但是性能也比較有限。

第二階段：自適應（最強）信號方向。根據接收信號的最強到達方向，自適應地調整天線陣列的參數，形成對準該方向的接收和發送天線方向圖。這是動態自適應波束成形的最初階段，性能優于開關波束轉換，同時算法也較為復雜，但是還未達到最優的狀態。

第三階段：自適應最佳通信方式。根據得到的通信情況的信息，實時地調整天線陣列的參數，自適應地形成最大化有用信號、最小化干擾信號的天線特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提高系統無線頻譜的利用率。但是其算法復雜，實時運算量大，同時還需要進一步探尋各種實際情況下的最佳算法。

智能天線通常包括多波束智能天線和自適應陣智能天線。智能天線最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領域。近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經可以為現代通信系統所接受。同時，利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統的可靠性與靈活程度，智能天線技術因此開始在移動通信中得到應用。不同于常規的扇區天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區域發送和接收，充分利用了信號發射功率，降低了信號全向發射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統的時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式：空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分。智能天線相當于空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號彼此問干擾。智能天線可以通過模擬電路方式實現：首先根據天線方向圖確定饋源的激勵系數，然后確定饋源的饋電網絡即波束形成網絡。由于饋電布線呈矩陣狀，實現很復雜，隨著陣元數目增加，更增加電路復雜度。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：提高頻譜利用率。采用智能天線技術代替普通天線，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。迅速解決稠密市區容量瓶頸。未來的智能天線應能允許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。

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。

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。如果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。

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，用兩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值、加強自身競爭力的必然手段。（作者單位：中國電信股份有限公司青海分公司網絡運行維護事業部）