智能天线的工作原理是什么？

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随着移动用户数量的快速增加，特别是在中国人口密度大的城市，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已成为制约持续发展的瓶颈，随着用户数量的增加，问题将变得越来越严重。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，有两种方法得到了广泛的认可：一种是移动运营公司调整基本网络的组成，增加基站和社区的数量。该方法需要相对巨大的基础设施投资，干扰问题更加突出；二是扩大频谱带宽，需要更高的频率资源成本，频率资源有限，频谱带宽不能无限扩展。基于这一现实，智能无线技术应运而生。智能无线技术最大的优点是可以大大提高现有无线网络的容量，所需的经济成本相对合理。

基本原理：智能天线采用空分多址技术(SCDMA),利用信号在传输方向上的差异，区分相同频率、间隙和码道的信号，最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵列和基于基带的数字信号处理技术组成。

下图描述了智能天线的工作TDD方式CDMA基站的示意框图。与没有智能天线的传统基站相比，它的射频部分由一个天线阵和一组收发信机组成，而基带信号处理部分的硬件基本相同。必须注意的是，这组收发信机将使用相同的振动源，以确保这组收发信机是相关的。

每个射频收发信机都有ADC和DAC,将接收到的基带模拟信号转换为数字信号；将待发射的数字信号转换为模拟基带信号。所有接收和接收的数字信号都通过一组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器连接。

多个用户终端的信号是多址干扰、衰落、多传播和多谱勒频移，以及其他干扰和白噪声。第n时刻输出图中第一个接收器S i(n)表示。每个码道的接收数据可以通过解扩和相应的数字信号处理获得。如果以X j i(∫)表示第j码道第∫智能天线的总接收数据为：

其中:W其矩阵元素是上行波束赋形矩阵W ij(∫)。

智能天线的下一步是实现其下行波束赋形，下行波束赋形∫符号可以表示为Y j(∫)。通过智能天线的下行波束赋形(调整基站各发射机发射的信号的范围和相位)，第一天线阵元发射的信号可以表示为:

其中:U为元素的U j i(∫)下波束赋形矩阵。显然，为了获得最佳的接收效果，我们必须找到一个好的上波束形成算法，即W矩阵；为了获得最佳信号，我们必须找到一个好的下波束形成算法，即U矩阵。必须注意的是，当要求波束形成矩阵时，只知道天线阵列的几何结构和各种接收器收到的信号。在这方面，学术界做了大量的工作，可以采用多种算法，其主要限制是基带信号处理能力和对系统实时性的要求。

即使是最大功率合成算法作为简化的特例W=X,获得成形，在TDD在模式系统中，如果构成智能天线系统的射频收发信机是全方位的，由于上下波传输条件相同，上波束赋形矩阵可以直接用于下行U=W。

TD-SCDMA天线采用环形天线阵，8个完全相同的天线元素均匀分布在半径为r的圆上。智能天线的功能由天线阵和连接的基带数字信号处理部分共同完成。智能天线的仰角辐射图与每个天线元相同。在360°为了消除干扰，波束也可以在干扰处设置零点，零点的天线辐射电平比最大辐射方向低40点左右 dB。

现状及其发展方向：在日本，我们可以看到许多智能天线的例子。一些运营商使用该技术，网络容量甚至提高了6倍；该技术也适用于3G在某些国家，网络WCDMA在网络中，利用智能无线技术将城市的无线网络容量提高了3倍，甚至在郊区提高了6倍。由于我国大城市的人口密度普遍较高，因此提高无线网络容量对运营公司来说尤为重要。在提高无线网络容量的同时，也相应提高了覆盖范围。由于采用智能无线技术，提高了社区的信号质量，减少了邻近社区的干扰，也扩大了覆盖范围。根据试验数据，如果是在WCDMA采用智能无线技术，城市覆盖范围可扩大1倍，郊区可扩大3倍。智能无线技术的干扰缓解机制也有好处：由于整体噪声水平的降低，信号功率可以集中在特定的用户终端上，基站和用户终端只需要较小的发射功率就可以达到相同的信号质量水平。虽然智能无线技术需要配置多个天线，因此增加了功率放大器的数量，但更重要的是，功率放大器的发射功率大大降低，单价大大降低；由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高，使用多个低功率放大器大大节省了投资，提高了整个功率放大器系统的可靠性。

智能天线(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初用于雷达、声纳和军用通信。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP随着芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，利用数字技术在基带中形成天线波束是可行的，推动智能天线技术广泛应用于无线通信。由于智能天线可以显著提高系统的性能和容量，提高天线系统的灵活性，几乎所有先进的移动通信系统都将在未来使用。

天线在移动通信系统中起着发射和接收空间电磁坡的重要作用。天线性能直接影响移动通信系统的性能。

智能天线系统(smart antenna system)具有提高移动通信系统容量、质量、减少干扰的功能。目前，移动通信系统正处于大力发展移动数据通信业务、逐步向第三代移动通信过渡的阶段，需要解决提高载波与干扰的比例（称为载干比，C/1)实现提供更高数据传输速率和增加系统容量的目标。智能天线系统的应用将在实现上述两个目标中发挥重要作用。

智能天线是将无线电信号引向特定方向的先进技术，使无线电频谱的利用率更高，信号传输更有效。所谓先进技术，主要是指波束转换技术和自适应空间数字处理技术。智能天线有波束转换智能天线和自适应智能天线。智能天线分为多波束天线和自适应天线阵列两类。多波束天线用多个并行波束覆盖整个用户区方向固定，波束宽度也根据天线元的数量确定。当用户在社区中移动时，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。由于用户信号不一定在波束中心，当用户位于波束边缘和干扰信号位于波束中心时，接收效果最差，因此多波束天线不能实现最佳信号接收，通常仅用作接收天线。但与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无需确定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构，阵元间距为半波长。天线阵元分布有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以接收和发送用户信号。采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向的自适应天线阵列系统，并在天线主波束。下面简单介绍一下两个智能天线:

1.波束转换智能天线智能天线是在分区传输途径的概念上发展起来的。这种天线将现用的全向天线或1200方向天线改为多个分区的窄波束(通常是15°～30°)天线。由于移动通信系统基站天线系统覆盖面积大，大部分天线功率在无效电波传输中丧失。窄波束天线缩小了覆盖面积，从而相对提高了信号的强度。例如,30°窄波束的覆盖面积只有1200天线覆盖面积的四分之一()，因此接收同频道区域干扰的窗口也缩小到四分之一。原则上，窄波束天线接收到的干扰也减少到四分之一，相当于将载波干扰比提高6分贝。

窄波束天线系统需要数字信号处理(DSP)该技术继续选择该地区每个移动手机的最佳波束，以确保波束转换可以在任何间隙内实现（根据全球移动通信系统的标准，间隙的长度为0.57毫秒）。该技术称为波束转换技术(swithched beam technology)而这种智能天线又称波束转换智能天线。

2.自适应智能天线自适应智能天线系统实现话务负荷平衡的原理。它用自适应空间数字处理技术测量不同波束的信号强度，动态改变各风扇区域的波束宽度和方向角，以适应电话负荷分布的变化。图2左图显示三个扇区负荷不平衡，b区域负荷最轻，自适应放宽波束宽度，承受原c区负荷；c区自适应改变方向角，转向原a区，分担a区部分负荷，支撑a区负荷过大，实现话务负荷平衡。自适应智能天线系统比波束转换智能天线具有更先进的系统性能，但由于技术复杂、成本高，实际应用较少。

近年来，智能天线技术已成为移动通信中最具吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术利用信号在传输方向上的差异，区分同频率、同间隙、同码道的信号，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向天线相比，上下链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减少了与社区其他用户和相邻社区用户的干扰，也减少了移动通信通道的多径效应。CDMA该系统是一个功率有限的系统。智能天线的应用实现了提高天线增益和减少系统干扰的两个目的，显著扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

本质上，智能天线利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用(SDMA)提高系统容量和频谱利用率的功能。TD-SCDMA充分利用了系统CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA这四种多址方法的技术优势使系统性能最佳化。

智能天线的核心在于数字信号处理部分，使天线阵列产生定向波束指向用户，并自动调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是识别信号的方向和实现数字分配。

TD-SCDMA智能天线由8个完全相同的天线元素均匀分布在半径为R的圆上组成。智能天线的功能由天线阵和连接的基带数字信号处理部分共同完成。智能天线的仰角辐射图与每个天线元相同。方向角的方向图由基带处理器控制，根据通信用户的分布，可同时产生多个波束°任意赋形范围内。为了消除干扰，波束赋形也可以在干扰处设置零点，零点的天线辐射电平比最大辐射方向低40点左右dB。TD-SCDMA使用智能天线N=8时，单振子天线的增长分别大于无方向单振子天线dB(接收)和18dB(发射)。每个振子的增加Powerex代理益为8dB，天线的最大收益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益远大于接收增益，因此传输不对称IP非常适合下载大型业务信息等数据。

智能天线(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA无线接入系统的核心技术之一。利用时间双工(TDD)在基站使用智能天线技术，使上下射频信道完全对称。通过对每个天线元及其连接的接收器中相关接收到的终端信号的反应，获得信号的空间特征矢量和矩阵，获得信号的功率估值和到达方向(DOA)在此基础上，可以计算每个天线阵元中下行信号的权重，解决天线上下波束赋形、消除多址干扰、抗多径干扰、平衡等问题。该系统为每条码道产生天线波束，实现空分多址(SDMA)。结果不仅增加了通信距离，而且简化了信号处理的复杂性大大降低了干扰，增加了系统容量。

智能天线最初仅用于雷达、声纳和军事通信。近年来，随着微电子技术的快速发展，智能天线技术已成功应用于移动通信系统，通过无线数字信号的高速时空处理，大大提高了频谱的使用效率。

智能天线的基本思想是：天线动态跟踪多个高增益窄波束的多个预期用户。在接收模式下，窄波束以外的信号受到抑制。在发射模式下，预期用户接收的信号功率最大，窄波束照射范围以外的非预期用户干扰最小。智能天线利用不同的用户空间位置来区分不同的用户。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA),智能天线引入第四种多址方式：空分多址(SDMA)。也就是说，在相同的间隙、相同的频率或相同的地址代码下，仍然可以根据不同信号的中间传输路径进行区分。

智能天线分为多波束天线和自适应天线阵列两类。

多波束天线使用多个并行波束覆盖整个用户区域，每个波束的方向是固定的，波束线元的数量。当用户在社区中移动时，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。多波束天线不能实现最佳信号接收，通常只用作接收天线。但与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无需确定用户信号到达方向的优点。

自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号的接收和发送。自适应天线阵列一般采用4-16天线阵列结构，阵列间距为半波长。自适应阵列天线技术可扩大系统覆盖面积，提高系统容量，提高数据传输速率，提高频谱利用效率，降低基站发射功率，节约系统成本，减少信号间干扰和电磁环境污染。