移动通信系统的智能天线技术的工作原理分析

智能天线（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。

智能天线提高系统性能的原理

智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判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，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。

现在，简要地介绍一下智能天线如何克服无线通信中的时延扩展和多径衰落来提高系统的性能和容量。设天线阵列的不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。如果定义“天线增益”为在一定输出信噪比的情况下所需要输入信号功率的降低，“分集增益”为在有衰落的情况下给定误码率所需要输入信噪比的降低，那么一般来说，M元的天线阵列可以提供M倍的天线增益加上一个分集增益，具体提高的值决定于天线阵元间的相关性。

首先我们考虑多波束天线。多波束天线是在一个扇区内放置多个天线来覆盖整个扇区，每个天线只覆盖一部分角度范围。扇区天线的另外一个优点就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，这样在下行方向也可以获得M倍的天线增益。但扇区天线由于其自身的构成形式，有下面缺点：相邻天线之间重叠的部分由于天线增益比较小，会有2dB的降低；当由于多径或干扰而错误地锁定天线波束时，多波束天线能提供的增益很小。

自适应天线阵列中，各天线元的放置形式可有多种，相邻天线元间距为一特定值。在接收信号到达天线阵时，每个阵元上的信号经过不同的加权，然后再叠加产生一个输出信号，加权系数和叠加可以根据不同的准则。需要注意的是，自适应天线的阵元必须具有相似的波束，而在多波束天线中则没有这样的要求。与多波束天线相似，一个M元自适应天线阵可以提供M倍的天线增益，但它没有波束之间部分重叠的缺点。M元自适应天线阵列可以完全抑制N（N〈M）个干扰用户，即使在N＞M时也可以获得很大的增益。尽管自适应天线较多波束天线有更多优点，但自适应天线计算加权系数的速度必须与衰落速率相当才能跟踪用户（注意到3G中衰落速率将达到1000Hz）。然而，多波束天线波束之间的切换只要几秒钟一次即可。

自适应天线阵列用在无线系统中一个关键问题是在视距（LOS）和非视距（NLOS）情况下的性能差异。在视距情况下，对接收到的信号进行加权、合并后产生一个天线图案，它的主波束方向就指向目标用户，而在其它方向上抑制干扰用户。此时，若天线阵元数大于到达的信号数，可以用信号处理中MUSIC、ESPRIT等现代谱估计算法来估计信号的到达角度，这样一个阵列至少可以在M－1个方向上形成方向图零点。在非视距情况下，无线信号的到达经由了多次反射和多个途径（两条不同路径之间的相对时延大的必须作为两条独立的路径）。自适应天线在多径环境的一个重要特点就是能够抑制干扰用户而不管其到达的方向，也就是说，即使干扰用户和所有用户只相距几英寸，自适应天线阵也能抑制干扰用户。这是由于在多径环境中天线周围的物体就是一个巨大的反射天线，使得接收天线阵列能够区分不同用户的信号。特别是若接收阵元间距足够大，阵列能够形成比扩展角度小的波束。能够区分的信号数随天线阵元数、角度扩展，在扩展角度内多径反射密度的增加而增加。从这个意义上来说，多径是一个有利的因素。但由于时延扩展，自适应天线把时延信号作为干扰信号而进行抑制。M元的自适应天线可以抑制M－1时延信号，这是一个很不利的因素。为了充分利用接收到的信号，我们可以在每个天线阵元上加一个时域的处理，比如自适应均衡或RAKE接收，然后再进行自适应波束形成。

天线波束的实现方式