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智能天线技术的发展与应用
作者：林辉
来源：电信网技术
日期：2007-07-16 11:15:33
摘要：移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视，智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。本文首先介绍了智能天线的概念，以及它在提高无线系统能力（容量、覆盖和新业务等）方面的应用价值。在此基础上，文章的第二部分对智能天线的工作原理和技术的发展情况进行了描述。由于目前3G是我国在通信系统应用研究方面的重点，因此本文的后续部分对智能天线技术在3G各种通信制式中的应用进行了重点讨论。除了TD-SCDMA已经将智能天线的应用列入标准化以外，文章中引用了一些在FDD情况下应用智能天线的研究和现场试验结果，说明了该技术在WCDMA和cdma2000的应用前景。
1 引 言
移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视，智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。本文首先介绍了智能天线的概念，以及它在提高无线系统能力（容量、覆盖和新业务等）方面的应用价值。在此基础上，文章的第二部分对智能天线的工作原理和技术的发展情况进行了描述。由于目前3G是我国在通信系统应用研究方面的重点，因此本文的后续部分对智能天线技术在3G各种通信制式中的应用进行了重点讨论。除了TD-SCDMA已经将智能天线的应用列入标准化以外，文章中引用了一些在FDD情况下应用智能天线的研究和现场试验结果，说明了该技术在WCDMA和cdma2000的应用前景。
2 智能天线简介
随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。对于第二代移动通信系统GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已经很小，而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点，这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务，充分体现3G系统在业务能力上的优势，网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一，尤其对于3G中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。
天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站侧，我们下面讨论的智能天线也指的是在基站上的应用。
目前，基站普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。
如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有用信号、最小化干扰信号、在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高容量以及与之相关的其它方面的能力（例如覆盖、获取用户位置信息等）。
3 智能天线的工作原理与发展情况
天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。图2为一个智能天线结构的示例图。
智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。
由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有很高的要求。这决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程，目前通常将这种过程分为以下三个阶段：
●第一阶段：开关波束转换。在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。
●第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。
●第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。
目前，对于智能天线的应用主要集中在第二阶段附近，并且由于移动通信的迅速发展，使得智能天线技术在包括3G的应用中受到广泛的重视，解决智能天线在实际应用中的各种问题，以及寻求更加“智能”的自适应算法和实现方案是目前工作的重点和主要内容。下面我们讨论智能天线技术在3G各个通信标准中的应用前景，以及相关的试验参考结果。
4 智能天线在3G中的应用前景
3G普遍采用基于CDMA的多址接入技术，依靠码字之间的正交性来区分不同的用户，因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、TDD系统中的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。同时，在理论分析的基础上，大量的仿真和现场试验结果也证明了：在3G通信系统中，网内干扰将超过系统固有的热噪声，成为制约系统性能的主要因素。在干扰和容量这一对矛盾的基础上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已经得到共识，成为3G网络规划和运营的主要特点。
在业务特性上，3G以高速的数据业务、视频电话和能力得到增强的增值业务作为其对2G系统形成服务优势的主要手段，这必然使得3G具有大得多的网络流量。但是与2G系统一样，它的容量同样受到空中频谱资源的限制。我们注意到，理论上在相同条件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的频谱利用率。因此，为了能够真正体现3G系统在业务能力上的优势，必须使用新技术使频谱利用率得到质的提高，智能天线技术正是目前被认为是能够实现这一目标的最有效的方法之一。它通过增加系统SDMA（空分多址）的能力，能够有效地缓解3G系统中容量与网内干扰之间的矛盾，很大程度地提高系统对空中无线频谱资源的利用能力。
我国提出的TD-SCDMA标准，由于其空中接口采用TDD的双工方式，通信的上下行信道使用相同的频率，因此以很短的时隙间隔相互交错的上下行信道之间具有较强的相关性，这样比较容易根据上行信道的接收情况对下行信道的发送特性进行准确的调整，因此TD-SCDMA成为3G标准中最方便于使用智能天线的一个技术，并且已经进行了标准化，将智能天线作为其主要的关键技术之一。另外，对于3G中使用FDD方式的WCDMA和cdma2000，由于上下行信道使用不同的频率，并且具有较大的频差（在我国的3G频率划分中，主要工作频段上下行的频差为190MHz），因此上下行信道之间的相关性较弱，加上城区中复杂的无线传播环境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行链路理想的发送方案是比较困难的，对算法的复杂度也有更高的要求。但是由于对系统性能改善方面的重要作用，所以关于FDD系统中智能天线的使用也在不断研究和尝试中。
在英国进行的TSUNAMI Ⅱ项目，在DCS1800系统的基础上，通过使用8副各自由8个元素构成的天线阵列对智能天线在宏蜂窝和微蜂窝网络中的性能情况进行了现场试验，对各种自适应算法进行了比较，并且发布了如下的一些试验结果：
（1）在宏蜂窝的网络结构中，当信号到达方向相差10度以上的时候，通过使用智能天线，系统获得了达到30dB的载干比增益，覆盖范围增加了54%；
（2）在宏蜂窝的网络结构中，通过使用8元素的智能天线，系统容量增加了300%；
（3）微蜂窝的网络结构下智能天线的性能增益不如宏蜂窝的情况，但大部分自适应算法也能够取得相当的性能增益。需要对微蜂窝的情况进行更深入的研究。
在此之后的SUNBEAM项目把在DCS1800系统上的试验结果进行了扩展，对智能天线在3G WCDMA中的应用进行了研究；与此同时，在美国、日本和韩国等地方也报告了关于智能天线性能的相关试验和研究结果。
5 结束语
移动通信用户量的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量成为网络建设，尤其是未来3G网络建设中需要重点考虑的问题。单纯地依靠增加基站（使用微蜂窝增加频率的复用度），无论从成本和性能表现方面都已经不再是最好的选择方案。在这种情况下，智能天线技术的引入，将通过增加系统在空间上的分辨能力，从更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率。与其它所有的先进技术一样，智能天线技术的发展也是一个伴随着算法研究和硬件升级的循序渐进的过程。由于对其重要作用的认识，近年来在世界范围内开展了大量的研究和试验工作，取得了丰硕的成果，目前基本上已经开始了实际的应用阶段，实际使用中的各种问题也在逐步得到解决。当前，我国正在对下一代移动通信系统的实际应用能力进行大规模的研究和试验，智能天线技术无疑也将成为讨论的热点之一，希望本文能够为相关方面的工作和研究人员提供一定的参考。
参考文献
1 Per H. Lehne and Magne Pettersen, “An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems”, IEEE Communications Surveys, vol. 2, pp. 2–13, 1999
2 杜志敏,薛强,吴伟陵,“智能天线技术简介”,《邮电商情》
3 Dave Greenaway, “Overview of the TSUNAMI Ⅱ project”, ERA Technology, UK
4 Dave Greenaway, “Overview of the SUNBREM project”, ERA Technology, UK
5 M. Sawahashi and S.Tanaka, “Experiments on adaptive antenna array diversity transceiver for base station application in W-CDMA mobile radio”, Antennas and Propagation Society International Symposium, 2000 IEEE, vol.2, pp.578 –582
移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视，智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。本文首先介绍了智能天线的概念，以及它在提高无线系统能力（容量、覆盖和新业务等）方面的应用价值。在此基础上，文章的第二部分对智能天线的工作原理和技术的发展情况进行了描述。由于目前3G是我国在通信系统应用研究方面的重点，因此本文的后续部分对智能天线技术在3G各种通信制式中的应用进行了重点讨论。除了TD-SCDMA已经将智能天线的应用列入标准化以外，文章中引用了一些在FDD情况下应用智能天线的研究和现场试验结果，说明了该技术在WCDMA和cdma2000的应用前景。
2 智能天线简介
随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。对于第二代移动通信系统GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已经很小，而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点，这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务，充分体现3G系统在业务能力上的优势，网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一，尤其对于3G中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。
天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站侧，我们下面讨论的智能天线也指的是在基站上的应用。
目前，基站普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。
如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有用信号、最小化干扰信号、在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高容量以及与之相关的其它方面的能力（例如覆盖、获取用户位置信息等）。
3 智能天线的工作原理与发展情况
天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。图2为一个智能天线结构的示例图。
智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。
由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有很高的要求。这决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程，目前通常将这种过程分为以下三个阶段：
●第一阶段：开关波束转换。在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。
●第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优的状态。
●第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。
目前，对于智能天线的应用主要集中在第二阶段附近，并且由于移动通信的迅速发展，使得智能天线技术在包括3G的应用中受到广泛的重视，解决智能天线在实际应用中的各种问题，以及寻求更加“智能”的自适应算法和实现方案是目前工作的重点和主要内容。下面我们讨论智能天线技术在3G各个通信标准中的应用前景，以及相关的试验参考结果。
4 智能天线在3G中的应用前景
3G普遍采用基于CDMA的多址接入技术，依靠码字之间的正交性来区分不同的用户，因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、TDD系统中的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。同时，在理论分析的基础上，大量的仿真和现场试验结果也证明了：在3G通信系统中，网内干扰将超过系统固有的热噪声，成为制约系统性能的主要因素。在干扰和容量这一对矛盾的基础上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已经得到共识，成为3G网络规划和运营的主要特点。
在业务特性上，3G以高速的数据业务、视频电话和能力得到增强的增值业务作为其对2G系统形成服务优势的主要手段，这必然使得3G具有大得多的网络流量。但是与2G系统一样，它的容量同样受到空中频谱资源的限制。我们注意到，理论上在相同条件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的频谱利用率。因此，为了能够真正体现3G系统在业务能力上的优势，必须使用新技术使频谱利用率得到质的提高，智能天线技术正是目前被认为是能够实现这一目标的最有效的方法之一。它通过增加系统SDMA（空分多址）的能力，能够有效地缓解3G系统中容量与网内干扰之间的矛盾，很大程度地提高系统对空中无线频谱资源的利用能力。
我国提出的TD-SCDMA标准，由于其空中接口采用TDD的双工方式，通信的上下行信道使用相同的频率，因此以很短的时隙间隔相互交错的上下行信道之间具有较强的相关性，这样比较容易根据上行信道的接收情况对下行信道的发送特性进行准确的调整，因此TD-SCDMA成为3G标准中最方便于使用智能天线的一个技术，并且已经进行了标准化，将智能天线作为其主要的关键技术之一。另外，对于3G中使用FDD方式的WCDMA和cdma2000，由于上下行信道使用不同的频率，并且具有较大的频差（在我国的3G频率划分中，主要工作频段上下行的频差为190MHz），因此上下行信道之间的相关性较弱，加上城区中复杂的无线传播环境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行链路理想的发送方案是比较困难的，对算法的复杂度也有更高的要求。但是由于对系统性能改善方面的重要作用，所以关于FDD系统中智能天线的使用也在不断研究和尝试中。
在英国进行的TSUNAMI Ⅱ项目，在DCS1800系统的基础上，通过使用8副各自由8个元素构成的天线阵列对智能天线在宏蜂窝和微蜂窝网络中的性能情况进行了现场试验，对各种自适应算法进行了比较，并且发布了如下的一些试验结果：
（1）在宏蜂窝的网络结构中，当信号到达方向相差10度以上的时候，通过使用智能天线，系统获得了达到30dB的载干比增益，覆盖范围增加了54%；
（2）在宏蜂窝的网络结构中，通过使用8元素的智能天线，系统容量增加了300%；
（3）微蜂窝的网络结构下智能天线的性能增益不如宏蜂窝的情况，但大部分自适应算法也能够取得相当的性能增益。需要对微蜂窝的情况进行更深入的研究。
在此之后的SUNBEAM项目把在DCS1800系统上的试验结果进行了扩展，对智能天线在3G WCDMA中的应用进行了研究；与此同时，在美国、日本和韩国等地方也报告了关于智能天线性能的相关试验和研究结果。
5 结束语
移动通信用户量的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量成为网络建设，尤其是未来3G网络建设中需要重点考虑的问题。单纯地依靠增加基站（使用微蜂窝增加频率的复用度），无论从成本和性能表现方面都已经不再是最好的选择方案。在这种情况下，智能天线技术的引入，将通过增加系统在空间上的分辨能力，从更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率。与其它所有的先进技术一样，智能天线技术的发展也是一个伴随着算法研究和硬件升级的循序渐进的过程。由于对其重要作用的认识，近年来在世界范围内开展了大量的研究和试验工作，取得了丰硕的成果，目前基本上已经开始了实际的应用阶段，实际使用中的各种问题也在逐步得到解决。当前，我国正在对下一代移动通信系统的实际应用能力进行大规模的研究和试验，智能天线技术无疑也将成为讨论的热点之一，希望本文能够为相关方面的工作和研究人员提供一定的参考。
参考文献
1 Per H. Lehne and Magne Pettersen, “An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems”, IEEE Communications Surveys, vol. 2, pp. 2–13, 1999
2 杜志敏,薛强,吴伟陵,“智能天线技术简介”,《邮电商情》
3 Dave Greenaway, “Overview of the TSUNAMI Ⅱ project”, ERA Technology, UK
4 Dave Greenaway, “Overview of the SUNBREM project”, ERA Technology, UK
5 M. Sawahashi and S.Tanaka, “Experiments on adaptive antenna array diversity transceiver for base station application in W-CDMA mobile radio”, Antennas and Propagation Society International Symposium, 2000 IEEE, vol.2, pp.578 –582
