智能天线技术改善频谱使用效率

随着无线通信业的高速发展及无线通信用户的飞速增长，市场对无线通信技术的不断改进和更新提出了更高的要求。而如何提高无线频谱的使用效率则是近些年来各种新技术所面临解决的核心问题。尤其是当我国全面进入WTO后，移动通信产业随着同世界全面接轨，将面临新的挑战。目前，频率资源的投入已成为全球各运营商资金投入成本的重要组成部分。可以预言，在我国，频率资源不再无偿使用的日子已为期不远了。因此，如何采取新技术提高有限频率资源的使用效率已成为人们日益关注的课题。全球第一部移动手机的研发者，被誉为"世界手机之父"的马丁·库珀先生曾经说过"我们并不缺乏频率，我们缺乏的是频率的使用效率。"近些年来，随着微电子技术的高速发展，智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用于移动通信系统，并通过对无线数字信号的高速时空处理，极大的改善了无线信号的传输，成倍地提高了系统的容量和覆盖范围，从而极大的改善了频谱的使用效率。 

一、智能天线的原理 

智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，后来被引入移动通信系统中。智能天线通常包括波束转换智能天线(Switched Beam Antenna) 和自适应阵列智能天线(Adaptive Array Antenna)。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。目前，自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。 

移动通信信道传输环境较恶劣。实际环境中的干扰和多径衰落现象异常复杂，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）、 FDMA TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系统中的MAI（Multiple Access Interference）等都使链路性能、系统容量下降。 

自适应阵列天线技术是近30年中最先进的无线技术之一，它利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束即最大增益点对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的（如图1所示）。使用自适应阵列天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、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、节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等。 

图1 自适应阵列天线基本原理图

图2 天线系统增益图

自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低；太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD中, 如美国ArrayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线的阵元间距为5个波长。间距宽而波束更窄，而PHS系统中采用TDD模式,因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都比较少，因而不会带来不利的影响。 

阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线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。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。 

虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备，但自适应阵列天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加噪声比最大。基带处理部分采用复杂的自适应算法。目前已经有多种有关时域和空域的算法提出，如通过时域获得天线最优加权算法有：最小均方算法(LMS) 、取样协方差矩阵的直接求逆(DMI)、递归最小均方误差(RLS)算法、恒模(CM)算法等；通过在空域对频谱进行分析以获得信号到达方位角(DOA)估计的算法有：多信号分类法(MUSIC)算法、旋转不变技术信号参数估计法(ESPRIT)算法等。

下图为自适应智能天线实现的简单原理图： 

图3 自适应天线阵列系统结构图

二、空分多址技术（SDMA）的核心——自适应天线技术 

近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并