移动通信中的天线技术(3)

３．自适应天线阵
　　自适应天线阵（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ），最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，如相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。自适应天线是通过反馈控制方式连续调整本身方向图的天线阵，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。一般采用４？１６个天线阵元结构，阵元间距１／２波长，间距过大则各接收信号相关程度降低，间距过小则会在方向图形成不必要的副瓣。智能天线采用数字信号处理技术（ＤＳＰ）识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束，提供空间信道。由于自适应天线能形成不同的天线方向图，并且可以用软件设计完成自适应算法更新，自适应地调整方向图，可以在不改变系统硬件配置的前提下，增加系统灵活性，所以又被称为软件天线。自适应天线阵的缺点是算法较复杂，动态响应速度较慢。

　　自适应天线研究的核心是自适应算法，目前已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则，比如最优的迫零准则（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有ＭＭＳＥ（最小均方误差）、ＬＭＳ（最小均方）和ＬＳ（最小二乘）等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是一类较特殊的盲算法，收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。盲算法一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源，将两者结合的有一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做一方面可综合两者的优点，一方面也是与实际的通信系统相一致的，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

　　需要注意的是，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，但当用户没有发射，仅处于接收状态时，又是在基站的覆盖区域内移动（空闲状态），基站是不可能知道该用户所处的方位，只能使用全向波束进行发射（如系统中的同步、广播、寻呼等物理信道），即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来，对全向信道来说，将要求高得多的发射功率，这是系统设计时所必须考虑的。

　　４．智能天线的应用实例

　　目前已经有一些智能天线投入了商用，如上海联通使用了美国Ｍｅｔａｗａｖｅ公司的ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ智能天线系统，取得了良好的效果。ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ天线属于多波束智能天线，它用４个３０°天线代替一个１２０°扇面天线。系统依靠专利的最佳波束选择算法转换发射和接收波束。射频能量在每一时隙在一指定的３０°波束内而不是整个１２０°扇面中作下行线发射，所以同信道干扰在邻近蜂窝中大大减少。同样，对接收同信道干扰的开放波束也有效地从１２０°减到３０°。这样，相对于单一１２０°扇面天线，３０°天线有效地降低了４倍的同信道干扰，理论上相当于６ｄＢ的Ｃ／Ｉ改善。这个增益使得通信信道的上行（手机－基站）和下行（基站－手机）都得到了改善。在上行方面，安装了智能天线系统的小区的载干比得到了增加；而在下行方面，原有的那些可视范围内的同频小区的载干比得到了增加。如果要保持原有的Ｃ／Ｉ值，则可以采用更密集的频率复用方式，从而提高了系统容量。ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ执行波束转换，无须与基站的额外通信，所以ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ系统的安装不增加基站通信负荷。事实上，由于无效试呼以及干扰或不良覆盖引起的重拨减少，基站处理器的负荷也降低了。此外，在测试中还发现在使用了智能天线的小区中，不仅小区中的网络容量和质量都得到有效地提高，小区中手机的平均接收功率和发射功率都下降了２－３ ｄＢ，尤其是手机的发射功率，下降为原来的５４％，而手机以满功率发射的比率也从２２％下降到８％。ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ智能天线通过降低手机的收发功率减少了手机电磁波对人体的辐射，并通过提高网络的容量和质量，减少了小区中所需建立的新基站，因此有"绿色天线"之美称。

三、结束语

　　天线作为移动通信的重要组成部分，在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。天线技术发展迅速，天线的分集技术是提高系统增益的一个重要手段，分集方式有空间分集和极化分集等多种；为了工程和维护的方便，出现了可电调倾角的天线；为了保证天线方向图不变形扭曲，发展了内置倾角天线。尤其近年的智能天线更是代表了移动通信天线技术的发展方向，它已经在实际应用中表现出了极大的优势，但在加快波束赋型响应速度及切换等方面还需进一步的研究和改进。