智能天线技术在移动通信中的应用

滕碧红

（闽西职业技术学院电气系，福建 龙岩364021）

在时域、频域、码域资源被充分挖掘之后，为了满足无线通信系统容量进一步扩大的迫切需求，空域资源的开发自然地进入人们的视线，智能天线技术、多天线技术等天线技术应运而生，并且成为各类通信系统的关键技术之一。

1 智能天线概述

1.1 智能天线的基本原理

智能天线是一种能够根据所处的电磁环境来调节或选择自身参数，从而使通信系统保持最佳性能的天线技术。智能天线技术是在阵列天线理论、微波和射频技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理技术、软件无线电技术和集成电路技术等多个研究领域的基础上综合发展而成的一门新技术。［1］智能天线采用空分多址技术（SDMA），利用信号在传输方向上的差异，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。

1.2 智能天线的分类

根据智能天线工作原理的不同，智能天线可以分为：多波束智能天线和自适应智能天线。

（1）多波束智能天线

多波束智能天线主要采用波束转换技术，因此，也称为波束转换天线。它在对用户区进行分区（扇区）的基础上，使天线的每个波束固定指向不同的分区，使用多个并行波束就能覆盖整个用户区，从而形成了形状基本不变的天线方向图。当用户在小区中移动时，根据测量各个波束的信号强度来跟踪移动用户，并能在移动用户移动时适当地转换波束，使接收信号最强，同时较好地抑制了干扰，提高了服务质量。可以说，多波束天线是介于扇形定向天线与自适应智能天线之间的一种技术。

（2）自适应智能天线

自适应智能天线原名叫自适应天线阵列，是一种安装在基站现场的双向（既可接收又可发送）天线。它基于自适应天线原理，采用现代自适应空间数字处理技术，通过选择合适的自适应算法，利用天线阵的波束赋形技术动态地形成多个独立的高增益窄波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，同时旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，以增强有用信号、减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比，同时增加系统的容量和频谱效率［2］。从空分多址技术角度来说，它是利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，从而最大限度地利用有限的信道资源，增加系统的容量和提高频谱效率。

从双向天线的角度来讲，智能天线包括两个重要组成部分：一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。

1.3 智能天线在移动通信中的作用

（1）提高系统容量。智能天线采用了空分多址技术，利用空间方向的不同进行信道的分割，在不同的信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。

（2）降低系统干扰。智能天线技术可以借助有用信号和干扰信号在入射角度的差异，选择合适的天线接收模式，即将波束的主瓣对准有用信号，波束的旁瓣或零陷对准主要的干扰信号方向，从而更有效地抑制干扰。

（3）减小多径效应。在CDMA 系统中利用RAKE接收机可对时延差大于一个码片的多径信号进行分离和相干合并，而借助于智能天线可以对时延不可分但角度可分的多径信号进一步分离，从而更有效地减小多径效应。

（4）扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能，因此与普通天线相比，在同等发射功率的条件下，采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离，从而增加了覆盖范围。

（5）降低系统建设成本。由于智能天线技术容易实现较大增益，也就是能够实现扩大覆盖区域，因此基站的建设数量可以相对减少，降低了运营商的建设成本。

（6）实现移动台定位。智能天线的另一个用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度。在陆地移动通信系统中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线单元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的精确方位。如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，而且还可开发更多的增值业务。

2 智能天线在移动通信系统中的应用

（1）智能天线在FDMA系统中的应用

在FDMA系统中采用智能天线后，与传统天线覆盖的三扇区基站相比，载干比（C/I）值平均提高约8 dB，大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由7改善为4，减小了同频复用距离，提高了频率复用系数，也就提高了频谱利用率，增加了系统容量。而且在网络优化时，采用智能天线技术可有效地降低无线通信掉话率和越区切换失败率。

（2）智能天线在TDMA系统中的应用

在TDMA系统中，无线能量在时间和空间上都受到限制，如采用智能波束切换则可提高载干比（C/I）指标。如果采用4个30°天线代替传统的120°天线，载干比（C/I）值可提高约6 dB，有效地提高了系统的服务质量。在满足GSM系统载干比（C/I）值最小的前提下，提高频率复用系数，也就提高了频谱利用率，增加了系统容量。

（3）智能天线在CDMA系统中的应用

在CDMA系统中，智能天线可进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区；通过智能天线灵活的辐射模式和定向性，可进行软/更软切换控制；智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，提高系统性能。

（4）智能天线在无线本地环路系统中的应用

在无线本地环路系统中，基站对收到的上行信号进行处理，获得该信号的空间特征矢量，进行上行波束赋形，达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式，可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号，实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益，改善了接收灵敏度和基站发射功率，扩大了通信距离，并在一定程度上减少了多径衰落的影响。

（5）智能天线在DECT、PHS等系统中的应用

DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时，采用和评估了多种自适应算法，并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明，采用智能天线可减少基站数量。

（6）智能天线在第三代移动通信系统中的应用

采用智能天线技术可有效地提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。

a.在TD－SCDMA系统中的应用

在第三代移动通信系统中，我国的TD－SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TD－SCDMA系统的智能天线是由8个完全相同的天线元素均匀分布在一个半径为R的圆上组成的环形天线阵［3］。在上行链路中，智能天线起最大功率比合并的作用，结合联合检测技术实现空时联合检测；而在下行链路中，智能天线起下行波束赋形的作用，实现预先抑制干扰和补偿无线信道的功能。TD－SCDMA系统采用智能天线技术可以提高系统容量、减少用户间干扰、扩大小区覆盖范围、提高网络的安全性及实施用户精确定位等。

b.在W－CDMA系统中的应用

在W－CDMA系统采用的是自适应天线阵列技术。智能天线可以对高速率用户进行波束跟踪，起到空间隔离、消除干扰的作用；大大增加系统容量；增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动的信号接收质量；提高信号接收质量，降低掉话，提高语音质量；减少发射功率，延长移动台电池寿命；提高系统设计的灵活性。

c.在CDMA2000系统中的应用

在CDMA2000系统中采用的是自适应反馈智能天线系统［4］。智能天线能够根据上行链路的导频信号来进行波束形成，得到智能天线增益；同时根据接收到的用户信号来确定用户的位置，并形成指向用户方向的下行波束。采用自适应反馈智能天线的CDMA2000系统与普通的全向天线相比，能改善信干比及减小区间干扰，从而增加系统容量和吞吐量。

3 结束语

本文简要介绍了智能天线技术的概念、分类、基本原理、作用以及智能天线在移动通信系统中的应用。智能天线技术能在不增加带宽的情况下大幅度提高系统的数据传输速率和传输质量，是无线通信领域的一个重大突破。智能天线技术作为增大通信系统容量的重要途径成为了各类通信系统的关键技术之一。

［1］ 金荣洪，耿军平，范 瑜.无线通信中的智能天线［M］.北京：北京邮电大学出版社，2006.

［2］ 刘 鸣，袁超伟，贾 宁，黄 韬.智能天线技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］ 崔雁松.移动通信技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

［4］ 郭梯云，邬国扬，李建东.移动通信［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.