自適應天線陣列通過虛擬線路連接移動用戶，極大地改善了無線通訊。

我們每天都沉浸在射頻無線電波的海洋之中，看不見的電磁能有不同的源頭：廣播塔、蜂窩電話網和警察的無線通訊等等。這些輻射也許對人體無害，但它們會嚴重影響我們收發(fā)信息。過度的無線能量也是一種污染，因為它將破壞有用的通信。隨著電子通信的日益頻繁，無線電干擾也日漸嘈雜，我們環(huán)境中射頻干擾信號強度的增加，使我們必須加大無線信號的強度，才能在背景電磁噪聲中將有用信號區(qū)分開來。


解決這個問題的一種方案是采用新型的射頻天線，這種天線能夠極大地減少人為干擾。以蜂窩電話通訊為例，采用這種全新的天線后，我們無須采用對用戶的通話進行全向廣播發(fā)送這種浪費的方式，而代之以跟蹤移動用戶的位置并將無線信號直接發(fā)送給他。這種天線系統(tǒng)在使其他用戶受到的干擾最小化的同時，也使得目標用戶的接受信號強度達到最大。實際上，這等同于給每個移動用戶建立了一條虛擬的有線連接。 這些系統(tǒng)通常被稱為智能天線，它們之中最智能的那種又被稱為自適應天線陣列。1992年我和他人一起在美國加州圣荷賽創(chuàng)立了愛瑞公司，致力于開發(fā)能應用于已有和新的無線網絡的自適應天線陣列。每個陣列包含了多達12根的天線以及一個強大的數(shù)字處理器（用于對輸入輸出信號的合并和處理）。朗訊、北電以及其他一些公司也都在開發(fā)這項技術。我們的目標都是降低成本和提高無線通訊的質量。現(xiàn)在自適應天線陣列已經向數(shù)以百萬的蜂窩電話用戶提供這些好處。此外，由于非常適合大量數(shù)據的傳送和接收，它們極有可能成為無線因特網的關鍵部分。

天線的物理學原理

要了解智能天線的工作原理，先要了解比較“笨拙”的普通天線。射頻天線將發(fā)射機產生的電流和電壓信號轉變?yōu)殡姶挪ú⒅l(fā)射出去，同時天線也能截取這些電磁波并將之轉化為接收機能處理的電流和電壓信號。最簡單最常用的天線是偶極子，它不過是特定長度的能向空間全向發(fā)射能量的豎桿而已，無線電波在空中傳播的過程中，強度逐漸減弱，并被空氣、樹木和建筑等障礙物吸收。 商用廣播和電視臺必須向地理分布上分散的用戶提供服務，自然要進行全向廣播。而一次蜂窩電話通訊通常只針對一個用戶，在蜂窩網中，用戶和最近的基站進行通信，在基站里有一套天線負責處理周圍區(qū)域（稱作小區(qū)）內所有的無線業(yè)務信號?；景凑找欢ǖ囊?guī)律設立，使整個覆蓋區(qū)域能劃分為多個小區(qū)；用戶從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時，系統(tǒng)能自動將通話切換到其他合適的基站。在這種情況下，如果能將無線能量集中到單個用戶身上，就像手電筒通過反射鏡將光線集中成束那樣，效率就會高得多。同樣的功率，集束的信號能比全向發(fā)射的信號，傳播到遠得多的地方?；鞠虿煌脩舭l(fā)送的波束在空間上是分開的，這樣相互干擾也降低了。 反射器能把無線電波聚焦成束，但是它們實在是又笨重又昂貴。所以工程師們想出了許多不用反射器卻能產生無線波束的辦法。如果我們并排放置兩根天線，它們之間的距離是無線信號波長的一半，那么從上面看下去時，這個簡單陣列發(fā)射能量的方向圖就是8字型的。在垂直于陣列（即垂直于兩根天線之間的連線）的兩個方向，無線電波的傳送距離將達到最大，因為在這兩個方向上用戶能同時收到兩根天線發(fā)送的信號（換句話說，就是兩個信號是同相的）。然而，在平行于陣列的方向上，用戶將接收到相位相差180度的兩股信號。兩股信號的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就產生了零區(qū)，在那里將檢測不到任何信號。

這種由兩根天線組成的天線陣列的波束是相當寬的，而且它還將向兩個相反的方向發(fā)射。通過加入更多的天線，波束的寬度變得越來越窄。二戰(zhàn)以來，這種類型的相陣天線被用于雷達波束的聚焦。雖然天線數(shù)目的增加使得波束變得更窄，同時卻在主波束旁邊產生了更多的旁瓣。根據用戶方向的不同，波束信號既有可能比單天線發(fā)射的信號更強（“增益”），也有可能由于抵消效應的存在變得比后者更弱（“損失”）。

波束的定向

如果不能指向特定的接收者，無線波束還是沒有多大用途。最顯而易見的解決方案就是移動天線陣列本身，但顯然這個辦法是笨拙和代價昂貴的。用電子的方法來操縱波束將簡便得多。通過一種叫波束切換的技術，天線陣列能產生一組相互有所交疊的波束，這些波束在一起就能覆蓋周圍的區(qū)域。當一個蜂窩電話用戶進行通話時，無線接收機首先確定從哪個波束方向來的用戶信號最強，然后陣列發(fā)射機就按照這個來波方向給用戶“回話”。如果用戶從原有波束走入另一個相鄰的波束，控制系統(tǒng)就自動將發(fā)射和接收都切換到那個新的波束。 然而波束切換在現(xiàn)實的無線通信環(huán)境中還是不能很好地工作。只有當用戶處于波束正中央時，波束才是最有效的。正如離開手電筒的光線方向就會變暗一樣，一旦用戶離開波束中心，信號就會發(fā)生衰落。當用戶靠近波束的最邊緣時，在系統(tǒng)將之切換到相鄰波束之前，信號強度會發(fā)生相當大的衰落。如果另一方向上的某個用戶需要使用同一無線信道怎么辦？如果第二個用戶處于零場，還好不會給前一位用戶帶來干擾，但是一旦他處于某個旁瓣的中心，那么給他的信號將會阻塞或扭曲前一位用戶的信號。 波束切換系統(tǒng)的另一個問題是，實際上在幾乎所有的環(huán)境中，無線信號都很少沿著直接路徑進行傳播。我們手機上接收到的信號通常是由多個反射信號合并而成的。反射體可能是自然或者人造的物體（建筑、山脈、汽車和樹木等等）。這些發(fā)射信號還在不停地變化，特別是那些由大型車輛（例如巴士）造成的。這種所謂的多徑現(xiàn)象也會影響從手機發(fā)送到基站的信號。在波束切換系統(tǒng)中，如果用戶靠近波束的邊緣，那么他或她所發(fā)送的信號有可能在到達天線陣列前就被反彈到其他波束中。在這種情況下，天線陣列就有可能發(fā)送錯誤的波束，用戶則可能完全得不到回應的信號。 在實際應用中，只有波束切換系統(tǒng)顯然是不夠的。一個真正智能的天線陣列應該能直接給移動用戶一個波束，而不是選擇一個相對靠近用戶的波束。理想的天線陣列還必須能調整波束的方向圖，將來自同一頻段信道上其他用戶的干擾最小化。最后，這種天線陣列必須能根據用戶位置和反射的迅速變化做出快速反應。這些都是為什么要引入自適應天線陣列的原因。

優(yōu)點與應用

與傳統(tǒng)的蜂窩網絡相比，采用自適應天線陣列的無線網絡具有很多優(yōu)點。對于同樣的功率，由于裝備有自適應陣列的基站的覆蓋范圍比普通基站大得多，因而覆蓋同樣的區(qū)域，所需基站的數(shù)量也相應減少。盡管自適應陣列可能比傳統(tǒng)的天線更昂貴，但基站數(shù)目的減少能急劇降低設備和運營無線網絡的成本。自適應陣列使得蜂窩業(yè)務公司能更好地利用希缺的資源：分配給該公司的頻譜。許多蜂窩網絡正因用戶數(shù)目的增多而過載：在某些擁擠的區(qū)域，有時候同時迸發(fā)的信號量超過了系統(tǒng)中有限數(shù)目的無線信道所能承載的數(shù)量。當通話掉話或者信號質量下降時，用戶就能感受到這種緊張。由于自適應陣列允許同一基站覆蓋范圍內的一些用戶同時使用同一無線信道，因此就增加了頻譜的容量。相對于普通天線而言這種改進是顯著的：對語音業(yè)務，配備有自適應陣列的基站的用戶容量提高了6倍；對于數(shù)據業(yè)務，這一數(shù)字更是高達40倍。采用自適應天線陣列的結果是更好的服務和更少的干擾，除此之外還有較少的能量浪費和射頻污染。

這樣，我們就不會為自適應天線已經獲得的商業(yè)應用感到吃驚。在日本、中國、泰國以及亞洲和非洲的其他一些地區(qū)，已有超過15萬的基站裝備了使用愛瑞公司技術的天線陣列，為總計超過1500萬人提供電話服務。自適應陣列在美國和歐洲的商業(yè)應用進展得相對比較緩慢，這要部分歸咎于電信業(yè)不景氣所導致的對蜂窩網絡新投資的削減。但是還是有一家美國制造商（佛羅里達州蒙特利爾的Airnet公司），正在生產使用愛瑞公司技術的蜂窩基站。同時英國的電信公司馬可尼也正在開發(fā)一種包含自適應陣列的先進基站。

自適應陣列對無線數(shù)據網絡而言也是一大福音。因為這種陣列能夠使干擾最小化，所以在給定的頻率范圍內可以傳送和接收更多的數(shù)據。一個裝備有自適應天線陣列的基站能同時為40位用戶提供速度高達每秒1M字節(jié)的數(shù)據服務，這大約是現(xiàn)有遠程無線網絡典型數(shù)據率的20倍。在此類網絡中，并非所有的用戶都在同時要求獲得峰值數(shù)據率的服務，所以一個裝備自適應天線陣列的基站可以為數(shù)千用戶提供服務。擁有便攜式電腦或其他便攜設備的用戶，就能在步行或開車通過服務區(qū)的同時保持對因特網的高速連接。

自從1990年代末，電信業(yè)就開始歡呼無線因特網的到來。雖然新網絡的發(fā)展速度并不像預期的那樣快，但還是在逐步取得進展。隨著無線運營商對3G網絡（能以包的形式傳遞數(shù)據的下一代蜂窩系統(tǒng)）的繼續(xù)追求，其他的公司也正在提供多種有競爭力的高速數(shù)據傳輸解決方案，其中有些解決方案就采用了智能天線并能在現(xiàn)有網絡中使用。一個采用了愛瑞公司技術的數(shù)據網絡正在澳大利亞悉尼運營著，類似的網絡很快將在美國和韓國建立。美國德州Navini NetWork公司開發(fā)的自適應陣列，正在接受一些無線運營商的測試。一些大型電信設備執(zhí)制造也準備在它們的下一代產品中采用智能天線技術。

在貝爾發(fā)明電話之后的近100年中，語音通訊始終依賴于呼叫者和網絡間的物理鏈接（銅線或者同軸電纜）。只是在過去的30年里，蜂窩電話才開始讓我們享受到一些無線通訊的自由。有了自適應天線陣列技術，終有一天無線運營商能以更低廉的價格提供比有線網絡質量更好的服務。到那時，我們就從金屬銅的牢籠中解放出來了。