隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術(shù)引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑衰落的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。

1　智能天線技術(shù)的起源和發(fā)展

　　智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于
雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)目增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下滿足擴(kuò)充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式，智能天線引入了第四維多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線相當(dāng)于空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)性能：(1)擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；(2)提高系統(tǒng)容量；(3)提高頻譜利用效率；(4)降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。
　　智能天線可以通過模擬電路方式實現(xiàn)：首先根據(jù)天線方向圖確定饋源的激勵系數(shù)，然后確定饋源的饋電網(wǎng)絡(luò)即波束形成網(wǎng)絡(luò)。由于饋電布線呈矩陣狀，實現(xiàn)很復(fù)雜，隨著陣元數(shù)目增加，更增加電路復(fù)雜度。為此，未來移動通信智能天線采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束成形，即所謂數(shù)字波束形成DBF(Digital Beam-forming)天線。使用軟件設(shè)計完成自適應(yīng)算法更新，可以在不改變系統(tǒng)硬件配置前提下，增加系統(tǒng)靈活性。

2　智能天線技術(shù)的實現(xiàn)方案

　　智能天線分為兩大類：多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應(yīng)陣天線。
　　多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接受信號最強(qiáng)。因為用戶信號并不一定在固定波束的中心處，當(dāng)用戶位于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需判定用戶信號到達(dá)方向的優(yōu)點。
　　自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向天線，完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。
　　智能天線采用數(shù)字方法對陣元接收信號加權(quán)處理形成天線波束，使主波束對準(zhǔn)用戶信號方向，而在干擾信號方向形成天線方向圖零陷或較低的功率方向圖增益，達(dá)到抑制干擾的目的。根據(jù)天線波束形成的不同過程，實現(xiàn)智能天線的方式又分為兩類：組件空間處理方式與波束空間處理方式，以下分別討論。

2.1　組件空間處理方式

　　組件空間處理方式直接對陣元接收信號支路加權(quán)，調(diào)整信號振幅與相位，使天線輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶信號到達(dá)方向。因為是陣元組件信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后不經(jīng)其它處理直接加權(quán)，故又稱組件空間處理方式。

2.2　波束空間處理方式

　　與組件空間處理方式的不同之處在于，信號從陣元組件接收并模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后，需經(jīng)相應(yīng)處理(如快速付立葉變換)，得到彼此正交的一組空間波束，再經(jīng)過波束選擇，從中根據(jù)需要選取部分或全部波束合成陣列輸出方向圖。

　　因為用戶信號往往深埋于噪聲信號與干擾信號中，不易得到陣元接收信號的最佳加權(quán)。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號最強(qiáng)的幾個波束，以取得符合質(zhì)量要求的信號，這樣可以在滿足陣列接收效果的前提下減少運算量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度。
　　智能天線技術(shù)在實現(xiàn)過程中可以采用不同算法，主要有最小均方算法(LMS)、遞歸最小平方算法(RLS)和恒模算法(CMA)。其中最小均方算法(LMS)、遞歸最小平方算法(RLS)需要系統(tǒng)提供與用戶信號相關(guān)的參考信號，用以計算誤差，控制陣列加權(quán)。恒模(CMA)算法利用陣列輸出信號恒包絡(luò)原理，不需要參考信號，屬于盲均衡方法。從通信系統(tǒng)整體考慮，智能天線技術(shù)獨立于傳統(tǒng)的多址方式和調(diào)制類型，可以應(yīng)用于TDMA、FDMA或CDMA多址系統(tǒng)。但是，在具體實現(xiàn)過程中，天線接收結(jié)果是有差別的。


　　作為提高移動通信系統(tǒng)容量的重要手段，智能天線主要在基站作用。對于收發(fā)共用類型全向智能天線，采用時分雙工(TDD)方式的自適應(yīng)天線更為合適。頻分雙工(FDD)方式由于上行(從用戶到基站)與下行鏈路(從基站到用戶)有45MHz或80MHz頻率間隔，信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響各不相同，故根據(jù)上行鏈路計算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路。在TDD方式中上行與下行鏈路間隔時間短，使用相同頻率傳輸信號，上、下行鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權(quán)值，故TDD方式優(yōu)于FDD方式。未來移動通信系統(tǒng)工作頻率更高，在滿足半波長陣元間隔條件下，天線尺寸可以做得更小，使在移動用戶端使用智能天線也成為可能。

3　智能天線的研究進(jìn)展

　　目前正處于確立第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時，歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動通信方案中的地位與作用。已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術(shù)試驗平臺。

3.1　歐洲

　　歐洲通信委員會(CEC)在RACE(Research into Advanced Communication in Europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱之為TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。
　　項目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗?zāi)Ｐ停?995年初開始現(xiàn)場試驗。天線由八個陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實現(xiàn)智能天線，采用ERA技術(shù)有限公司的專用ASIC芯片DBF1108完成波束形成，使用TMS320C40芯片作為中央控制。研究方案包括波束空間處理方式和組件空間處理方式。組件處理方式天線是收發(fā)全向類型，采用TDD雙工方式。系統(tǒng)評估了識別信號到達(dá)方向的MUSIC算法，采用的自適應(yīng)算法有NLMS(Normalized Least Mean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。
　　實驗系統(tǒng)驗證了智能天線的功能，在兩個用戶四個空間信道(包括上行和下行鏈路)下，試驗系統(tǒng)比特差錯率(BER)優(yōu)于10－3。實驗評測了采用MUSIC算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。
　　歐洲通信委員會(CEC)準(zhǔn)備在ACTS(Advanced Communication Technologies and Services)計劃中繼續(xù)進(jìn)行第二階段智能天線技術(shù)研究，具體問題集中于以下方面：最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)協(xié)議研究與系統(tǒng)性能評估、多用戶檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時空信道特性估計及微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗。

3.2　日　本

　　ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后，進(jìn)行快速付氏變換(FFT)處理，形成正交波束后，分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法。天線數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。
　　野外移動試驗確認(rèn)了采用恒模(CMA)算法的多波束天線功能。理論分析及實驗證明使用
最大比值合并算法(MRC)可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。上述兩種方案在所形成
波束內(nèi)，選用最大電平接收信號，不用判別用戶信號到達(dá)方向及反饋控制機(jī)構(gòu)等硬件跟蹤裝置。
　　ATR研究人員提出了如圖5所示的基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號間干擾)也不同，利用軟件方法實現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法，比如當(dāng)噪聲是主要因素時，則使用多波束最大比值合并(MRC)算法，而當(dāng)同信道干擾是主要因素時則使用多波束恒模算法(CMA)，以此提供算法分集，利用FPGA實現(xiàn)實時天線配置，完成智能處理。



3.3　美國及其他

　　ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現(xiàn)場實驗表明，在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高四倍。信威公司智能天線采用八陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列，射頻工作于17