智能天线

什么是智能天线

智能天线，英文名称：smart antenna。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。


图一：智能天线阵

智能天线分类

智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列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。

智能天线算法的实现

智能天线算法主要分为切换波束算法和自适应算法。在TD-SCDMA系统中，2种算法都有应用。TD-SCDMA通过采用波束赋形算法，形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准用户信号DOA，旁瓣或零陷对准干扰信号DOA，因此能充分利用移动用户信号并抵消或最大程度地抑制干扰信号，从而能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。

目前比较常用的波束赋形算法有2种：GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法，对于固定位置的用户，其波束指向是固定的，波束宽度也随天线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时，它通过测向确定用户信号DOA，然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大的同时，还要满足对其他用户干扰最小。


图二：智能天线原理图

自适应算法与切换波束算法相比较，在很多方面诸如：最大化期望用户接收功率、减少对非期望用户的发射功率以及灵活适应各种不同天线阵列类型更有优势。同时，自适应算法在波束产生上并不拘于固定方向和形状，因而更加灵活并且可以更准确地对用户所在实际位置进行赋形。在多径环境下，指向用户的波束也可能会有多个，其根本目标是提高期望用户的载干比并避免对其他用户形成干扰。综合来看，自适应算法将会是智能天线波束赋形算法发展的方向。

采用智能天线的目的

在移动通信系统中，由于障碍物的反射，信号会在发射机和接收机之间多次传播从而形成多径传播。这是移动通信中存在的主要问题，被称为时延扩展（delay spread）。由于多径信号到达接收机的时间不同，因此多径传播将导致符号间干扰，将会严重地影响通信链路的质量。另一方面，共信道干扰是无线系统容量的主要限制因素，它将影响用户对有效网络资源（频率、时间）的重用。智能天线对信号多径具有抑制作用。在CDMA中，当信号的多径时延大于一个码长时，这条多径就与原信号不相关。智能天线的原理是调整不同天线上信号的幅度和相位，使与参考信号强相关的信号增强，抑制与参考信号不相关的信号，即智能天线把与主径不相关的多径当作干扰进行抑制。智能天线通过利用多径可以改善链路的质量，通过减小相互干扰来增加系统的容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。智能天线还可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益，增加覆盖范围改善建筑物中的信号接收质量；并且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。采用智能天线还可以提高系统设计时的灵活性。


图三：智能天线

智能天线的优点可以归纳如下。
1）增加覆盖范围
2）降低功率/减小成本
3）改善链路质量/增加可靠性
4）增加频谱效率