智能天线技术

目 录

TD-SCDMA系统的智能天线技术 .............................................................................. 1

智能天线和空间分集接收技术 ................................................................................... 2

智能天线技术在GSM网络中的应用 ......................................................................... 6

智能天线的关键技术 ................................................................................................... 9

智能天线技术及在移动通信中的应用 ..................................................................... 11

智能天线在CDMA网络优化中的作用 ................................................................... 14

容量与速率齐加速 ..................................................................................................... 15

智能天线技术改善频谱使用效率 ............................................................................. 17

TD-SCDMA系统的智能天线技术

智能天线的基本概念

近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址（SD MA）技术，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，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用（SDMA）功能，来提高系统的容量和频谱利用率。这样，TD－SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FD MA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。

智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

智能天线的工作原理

TD－SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约 40dB。TD－SCDMA使用的智能天线当N＝8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。每个振子的增益为 8dB，则

该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。

智能天线的主要功能

根据以上基本原理，在CDMA系统（无论是TDD或FDD方式）中，采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：提高了基站接收机的灵敏度，提高了基站发射机的等效发射功率，降低了系统的干扰，增加了CDMA系统的容量，改进了小区的覆盖，降低了无线基站的成本。

由于采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率，能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村，无线覆盖范围将增加一倍，这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1/4。天线增益的提高也能够降低高频功率放大器（HPA）的线性输出功率。因为HPA的费用占收发信机成本的主要部分。所以，智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。

智能天线和空间分集接收技术

直接序列码分多址技术日益成为现代移动通信的主要接入方式，但是它的系统性能受限于无线信道的多径衰落、多址干扰（ＭＡＩ）和符号间干扰（ＩＳＩ），如何消除这些影响是提高无线通信系统性能的主要课题。

空时处理技术是当前的研究热点之一，在空间域和时间域联合处理接收信号可以充分利用空间信号处理技术和时间信号处理技术的优势，有效抵抗ＩＳＩ、减少ＭＡＩ、增加分集增益以及提高阵增益，达到的效果是单个天线的单时间处理方法无法实现的。

众所周知，均衡技术和ＲＡＫＥ接收技术可以在时间域抑制信道衰落和抵抗ＩＳＩ。均衡技术是对信道传播特性的均衡，用于抵消无线信道的时变多径传播特性造成的ＩＳＩ，适合多径信号不可分离的情况。如果接收的多径信号可以分离，则可以利用ＲＡＫＥ分集接收技术将分离的多径信号合并起来，增加分集增益。

所以空时处理技术的区别主要在于空间信号处理技术。当前，描述空间处理技术的术语有智能天线、自适应天线、切换波束天线和空间分集接收技术等。

本文中的智能天线技术定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、ＭＡＩ以及多径干扰信号。智能天线包括自适应天线和切换波束天线：自适应天线阵自适应地识别用户信号的到达方向，通过反馈控制方式连续调整自身的方向图；而切换波束天线则是预先确定多个固定波束，随着用户在小区中的移动，基站选择相应的使接收信号最强的波束。空间分集接收则是利用分集合并技术在空间合并多个不相关的接收信号，可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能。

智能天线和空间分集接收技术本质上是不同的，但是迄今为止却没有文献对这２种技术详细地进行过比较，甚至有文献说术语“优化合并”和“自适应波束形成”是可以互换的。所以这２种技术到底有何区别，以及如何根据通信环境选择不同的空时处理技术一直困扰着人们。

本文在这方面做了一些工作，具体分析了空间分集接收技术和智能天线（主要是自适应

天线阵）的工作原理、两者的区别以及适用场合。作者首先研究了移动台和基站之间的无线传播特性、空时信道模型以及不同环境的多径特性，提出了ＣＤＭＡ通信系统存在的主要问题，在此基础上分析对比了这２种空间处理技术解决问题的依据和区别，以及每种技术的适用场合。由于在移动台放置多个天线不太实际，所以本文主要从基站角度出发分析上行链路的空时处理技术。

一、问题的提出

１．无线信道传播特性

移动通信环境下的电波传播具有自由空间传播损耗、阴影衰落以及多径衰落等特点，其中多径衰落对无线信道上传输的信号有很严重的影响，电波的反射、散射和衍射使接收信号产生了时延扩展、频率（Ｄｏｐｐｌｅｒ）扩展和角度扩展。

（１）时延扩展

假设发射信号是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收到的信号为一串脉冲，因此接收信号的波形比原脉冲展宽了，造成了ＩＳＩ。 （２）频率扩展

由于移动用户与基站的相对运动，每条多径都会有一个明显的频率移动，引起时间选择性衰落，即信号幅度随着时间变化。

（３）角度扩展

角度扩展是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，产生了空间选择性衰落，即信号幅值与天线的位置有关。

２．多址干扰

同时，在ＣＤＭＡ无线通信系统中，所有小区的用户使用相同的时隙和频带，且用户接入到基站的上行链路通常是异步的，即每个用户码字的到达时间都不相同。由于非正交的发送码字以及多径效应的影响，接收机收到很多其他用户的多址干扰信号，严重情况下会造成“远近效应”，使ＣＤＭＡ系统的容量受到限制或无法正常工作。

因此，由时延扩展引起的ＩＳＩ、角度扩展带来的空间深衰落以及来自同小区和邻近小区的ＭＡＩ是影响ＣＤＭＡ系统性能的极为重要的几个问题。基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理技术可用于减少ＩＳＩ、ＭＡＩ和抵抗空间选择性衰落，这２种技术的区别也体现在它们是如何克服这些干扰的。

３．空时信道模型

经典的信道模型只考虑了接收信号的功率和多普勒频谱分布，并假设信号到达方向（ＤＯＡ）服从大于０，且小于或等于２π的均匀分布，这种信道模型并不能反映信号在无线信道中传输的角度扩展特性。

但是智能天线和空间分集接收技术的实现方式完全依赖于天线接收信号之间的相关性，所以要具体分析信号通过无线通信信道传输后的空间特性是如何影响天线阵系统的性能的，就必须建立空时信道模型。圆盘散射模型（ＣＤＳＭ）说明了不同空间点上接收信号包络的相关性与信号的空间特征有关。

４．不同环境的信道特性

信号在不同环境（乡村和郊区、城市、购物中心或室内环境等）中的时延扩展、频率扩展和角度扩展都不相同，而接收信号的空间相关性是由到达接收机天线阵的信号的角度扩展决定的，所以可针对不同环境设计基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理接收机。 （１）乡村和郊区

基站天线通常位于非常高的塔或山顶，高于一般建筑物或其他结构，可以提供视距传输。发射信号主要经移动台附近的物体和远端散射体散射或反射之后到达基站。在这种环境中，有一定的时延扩展，并且基站处的多径分量限制在一个很小的角度区域内。

（２）城市

在密集的城市地区，无论是基站附近，还是移动台周围都会有很多建筑物或障碍物，通常不存在视距传输。发射信号通过多条路径到达接收机，时延扩展和角度扩展都很严重。 （３）购物中心或室内环境

基站天线一般设在建筑物内，由于室内有很多物体，所以基站接收的信号同时受到基站和移动台附近物体的散射作用，接收信号的角度扩展很严重，但是没有明显的时延扩展。

二、智能天线和空间分集接收技术

根据以上的分析，本文从７个方面对智能天线和空间分集接收技术进行了比较。

１．基本原理

智能天线利用到达天线阵的信号之间的完全相关性形成天线方向图。根据基站接收信号的ＤＯＡ密度，实时调整天线的方向图，使天线主波束对准用户信号的到达方向，旁瓣和零陷对准干扰信号的到达方向。由于多径结构以及移动用户所处的物理环境等因素的差别，理想信号和干扰信号的ＤＯＡ通常都是不同的，智能天线就是利用这种空间相位特性分离频率相近但ＤＯＡ不同的信号。

２．阵列结构

智能天线通过反馈控制方式连续调整天线的方向图，阵元间距一般取１ ２波长，因为阵元间距过大会减小接收信号彼此的相关程度，太小则会在方向图上形成不必要的旁瓣。 在空间分集接收系统中，天线单元之间的间隔必须为多个波长，以确保到达天线阵各个单元的信号是互不相关的。

３．抑制干扰的方式

智能天线根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道。在有限的方向区域内接收信号，可以有效地减少接收到的ＭＡＩ以及理想用户和其他用户的多径信号数量，本质上增加了接收机的输入信干噪比（ＳＩＮＲ），从而提高了系统容量和接收质量。

分集接收技术并不能象智能天线一样明显地减少ＭＡＩ的数目，它只是在空间上合并多个不相关的信号副本，利用各种合并准则确定加权系数，使接收端的ＳＩＮＲ最大或均方误差最小，从总体上抑制ＭＡＩ和ＩＳＩ。

４．抑制干扰的数目

在智能天线系统中，Ｍ个天线能够形成（Ｍ－１）个零陷，最多可以消除（Ｍ－１）个干扰信号。并且当干扰数目远远超过天线数目时，天线阵无法有效形成波束对准有用信号。 天线接收分集则是通过分集合并技术从总体上抑制多径干扰和ＭＡＩ，使系统的输出ＳＩＮＲ最大。所以当干扰数目远大于天线数目时，也可以达到较好效果。

５．ＤＯＡ信息

在空间分集接收系统中，由于不需要形成方向图对准有用信号，所以不需要ＤＯＡ信息。但是，到达天线阵的信号的ＤＯＡ信息在智能天线技术中却非常重要。因此，ＤＯＡ估计是非常关键的技术问题。

６．主要缺点

在密集的市区内，存在大量的多径传输，此时的天线阵会在不同方向接收到来自同一用户的相干信号，ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法无法分辨接收信号的到达方向。所以采用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法估计ＤＯＡ的智能天线系统不能用于多径丰富的场合。

而分集接收其实是一种单用户的接收技术，通过增加空间和时间分集阶数来提高分集增益。但是当功率控制误差较大时，很可能接收机接收的是干扰信号，而不是有用信号，从而造成严重的“远近效应”。

７．适用场合

不同空间点上接收的信号包络的相关性将决定使用的空时处理技术。通常，大的角度扩展和增加天线阵的单元间隔会使天线接收到的信号之间的相关性降低，此时宜采用天线阵的空间分集接收技术；当角度扩展小、且用户数较少时宜采用智能天线技术。

在平坦的效区和乡村环境，多径分量少，而且干扰用户也不多，所以天线阵单元接收信号的相关性较强，此时可以利用智能天线技术形成主瓣对准用户，在干扰方向上形成零陷。而分集接收技术更适合多径丰富的城市、购物中心或室内环境。

三、结语

本文分析了信道的空时传输特性以及ＣＤＭＡ系统存在的主要问题，由此给出了智能天线和空间分集接收技术的工作原理和两者的区别。智能天线技术主要应用于干扰用户较少，以及角度扩展不大的场合，它利用接收信号之间的相关性自适应地形成波束，在有限方向上接收信号，减少了ＣＤＭＡ系统接收到的干扰和多径信号，从而抑制了ＭＡＩ和ＩＳＩ；使用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ方法进行ＤＯＡ估计的智能天线不能应用于多径丰富的场合。空间接收分集技术适用于角度扩展大的场合，合并不相关的接收信号以抑制空间选择性衰落，并不能减少ＭＡＩ和多径信号的数目，但是可以从总体性能上抑制ＭＡＩ、ＩＳＩ和ＩＣＩ，改善系统的ＳＩＮＲ。

智能天线技术在GSM网络中的应用

一、智能天线应用背景

最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，天线系统的可靠性与灵活程度不断提高。

智能天线技术可用于具有复杂电波传播的移动通信环境。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（DirectionofArrinal），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。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上，它使通信资源不再局限于时间域、频率域或码域而拓展到了空间域，属于空分多址（SDMA）体制。第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用，因此，在3G标准如 WCDMA和cdma2000中，支持智能天线的条款已经出现，智能天线已成为3G的重要组成部分。

目前除了极少数的国家有正式的3G商用网，我国和大多数地区3G仍然处于试验网的阶段，预计未来两到三年内GSM网络仍然是移动话务的主要承载网络。在中国大中城市GSM网的用户数以每年约20%比例增加，在部分热点地区，每平方公里承载的话务量甚至达到了1500erl。GSM网络的容量在硬件配置充分的环境下完全受限于网络的频率资源，在有限的频宽下，要增加网络容量，只能减小频率复用距离，而频率复用距离越近，网络的干扰越高。

根据目前GSM网络运营的经验，在保证使用合适的小区信号的前提下，要保持网络质量在客户可接受的话音质量（清晰无杂音）范围内，则必须按照载干比在 18dB以上进行无线网络规划。无论是按照传统的4/12频率复用方式还是利用MRP或1*3频率复用方式，在现有频宽下均最多按照12dB的载干比进行频率规划，剩余的载干比只能依靠动态功率控制、跳频、不连续发射等功能的增益进行补偿。降低网络的干扰水平、提高系统的载干比在GSM高速增长期，特别是在GPRS业务正式商用后显得非常重要，因此不少GSM生产厂商和运营商都在考虑将3G标准中的智能天线用于GSM网络中，一些厂商如爱立信、麦得威等公司在话务高的局部区域开展了相应的研究和试验，并取得了较理想的效果。

二、智能天线的原理

具有高增益、窄波束相位阵列天线的智能切换天线正在替代传统的扇区天线。一个多波束的天线面板包括了4个30?(或者22.5?)的波束，因而接收信号时能够接收到比标准扇区天线更少的干扰信号，故而提高接收信号的质量。根据理论计算，一个包括4个可切换的窄波束天线的平均C/I值可比传统的3-扇区天线系统增加6dB。

智能天线系统以时隙为基础连续地进行波束选择，以确保用户在通话过程中的话音质量。

用于试验的智能天线有两部分组成，即一根多波束阵列天线和一根双极化天线，这两部分可整体封装在一个天线平板中也可以分开使用。多波束阵列天线是一个由 6?8天线阵源的天线阵列形成的4个水平3dB波瓣宽度22.5?多波束阵列天线，一般称其为窄波束天线，其主要功能是发射话务信道的信号（TCH）和接收上行信号；双极化天线包含2个水平3dB波瓣宽度90?天线，一般称其为宽波束天线，其功能是发射控制信道的信号（如：BCCH，SDCCH和CBCH 等等）。

三、智能天线在GSM网络中的应用实例

1．引入智能天线的小区选择

由于智能天线引入时需对网络做相应的硬件改造，同时考虑到其价格，在目前的GSM网络中比较适合的策略是在局部站点引入智能天线。引入智能天线的目的主要在于利用其特点降低网内的频率干扰，因此建议引入智能天线的无线基站选择那些站点位置高、对其他小区干扰严重的站点。如深圳的试验站点选择了市区的一个小区，该站点比周围站点的高度高出约10米、与周围站点平均站距为500米，在该小区覆盖区域存在较多的信号重叠覆盖。

2．道路测试中下行干扰的改善

为了更明显地对比引入智能天线前后对下行干扰的情况，在试验过程中，我们人为地将与试验小区方向正对的小区频率改为与试验小区同频。理论上，智能天线将下行信号强度集中在有话务的区域，因此会降低对其他小区的干扰，其中（a）为使用普通定向天线的小区覆盖情况，(b)为使用智能天线的小区覆盖情况。

（1）下行信号强度的比较

在实际应用中通过对比智能天线引入前后的下行信号强度的变化，可评估其对下行干扰的改善，智能天线通过减少下行场强达到降低对其他小区干扰的目的。在试验中针对智能天线不同波束方向在忙时（10：00-12：00）进行了持续的场强测试（超过15分钟）。

信号场强降低程度在1.4-8.1dbm间变化，信号强度变化不同的原因，一方面是天线的扇形覆盖，另一方面是话务在不同波束方向的分布不同。

（2）载干比的对比测量

由于原网络中频率复用距离很远，同频干扰很小，为了加强对比效果我们将与试验小区方向正对的邻小区改为同频小区（这种情况在目前的扇区天线下是会引起严重质差应尽量避免的）。选中的邻小区是最可能受到试验小区干扰的，特别是在该区域的一条主干道上，选中的小区为服务小区，试验小区为第一邻区。选择主干道上的7个点为C/I的测试点，利用TEMSinvestgation测试频点1的C/I值，对比更换智能天线前后的C/I值。

更换天线前后，干扰信号强度变化曲线规律一致，说明更换前后的无线环境是类似的。对比更换前后的干扰小区信号强度，应用智能天线后下行干扰最大可降低 3.3dB，相当于降低了53%的下行干扰。测试点1、2、3的下行干扰没有改善，估计是由于测试点周围有阻

挡引起测试点收到较多的反射信号。

3．统计指标的对比

在试验期间，我们对比掉话率、SQI（话音质量指示）、话务掉话比等各项指标并进行了总体观察，发现应用了智能天线后，试验小区及周围邻小区话务质量有了一定的改善。

（1）话音信道掉话率指标的前后对比如。

使用智能天线后，小区集的掉话率指标有一定提升，使用了智能天线后，平均掉话率从0.46%下降为0.41%。

（2）SQI指标情况

以SQI为“好”的等级比例在应用智能天线前后的变化为例，整个小区集的SQIGOOD比例从85.71%上升到了87.94%，这表明在应用智能天线后用户可以享受到更好的语音质量。

（3）话务掉话比是可以较全面地衡量网络质量变化的一个指标，在应用智能天线前后，话务掉话比也有明显提升，从105.22分钟提高到128.24分钟，即两个连续掉话的时间间隔扩展了23分钟。

4．上行干扰的改善

理论上，由于智能天线是多波束的天线，因而接收信号时能够将接收的多径信号进行最大比例合路计算得到比标准扇区天线更少的干扰信号，故而提高接收信号的质量，达到改善上行干扰的目的。与下行干扰的改善不同的是，应用智能天线后只改善应用了智能天线的小区，而下行干扰的改善是针对整个区域的小区。

上行干扰的指标由统计人员通过OSS的上行质量统计、手机发射功率变化、话务统计指标三个方面进行分析。

（1）OSS统计的上行质量统计

在爱立信系统中，可通过BTS收集上行信号的质量得知，应用智能天线后小区的上行质量有所提高。

（2）OSS统计的手机功率变化

由于在系统中已应用了上行的功率控制，因此手机的发射功率一直根据BTS测量到的上行信号强度和上行质量情况来调节的，手机的发射功率越小，说明上行的信号强度和信号质量越好，在上行信号强度无明显的情况下，手机的发射功率与上行信号质量就有一定的对应关系。爱立信的OSS统计中有针对手机发射功率的统计，应用智能天线后手机满功率（33dB）的比例从40%降低到18%，手机平均发射功率减少了2.7dB，相当于在空中手机发射功率降低了46%，这对上行干扰的改善是很大的。

（3）上行质差引起掉话统计

应用智能天线前后上行质差掉话统计指标也有一定提高，上行质差掉话比例从9.7%下将到了1.6%（上行质差掉话比例是指上行质差引起的掉话占所有掉话的比例）。应用了智能天线后上行干扰有显著改善。

四、小结

通过已开展的GSM网络中的智能天线应用可见，智能天线可以匹配原网络的覆盖情况，通过上下行的波束切换进行干扰控制。在上行方面，智能天线为试验小区提供载干比增益，从而提高了试验小区运营质量；在下行方面，智能天线减少了对试验小区的相邻小区的干扰，其实质是分配了移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源给网络(包括试验小区)带来下行载干比增益，通过改善下行载干比增益提高频率复用的距离，从而提高了网络的运营质量也提高了网络的无线容量，为网络的进一步扩容奠定了坚实的基础。

智能天线的关键技术

智能天线利用数字信号处理技术在基带动态产生空间定向波束，将天线方向图主瓣对准有用信号到达方向，低增益副瓣对准干扰信号到达方向，借助有用信号和干扰信号在入射方向上的差异，选择恰当的合并权值，从而达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，使信号在有限的方向区域发送和接收，从而提高频谱利用效率，增大系统容量。

一、智能天线应用的关键技术

智能天线在移动通信中的应用分为移动台和基站，本部分仅讨论智能天线应用于基站的实现技术，其中智能化发射技术、接收技术和动态信道分配是３项关键的技术。

１．智能化接收技术

应用智能天线ＣＤＭＡ系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的多址干扰（ＭＡＩ）和多径信道带来的码间干扰（ＩＳＩ）会使到达基站的用户信号产生畸变，所以必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复（即多用户检测ＭＵＤ）。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。

另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量，如ＤＯＡ、空域特征（ＳＳ，ＳｐａｔｉａｌＳｉｇｎａｔｕｒｅ）等，它们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。目前，完成智能化接收的方法主要有基于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。前一类方法又分子空间方法和基于参数估计准则的方法两大类。后一类方法主要利用信号的时域信息和先验特征进行空域处理。

２．智能化发射技术

在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量的要求，发射信号功率一定要动态控制，在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下（各小区干扰基本稳定），满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。

智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发给它的下行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于反馈和基于上行链路参数估计两种方法。前一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号，估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。基于上行链路参量估计的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ采用后一种方法。

在时分双工（ＴＤＤ）系统中，上、下行链路使用同一载波频率，在信道特征变化相对较慢的情况下，可以近似认为上、下行链路的信道特征相同，可使用对上行信道的估计设置下行链路参数。在频分双工（ＦＤＤ）系统中，由于上、下行链路载频不同，上、下行链路的信道特性差异很大，要分别估计上、下行链路特征，所以在ＦＤＤ系统中使用智能天线比在ＴＤＤ系统中使用要复杂得多，这也是ＴＤＤ系统较ＦＤＤ系统的优势所在。

３．动态信道分配

在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。在空分信道引入系统后，空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道分配不同。在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户，可分享同一时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题，且随着用户空间位置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配。空分信道分配必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种高效算法，以适应用户的移动性。对于ＣＤＭＡ系统，由于其容量是软容量，信道分配相对简单。智能天线本身具有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制技术。同时基站间的越区切换也将更为灵活。 二、下一代移动通信中的时空多用户检测技术

在下一代移动通信系统中，多用户检测（ＭＵＤ）是一项关键技术。ＭＵＤ利用多址干扰的信号结构特征，对所有的激活用户进行联合估计，可以明确估计出期望用户的多址干扰，从而抑制多用户干扰，从本质上解决远近问题（Ｎｅａｒ ＦａｒＰｒｏｂｌｅｍ）。然而多址干扰和无线信道具有明显的空间结构特征，如果采用智能天线技术，将为干扰抑制提供新的维度。智能天线引入移动通信系统基站后，可以实现对移动用户的定向发射和定向接收，能从空域上消除大量的多用户干扰，并能减轻多径效应。因此，利用时空多用户检测技术进行干扰抑制，将进一步提高系统性能。

时域信息和空域信息的结合有级联和联合两种方式。在时空级联处理方法中，空间滤波器用来去除未被多用户检测器去除的多址干扰，能在一定程度上改善接收效果，但不能应用于过载情况。时空联合处理方法将空域特征和时域特征等同看待，与传统的时域多用户检测器相比增加了等效处理增益，提高了用户特征之间的正交性，从而改善了接收机性能，且可以应用于过载系统中。因此，基于时空联合处理方法性能优于级联处理方法，但是其运算量大。

在我国提出的第三代移动通信标准——ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中实现了智能天线和联合检测（ＪＤ：ＪｏｉｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）技术的有机结合。由于上行链路和下行链路具

有相似的信道特性，所以ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统能够把上行链路联合检测过程中获得的冲击响应估计值应用于下行链路，用类似于最大功率合成的方法实现下行智能天线自适应波束赋形算法，这是ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统智能天线算法的独特之处。

联合检测算法可以分为３类：非线性算法、判决反馈算法、线性算法。非线性算法主要有最大似然序列估计（ＭＬＳＥ），该算法极度复杂，在要求实时性的移动通信系统中难以应用。判决反馈算法是在线性算法基础上经过一定的扩展得到，有迫零判决反馈均衡器算法（ＺＦ－ＢＤＦＥ）和最小均方误差判决反馈均衡器算法（ＭＭＳＥ－ＢＤＦＥ），它们的计算复杂度较大。实际应用中，常采用线性算法。其原理是先用线性块均衡器Ｍ对接收信号进行检测，得到Ｋ个用户发送符号的连续值估计，然后用Ｋ个量化器对这些连续值估计进行量化，就可得到对用户发送符号的离散值估计。

基于时空二维处理的智能天线和多用户检测相结合，是一种优势互补的组合。在看到时空二维多用户检测器的巨大容量潜力的同时，也应该看到其优良的性能是以巨大的运算量为代价的。运算量大是时空二维多用户检测器实用化的主要障碍。研究快速算法将是今后时空二维多用户检测器研究工作的一个重点。

三、结束语

在移动通信技术的发展中，智能天线已经成为一个最活跃的领域。智能天线技术可以充分利用无线资源的空间可分性，提高无线通信系统对无线资源的利用率，并从根本上提高系统容量。虽然实现智能天线还有许多问题有待研究解决，但可以预见智能天线将在未来的移动通信领域中大放异彩。

智能天线技术及在移动通信中的应用

一． 引言

智能天线技术在20世纪60年代就开始发展，最初研究对象是雷达天线阵，目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而其真正的发展是在20世纪90年代初，以微计算机和数字信号处理技术为基础，其发展也是从雷达开始的。到20世纪90年代中，在美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。在 1997年，北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统；美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。以上是最先商用化的智能天线系统。同时，在国内外众多大学和研究结构内也广泛研究了多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议并与2000年5月已被ITU批准为第三代移动通信国际标准之一CDMA TDD技术(低码片速率选项)，就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和支持。

二、智能天线概念及其分类

通常，智能天线技术将使用于无线通信系统中的无线基站。具有智能天线的TDD无线基站描述了一个具有智能的天线工作于TDD方式的CDMA基站的示意方框图。由此可见，和传统的、没有智能天线的基站比较，它在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射

频部分；而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。每个射频收发信机都有ADC和DAC，它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号，然后将待发射的数字信号转换为模拟基带信号，最后完成模拟信号和数字信号的相互转换。而所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。

智能天线是一个天线阵列。它由个天线单元组成，不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。每个天线单元有 套加权器，可以形成个不同方向的波束，用户数 可以大于天线单元数。人们研究智能天线的最初动机是在频谱资源日益拥挤的情况下考虑如何将自适应波束形成应用于蜂窝小区的基站（BS），以便能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，又称为空间滤波器，其基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号，在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。根据采用的天线方向图形状，可以将只能天线分为两类。

1．自适应方向图智能天线

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，它采用自适应算法，其方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。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。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上, 动态响应速度相对较慢。

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。

2. 多波束智能天线

多波束天线多波束天线在工作时，天线方向图形状基本不变，其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，它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高，而且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。

三、智能天线在移动通信系统中的应用

目前，移动通信系统中使用智能天线技术多是无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。根据上面的原理分析，移动通信系统中采用智能天线技术将带来以下的技术优势。

1．提高了基站接收机的灵敏度

如果采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号相对单个天线单元将增加 dB，其中， 为天线单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将由多径传播条件及上行波束赋形算法决定，其增加相对单个天线单元一般也为 dB左右。

2．提高了基站发射机的等效发射功率

同样，发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加 dB。其中， dB是 个发射机的效果，与波束成形算法和传播条件无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。

3．降低了系统的干扰，增加了CDMA系统的容量

基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用上述最大功率合成算法，则可能将干扰降低 dB。众所周知，CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说，降低干扰对CDMA系统极为重要，降低干扰就可以大大增加 CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，导致至少将CDMA系统容量增加一倍以上的可能性。

4．改进了小区的覆盖，并提高了频谱利用率。

对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形是根据可能需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化，非常方便。而且采用智能天线技术代替普通天线，提高了小区内频谱复用率，随着移动通信需求的日益增长，则可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。

5．降低了无线基站的成本

在无线基站设备中，高功率放大器(HPA)成本很高。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部分的成本。如上述，智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可以降低到单个功率放大器的1/N。这样，在智能天线系统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。

6．实现移动台定位。

采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂

窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出，而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。

四、结论

1． 移动通信业务需求增长迅速，采用智能天线技术将很好的提高移动通信特别是CDMA系统性能，改善服务，扩大系统容量、增大现有基站覆盖范围和提高频谱利用率，大大降低运营商成本。

2． 由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。 W－CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量,CDMA2000系统也正在研究采用智能天线技术。我国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例,从一定意义上，TD-SCDMA系统就是基于智能天线来设计的。目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一。

3． 智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。在使用智能天线时也必须结合使用其它基带数字信号处理技术，如联合检测、干扰抵消及Rake接收等等。

4．据资料介绍，智能天线技术不仅可以使用在TDD系统中，也完全可能使用到FDD系统中。世界上各国都在加紧对FDD系统中使用智能天线的技术进行研究，对使用智能天线的FDD基站样机进行开发，相信在移动通信技术发展中，智能天线有着美好的前景。

智能天线在CDMA网络优化中的作用

智能天线技术利用信号传输的空间特性，可达到抑制干扰、提取信号的目的。智能天线所形成的波束可实现空间滤波，对期望的信号方向具有高增益，而对不希望的干扰信号实现近似零陷作用，以达到抑制和减少干扰的目的。基于上述特性，采用智能天线技术可跟踪强信号、减少或抵消干扰信号、提高信干比、增加移动通信系统容量，降低信号发射功率、提高通信的覆盖范围，所以，3G广泛将智能天线作为可选技术，而TD－SCDMA也已将智能天线技术写入具体建议中。引入智能天线技术后，CDMA网络规划与优化中将产生新的特点。下面将对覆盖范围、容量、负荷平衡、专用波束分配等方面进行分析。应用智能天线的一个重要收益是覆盖范围的增加，使得移动用户不必增加上行发射功率就能比普通用户拥有与基站更远的通信距离，而基站也不必在下行链路发射更多的功率。应用智能天线可以显著地增加小区覆盖面积，从而减少基站数目，降低建设成本。但是，由于实际传播环境的复杂，当在城市高楼密集环境下，智能天线不能很好地区分期望信号与干扰信号，信干比会有所下降，面积增益也会相应下降。因此，在网络规划时，要保留一定的冗余。

采用智能天线，在提高期望信号增益的同时，可抑制干扰信号，从而增加了网络容量。在上行链路，如果在基站采用智能天线，则可对小区内外的干扰以相同的比例同时进行抑制。由于CDMA系统本身是干扰受限系统，对干扰的抑制必将转化为容量的增加，这对于频谱

日益紧张的无线通信，益处是不言而喻的。网络规划时，应对用户分布做好正确预测，合理布局基站。但应注意到，当用户密度过大时，智能天线则不能很好地区分用户，规划时须加以考虑。

由于实际通信系统中的负荷流量经常是不均匀的，经常会出现“热点”地区，而不均衡的流量意味着系统的容量未得到充分的利用。负荷平衡将根据网络流量的需求，平衡每个蜂窝或扇区的流量负荷。这时可利用智能天线的动态波束进行负荷平衡。比较可行的方式是采用预多波束智能天线，采用动态扇区调节和波束负荷两种方式进行负荷负担。动态扇区调节方式通过调节波束的方向和波宽来调节分布扇区的大小和位置，从而平衡高负荷程度。波束负荷方式则通过将一些窄波束定向到“热点”地区来平衡网络流量负荷。通过负荷平衡，可以大大降低高负荷水平同时提高网络的通信能力。此外，在越区切换中，智能天线同样也发挥着重要的作用。综上所述将智能天线应用到CDMA网络的规划与优化中，可以增加容量，扩大覆盖范围，进行良好的负荷分担，同时可以对于不同的业务分配不同的专用波束。这样运营商不但可以获得直接的经济效益，也增加了工作的便利性。

容量与速率齐加速

—智能天线/MIMO/BLAST技术介绍

近年来，随着用户规模扩大和业务种类多样化，无线运营商对无线系统语音和高速数据提供能力的要求也相应提高了许多。为了满足这些要求，必须有新的技术出现并应用，以最大程度地提高现有带宽内的容量，提高频谱利用率。

第三条路

在为一个CDMA网络做链路预算的过程中，朗讯科技认为必须考虑到小区负载问题，并且也是这样去做的。通常情况下，一个CDMA系统的初始小区负载会设计为最大容量的50％到60％，这在系统初初运营时是必要的。而当系统达到设计容量的满应用时，运营商就必须考虑增加新的容量点，以弥补小区覆盖的损失。

在此情况下，有两种方法可以选择: 一是通过增加新站址来增加覆盖率和容量，这样不仅在技术上相当困难，而且代价昂贵; 另一种可行方法则是更为充分地利用现有站址，即在其上增加新的载波，这也会增加相当昂贵的运营成本，因为对运营商来说无线频谱无疑是非常珍贵的资源。

从长远发展的需要来看，还有第三条路可走，即采用最为经济高效的方法，通过在最初设计时改进链路预算，增加容量。朗讯科技的智能天线技术正是为无线运营商提供的这样一种选择。在网络发展的过程中适时适地地部署这一解决方案，完全可以避免整个网络的重新设计，而在原有网络基础之上极大提升系统的容量。

技术的三种演进

目前无线网络多采用固定波束天线，通常是3扇区配置。朗讯科技智能天线技术将在现有系统基础上，提供指向被服务用户的动态波束，改善网络链路预算，提高系统容量。

依靠贝尔实验室的强大技术支持，朗讯科技正积极研发先进的智能天线技术，以期为客户提供相关服务，尤其是其MIMO/BLAST技术，更可广泛应用于 CDMA2000网络和UMTS/WCDMA 网络，提升网络质量。朗讯科技智能天线解决方案有三种演进技术：一是发送分集和2-Branch智能接收天线，二是波束赋形发送分集和4-Branch智能接收天线，三是MIMO/BLAST和多用户接收。在这三种技术中，后面的技术可以提供较前一种技术更大的系统增益。其对比如图1所示。

MIMO/BLAST技术

凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输出（MIMO）技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题，而作为MIMO技术的杰出代表，朗讯科技的BLAST技术更以其突破性的优异性能成为业界焦点。

传统无线通信理论一直将多径传播视为造成无线信号衰落的干扰之一。而朗讯科技BLAST技术则证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量，如图2所示。

理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。

鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国Thomas Edison（爱迪生）发明奖。不仅如此，朗讯科技在该技术产品化方面也取得了很大进展。2002年10月，世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，随即成为业界焦点。这一芯片支持最高4×4的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。

运营商得到好处

智能天线给运营商带来非常客观的收益，具体包括增加系统容量、提高系统覆盖、提高高速数据业务覆盖、降低每语音及数据用户服务成本，以及保护运营商现有投资等。

增加系统容量 平均而言，发送分集和2-Branch智能接收天线，能够在现有基础上将系统容量提高10%到25%; 采用波束赋形发送分集和4-Branch智能接收天线，能够将这一增长扩大到近一倍；而采用BLAST技术，系统容量的增加还能更高。

提高系统覆盖 通过智能天线技术，改善链路预算，能够提高系统的覆盖。

提高高速数据业务覆盖 在通常情况下，小区内对高速数据业务的支持仅限于靠近基站的小部分区域，而智能天线技术的采用，将使能小区内支持高速数据的覆盖面积增加非常大的一块，或者在原有区域内支持更多高速数据用户数，如图3所示。

降低每语音及每数据用户服务成本 虽然在网络中需要增加相应的软硬件才能支持智能天线技术，但由于系统容量得到很大提高，每语音用户和每数据用户的成本和传统天线系统相比，仍会有大幅的降低。

保护运营商现有投资 通过平滑的软硬件升级，运营商可以充分利用现有网络资源，在不更改网络结构和增加基站的情况下，实现系统容量的提升。朗讯科技的Flexent OneBTS

基站系统可以同时支持CDMA2000系统和WCDMA系统，并可以实现到智能天线的平滑升级，最大限度保护运营商的投资。

智能天线技术改善频谱使用效率

随着无线通信业的高速发展及无线通信用户的飞速增长，市场对无线通信技术的不断改进和更新提出了更高的要求。而如何提高无线频谱的使用效率则是近些年来各种新技术所面临解决的核心问题。尤其是当我国全面进入WTO后，移动通信产业随着同世界全面接轨，将面临新的挑战。目前，频率资源的投入已成为全球各运营商资金投入成本的重要组成部分。可以预言，在我国，频率资源不再无偿使用的日子已为期不远了。因此，如何采取新技术提高有限频率资源的使用效率已成为人们日益关注的课题。全球第一部移动手机的研发者，被誉为“世界手机之父”的马丁·库珀先生曾经说过“我们并不缺乏频率，我们缺乏的是频率的使用效率。”近些年来，随着微电子技术的高速发展，智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用于移动通信系统，并通过对无线数字信号的高速时空处理，极大的改善了无线信号的传输，成倍地提高了系统的容量和覆盖范围，从而极大的改善了频谱的使用效率。

一．智能天线的原理

智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，后来被引入移动通信系统中。智能天线通常包括波束转换智能天线(Switched Beam Antenna) 和自适应阵列智能天线(Adaptive Array Antenna)。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。目前，自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。

移动通信信道传输环境较恶劣。实际环境中的干扰和多径衰落现象异常复杂，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMA TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系统中的MAI（Multiple Access Interference）等都使链路性能、系统容量下降。

自适应阵列天线技术是近30年中最先进的无线技术之一，它利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束即最大增益点对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的（如图1所示）。使用自适应阵列天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等。

自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低；太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD中, 如美国ArrayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线的阵元间距为5个波长。间距宽而波束更窄，而PHS系统中采用TDD模式,因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都比较少，因而不会带来不利的影响。

阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线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。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。

虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备，但自适应阵列天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加噪声比最大。基带处理部分采用复杂的自适应算法。目前已经有多种有关时域和空域的算法提出，如通过时域获得天线最优加权算法有：最小均方算法(LMS) 、取样协方差矩阵的直接求逆(DMI)、递归最小均方误差(RLS)算法、恒模(CM)算法等；通过在空域对频谱进行分析以获得信号到达方位角(DOA) 估计的算法有：多信号分类法(MUSIC)算法、旋转不变技术信号参数估计法(ESPRIT)算法等。

二．空分多址技术（SDMA）的核心——自适应天线技术

近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这三种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（SDMA）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能。并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。而实现它的技术核心则是自适应智能天线技术。

自适应智能天线技术是一种软件技术，是当今软件无线电技术的基础。它使用了自适应阵列信号处理软件，对所有用户的无线信号进行高速时空处理从而实时调整无线信号的传输，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号。即使基站在充满噪音和干扰的环境中，也能监测并保持与多个不同的用户的通信连接,从而实现空分多址（SDMA）的效果。在网络中，这种先进的基站性能可以用来增加基站覆盖范围，从而降低网络成本，提高系统容量，最终达到提高频率使用效率的目的。 SDMA可以与任何空间调制方式或频段兼容，因此具有巨大的实用价值。

空分多址的基站组件就是一种先进的自适应天线阵列系统。自适应阵列天线系统持续监控其覆盖的范围，针对不断变化的无线环境（包括移动用户和干扰信号），系统将提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户，为用户所在的方向提供最大的增益，同时抑制其他用户的干扰，以适应用户的位置移动。

SDMA系统的处理程序如下：

1．系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形式，并存储在内存中。

2．计算机中的SDMA处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户、干扰源及其所在的位置。

3．处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略，每位用户的信号接收质量将大大提高，而其它用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽。

4．系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。在此基础上，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道—空间信道实现高效的传输。

5．在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。

利用上述流程，SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道，每一条信道都可以完全获得整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论上而言，带

有m个单元的阵列能够在每条普通信道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可见， SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍地提高频谱使用效率。

三．自适应智能天线技术提高频谱使用率

自适应智能天线技术是一种物理层技术，它并不影响系统的高层协议，因此，它适用于各种无线接口。按照对传统的智能天线的理解，自适应智能天线技术由于其技术特点的限制仅适用于TDD系统，而现在随着这一新技术的不断完善，它在FDD系统中的应用同样能达到理想的效果。实验及现场测试表明，自适应智能天线技术能应用于PHS，WLL，GSM/GPRS/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系统，使系统的容量及覆盖范围都成倍地提高。

在现有的PHS商用系统中，有近十万台基站装备了自适应智能天线系统，而其中近五万台装备在中国。由于使用了自适应智能天线技术，基站通过上行信息分析每个用户及干扰源的位置，为每个用户波束赋形，以增强用户的信号增益，同时最大限度地降低对其他用户的干扰，这样，网络的频率复用模式可以从传统的（7， 3）复用，改为（4，3）复用，甚至（1，3）复用，频率的复用距离可以减小一倍或数倍，且网络的服务质量不变。在此基础上，SDMA技术的应用，可以使系统增加多达一倍的空分信道。系统的总容量达到数倍地增加。

对于GSM/GPRS/EDGE系统而言，跳频技术的应用是传统的提高系统容量的方式，但跳频技术只能起到平均网络干扰的作用，并不能主动地降低网络的干扰电平，虽然它也在一定程度上缓解了热点地区的容量与频谱间的矛盾，但它只是对网络容量的一种优化调整，并没有在根本上改善频谱的使用效率。而采取自适应智能天线技术，结合传统的调频技术，可以使传统的跳频负载的限制由原来的50%提高到100%，且频率的复用模式可以由原来的（1，

3）改为更紧密地（1，1）复用。网络的仿真及现场测试表明，采用自适应智能天线技术后，跳频负载提高到100%后，网络的服务质量不低于调整前。也就是说，频谱的使用效率较传统的提高四倍（在采取四天线阵的情况下）。

CDMA系统是一种自干扰系统，无论IS-95CDMA，WCDMA还是CDMA2000，系统的射频污染是影响系统容量的重要因素。由于自适应智能天线系统采用有选择性的空间传输，因此基站发射的功率可以远远低于普通的基站，从而可减少网络内的射频污染，同时减小功率放大器的规格。首先，功率可分配到每个单元，然后，由于能量根据方向而提供，所以输送到每个单元的功率就随之减少。如果阵列部署有10个单元，则每个单元的放大器只需发射来自相关天线系统的 1%的功率。而且能量只集中在有效用户的位置，对其他用户位置的能量辐射最小，从而最大限度地减少网络空间的射频污染，降低干扰电平，提高系统容量。

四．软件无线电技术的雏形

从自适应智能天线技术的实现原理可以看出，自适应智能天线的核心在于基带的数字处理部分，它由数个软件功能模块组成。自适应智能天线系统针对不同的通信标准以及不同的应用环境有不同的解决方案，基站系统只需通过软件置换即可实现基站设备的重新配置，而基站系统的射频结构及其它硬件结构则不需作任何调整。这正是当今软件无线电的概念。虽然现在的自适应智能天线系统硬件平台的通用性还有一定的限制，但这种限制并不是来源于自适应智能天线技术本身。因此，从自适应智能天线的技术特点上来看，它已具备了软件无

线电技术的基本构成要件，是软件无线电技术的雏形。

结束语：

自适应智能天线技术以其技术的先进性正越来越多地被人们所重视，随着无线通信业务的发展，自适应智能天线技术将可以帮助运营商经济高效地完成系统的部署，从而提供优质的服务。用户则将是这种技术的最终受益者，能够以较低的费用获得清晰的通话质量，而这就将成为通信发展的原动力，推动通信技术的不断发展。