目前，頻率資源的投入已成為全球各運營(yíng)商資金投入成本的重要組成部分?？梢灶A言，在我國，頻率資源不再無(wú)償使用的日子已為期不遠了。因此，如何采取新技術(shù)提高有限頻率資源的使用效率已成為人們日益關(guān)注的課題。全球第一部移動(dòng)手機的研發(fā)者，被譽(yù)為“世界手機之父”的馬丁·庫珀先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“我們并不缺乏頻率，我們缺乏的是頻率的使用效率。”近些年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展，智能天線(xiàn)技術(shù)作為有效解決這一問(wèn)題的新技術(shù)已成功應用于移動(dòng)通信系統，并通過(guò)對無(wú)線(xiàn)數字信號的高速時(shí)空處理，極大的改善了無(wú)線(xiàn)信號的傳輸，成倍地提高了系統的容量和覆蓋范圍，從而極大的改善了頻譜的使用效率。

一、智能天線(xiàn)的原理

智能天線(xiàn)最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域，后來(lái)被引入移動(dòng)通信系統中。智能天線(xiàn)通常包括波束轉換智能天線(xiàn)(SwitchedBeamAntenna)和自適應陣列智能天線(xiàn)(AdaptiveArrayAntenna)。自適應陣列智能天線(xiàn)利用基帶數字信號處理技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行自適應的賦形，從而達到降低干擾、增加容量、擴大覆蓋和提高無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率的目的。目前，自適應陣列智能天線(xiàn)已經(jīng)成為智能天線(xiàn)發(fā)展的主流。

移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣。實(shí)際環(huán)境中的干擾和多徑衰落現象異常復雜，多徑衰落、時(shí)延擴展造成的符號間串擾ISI（Inter-SymbolInterference）、FDMATDMA系統（如GSM）由于頻率復用引入的同信道干擾（CCI，Co-ChannelInterference）、CDMA系統中的MAI（MultipleAccessInterference）等都使鏈路性能、系統容量下降。

自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)是近30年中最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)之一，它利用基帶數字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束即最大增益點(diǎn)對準用戶(hù)信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而給有用信號帶來(lái)最大增益，有效的減少多徑效應所帶來(lái)的影響，同時(shí)達到對干擾信號刪除和抑制的目的（如圖1所示）。使用自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)能帶來(lái)很多好處，如擴大系統覆蓋區域、提高系統容量、提高數據傳輸速率、提高頻譜利用效率、降低基站發(fā)射功率、節省系統成本、減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染等。


自適應陣天線(xiàn)一般采用4～16天線(xiàn)陣元結構，在FDD中陣元間距1／2波長(cháng)，若陣元間距過(guò)大，則接收信號彼此相關(guān)程度降低；太小則會(huì )在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長(cháng)。而在TDD中,如美國ArrayComm公司在PHS系統中的自適應陣列天線(xiàn)的陣元間距為5個(gè)波長(cháng)。間距寬而波束更窄，而PHS系統中采用TDD模式,因而更容易進(jìn)行定位處理。即使旁瓣多，但由于用戶(hù)和信道都比較少，因而不會(huì )帶來(lái)不利的影響。
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陣元分布方式有直線(xiàn)型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線(xiàn)是智能天線(xiàn)的主要類(lèi)型，可以實(shí)現全向天線(xiàn)，完成用戶(hù)信號接收和發(fā)送。自適應陣天線(xiàn)系統采用數字信號處理技術(shù)識別用戶(hù)信號到達方向，并在此方向形成天線(xiàn)主波束。自適應陣天線(xiàn)根據用戶(hù)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(xiàn)傳輸的線(xiàn)纜，有效克服了干擾對系統的影響。

雖然天線(xiàn)陣列是射頻前端的很重要的設備，但自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)最重要的部分還在于基帶處理部分?；鶐Р糠謱⒆赃m應天線(xiàn)陣接收到的信號進(jìn)行加權和合并，從而使信號與干擾加噪聲比最大?；鶐幚聿糠植捎脧碗s的自適應算法。目前已經(jīng)有多種有關(guān)時(shí)域和空域的算法提出，如通過(guò)時(shí)域獲得天線(xiàn)最優(yōu)加權算法有：最小均方算法(LMS)、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆(DMI)、遞歸最小均方誤差(RLS)算法、恒模(CM)算法等；通過(guò)在空域對頻譜進(jìn)行分析以獲得信號到達方位角(DOA)估計的算法有：多信號分類(lèi)法(MUSIC)算法、旋轉不變技術(shù)信號參數估計法(ESPRIT)算法等。

下圖為自適應智能天線(xiàn)實(shí)現的簡(jiǎn)單原理圖：


二、空分多址技術(shù)（SDMA）的核心——自適應天線(xiàn)技術(shù)

近幾十年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信經(jīng)歷了從模擬到數字，從固定到移動(dòng)的重大變革。而就移動(dòng)通信而言，為了更有效地利用有限的無(wú)線(xiàn)頻率資源，時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）、頻分多址技術(shù)（FDMA）、碼分多址技術(shù)（CDMA）得到了廣泛的應用，并在此基礎上建立了GSM和CDMA兩大主要的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )。就技術(shù)而言，現有的這三種多址技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應用，頻譜的使用效率已經(jīng)發(fā)揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g(shù)（SDMA）則突破了傳統的三維思維模式，在傳統的三維技術(shù)的基礎上，在第四維空間上極大的拓寬了頻譜的使用方式，使得移動(dòng)用戶(hù)僅僅由于空間位置的不同而復用同一個(gè)傳統的物理信道成為可能。并將移動(dòng)通信技術(shù)引入了一個(gè)更為嶄新的領(lǐng)域。而實(shí)現它的技術(shù)核心則是自適應智能天線(xiàn)技術(shù)。

自適應智能天線(xiàn)技術(shù)是一種軟件技術(shù)，是當今軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基礎。它使用了自適應陣列信號處理軟件，對所有用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行高速時(shí)空處理從而實(shí)時(shí)調整無(wú)線(xiàn)信號的傳輸，為每位用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號。即使基站在充滿(mǎn)噪音和干擾的環(huán)境中，也能監測并保持與多個(gè)不同的用戶(hù)的通信連接,從而實(shí)現空分多址（SDMA）的效果。在網(wǎng)絡(luò )中，這種先進(jìn)的基站性能可以用來(lái)增加基站覆蓋范圍，從而降低網(wǎng)絡(luò )成本，提高系統容量，最終達到提高頻率使用效率的目的。SDMA可以與任何空間調制方式或頻段兼容，因此具有巨大的實(shí)用價(jià)值。

空分多址的基站組件就是一種先進(jìn)的自適應天線(xiàn)陣列系統。自適應陣列天線(xiàn)系統持續監控其覆蓋的范圍，針對不斷變化的無(wú)線(xiàn)環(huán)境（包括移動(dòng)用戶(hù)和干擾信號），系統將提供有效的天線(xiàn)發(fā)送和接收模式來(lái)跟蹤用戶(hù)，為用戶(hù)所在的方向提供最大的增益，同時(shí)抑制其他用戶(hù)的干擾，以適應用戶(hù)的位置移動(dòng)。
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SDMA系統的處理程序如下：

1．系統將首先對來(lái)自所有天線(xiàn)中的信號進(jìn)行快照或取樣，然后將其轉換成數字形式，并存儲在內存中。

2．計算機中的SDMA處理器將立即分析樣本，對無(wú)線(xiàn)環(huán)境進(jìn)行評估，確認用戶(hù)、干擾源及其所在的位置。

3．處理器對天線(xiàn)信號的組合方式進(jìn)行計算，力爭最佳地恢復用戶(hù)的信號。借助這種策略，每位用戶(hù)的信號接收質(zhì)量將大大提高，而其它用戶(hù)的信號或干擾信號則會(huì )遭到屏蔽。

4．系統將進(jìn)行模擬計算，使天線(xiàn)陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。在此基礎上，每位用戶(hù)的信號都可以通過(guò)單獨的通信信道—空間信道實(shí)現高效的傳輸。

5．在上述處理的基礎上，系統就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號，從而使這些信道成為雙向信道。

利用上述流程，SDMA系統就能夠在一條普通信道上創(chuàng )建大量的頻分、時(shí)分或碼分雙向空間信道，每一條信道都可以完全獲得整個(gè)陣列的增益和抗干擾功能。從理論上而言，帶有m個(gè)單元的陣列能夠在每條普通信道上支持m條空間信道。但在實(shí)際應用中支持的信道數量將略低于這個(gè)數目，具體情況則取決于環(huán)境。由此可見(jiàn)，SDMA系統可使系統容量成倍增加，使得系統在有限的頻譜內可以支持更多的用戶(hù)，從而成倍地提高頻譜使用效率。

三、自適應智能天線(xiàn)技術(shù)提高頻譜使用率

自適應智能天線(xiàn)技術(shù)是一種物理層技術(shù)，它并不影響系統的高層協(xié)議，因此，它適用于各種無(wú)線(xiàn)接口。按照對傳統的智能天線(xiàn)的理解，自適應智能天線(xiàn)技術(shù)由于其技術(shù)特點(diǎn)的限制僅適用于TDD系統，而現在隨著(zhù)這一新技術(shù)的不斷完善，它在FDD系統中的應用同樣能達到理想的效果。實(shí)驗及現場(chǎng)測試表明，自適應智能天線(xiàn)技術(shù)能應用于PHS，WLL，GSM/GPR/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系統，使系統的容量及覆蓋范圍都成倍地提高。

在現有的PHS商用系統中，有近十萬(wàn)臺基站裝備了自適應智能天線(xiàn)系統，而其中近五萬(wàn)臺裝備在中國。由于使用了自適應智能天線(xiàn)技術(shù)，基站通過(guò)上行信息分析每個(gè)用戶(hù)及干擾源的位置，為每個(gè)用戶(hù)波束賦形，以增強用戶(hù)的信號增益，同時(shí)最大限度地降低對其他用戶(hù)的干擾，這樣，網(wǎng)絡(luò )的頻率復用模式可以從傳統的（7，3）復用，改為（4，3）復用，甚至（1，3）復用，頻率的復用距離可以減小一倍或數倍，且網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量不變。在此基礎上，SDMA技術(shù)的應用，可以使系統增加多達一倍的空分信道。系統的總容量達到數倍地增加。

對于GSM/GPRS/EDGE系統而言，跳頻技術(shù)的應用是傳統的提高系統容量的方式，但跳頻技術(shù)只能起到平均網(wǎng)絡(luò )干擾的作用，并不能主動(dòng)地降低網(wǎng)絡(luò )的干擾電平，雖然它也在一定程度上緩解了熱點(diǎn)地區的容量與頻譜間的矛盾，但它只是對網(wǎng)絡(luò )容量的一種優(yōu)化調整，并沒(méi)有在根本上改善頻譜的使用效率。而采取自適應智能天線(xiàn)技術(shù)，結合傳統的調頻技術(shù)，可以使傳統的跳頻負載的限制由原來(lái)的50%提高到100%，且頻率的復用模式可以由原來(lái)的（1，3）改為更緊密地（1，1）復用。網(wǎng)絡(luò )的仿真及現場(chǎng)測試表明，采用自適應智能天線(xiàn)技術(shù)后，跳頻負載提高到100%后，網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量不低于調整前。也就是說(shuō)，頻譜的使用效率較傳統的提高四倍（在采取四天線(xiàn)陣的情況下）。

CDMA系統是一種自干擾系統，無(wú)論IS-95CDMA，WCDMA還是CDMA2000，系統的射頻污染是影響系統容量的重要因素。由于自適應智能天線(xiàn)系統采用有選擇性的空間傳輸，因此基站發(fā)射的功率可以遠遠低于普通的基站，從而可減少網(wǎng)絡(luò )內的射頻污染，同時(shí)減小功率放大器的規格。首先，功率可分配到每個(gè)單元，然后，由于能量根據方向而提供，所以輸送到每個(gè)單元的功率就隨之減少。如果陣列部署有10個(gè)單元，則每個(gè)單元的放大器只需發(fā)射來(lái)自相關(guān)天線(xiàn)系統的1%的功率。而且能量只集中在有效用戶(hù)的位置，對其他用戶(hù)位置的能量輻射最小，從而最大限度地減少網(wǎng)絡(luò )空間的射頻污染，降低干擾電平，提高系統容量。
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表1及表2是加入自適應智能天線(xiàn)技術(shù)后各種無(wú)線(xiàn)接口標準下基站的容量及頻譜使用效率。


四、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的雛形

從自適應智能天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現原理可以看出，自適應智能天線(xiàn)的核心在于基帶的數字處理部分，它由數個(gè)軟件功能模塊組成。自適應智能天線(xiàn)系統針對不同的通信標準以及不同的應用環(huán)境有不同的解決方案，基站系統只需通過(guò)軟件置換即可實(shí)現基站設備的重新配置，而基站系統的射頻結構及其它硬件結構則不需作任何調整。這正是當今軟件無(wú)線(xiàn)電的概念。雖然現在的自適應智能天線(xiàn)系統硬件平臺的通用性還有一定的限制，但這種限制并不是來(lái)源于自適應智能天線(xiàn)技術(shù)本身。因此，從自適應智能天線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)上來(lái)看，它已具備了軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基本構成要件，是軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的雛形。

結束語(yǔ)：

自適應智能天線(xiàn)技術(shù)以其技術(shù)的先進(jìn)性正越來(lái)越多地被人們所重視，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，自適應智能天線(xiàn)技術(shù)將可以幫助運營(yíng)商經(jīng)濟高效地完成系統的部署，從而提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。用戶(hù)則將是這種技術(shù)的最終受益者，能夠以較低的費用獲得清晰的通話(huà)質(zhì)量，而這就將成為通信發(fā)展的原動(dòng)力，推動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展。

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