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智能天線的工作原理是什么？

（2024年11月23日更新）

智能天線的工作原理是什么？

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隨著移動用戶數量的快速增加，特別是在中國人口密度大的城市，移動業務運營公司和頻率資源管理部門將面臨頻率資源短缺的巨大挑戰，頻率資源已成為制約持續發展的瓶頸，隨著用戶數量的增加，問題將變得越來越嚴重。面對挑戰，人們提出了不同的解決方案，有兩種方法得到了廣泛的認可：一種是移動運營公司調整基本網絡的組成，增加基站和社區的數量。該方法需要相對巨大的基礎設施投資，干擾問題更加突出；二是擴大頻譜帶寬，需要更高的頻率資源成本，頻率資源有限，頻譜帶寬不能無限擴展。基于這一現實，智能無線技術應運而生。智能無線技術最大的優點是可以大大提高現有無線網絡的容量，所需的經濟成本相對合理。

基本原理：智能天線采用空分多址技術(SCDMA),利用信號在傳輸方向上的差異，區分相同頻率、間隙和碼道的信號，最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣列和基于基帶的數字信號處理技術組成。

下圖描述了智能天線的工作TDD方式CDMA基站的示意框圖。與沒有智能天線的傳統基站相比，它的射頻部分由一個天線陣和一組收發信機組成，而基帶信號處理部分的硬件基本相同。必須注意的是，這組收發信機將使用相同的振動源，以確保這組收發信機是相關的。

每個射頻收發信機都有ADC和DAC,將接收到的基帶模擬信號轉換為數字信號；將待發射的數字信號轉換為模擬基帶信號。所有接收和接收的數字信號都通過一組高速數字濾波器總線和基帶數字信號處理器連接。

多個用戶終端的信號是多址干擾、衰落、多傳播和多譜勒頻移，以及其他干擾和白噪聲。第n時刻輸出圖中第一個接收器S i(n)表示。每個碼道的接收數據可以通過解擴和相應的數字信號處理獲得。如果以X j i(∫)表示第j碼道第∫智能天線的總接收數據為：

其中:W其矩陣元素是上行波束賦形矩陣W ij(∫)。

智能天線的下一步是實現其下行波束賦形，下行波束賦形∫符號可以表示為Y j(∫)。通過智能天線的下行波束賦形(調整基站各發射機發射的信號的范圍和相位)，第一天線陣元發射的信號可以表示為:

其中:U為元素的U j i(∫)下波束賦形矩陣。顯然，為了獲得最佳的接收效果，我們必須找到一個好的上波束形成算法，即W矩陣；為了獲得最佳信號，我們必須找到一個好的下波束形成算法，即U矩陣。必須注意的是，當要求波束形成矩陣時，只知道天線陣列的幾何結構和各種接收器收到的信號。在這方面，學術界做了大量的工作，可以采用多種算法，其主要限制是基帶信號處理能力和對系統實時性的要求。

即使是最大功率合成算法作為簡化的特例W=X,獲得成形，在TDD在模式系統中，如果構成智能天線系統的射頻收發信機是全方位的，由于上下波傳輸條件相同，上波束賦形矩陣可以直接用于下行U=W。

TD-SCDMA天線采用環形天線陣，8個完全相同的天線元素均勻分布在半徑為r的圓上。智能天線的功能由天線陣和連接的基帶數字信號處理部分共同完成。智能天線的仰角輻射圖與每個天線元相同。在360°為了消除干擾，波束也可以在干擾處設置零點，零點的天線輻射電平比最大輻射方向低40點左右 dB。

現狀及其發展方向：在日本，我們可以看到許多智能天線的例子。一些運營商使用該技術，網絡容量甚至提高了6倍；該技術也適用于3G在某些國家，網絡WCDMA在網絡中，利用智能無線技術將城市的無線網絡容量提高了3倍，甚至在郊區提高了6倍。由于我國大城市的人口密度普遍較高，因此提高無線網絡容量對運營公司來說尤為重要。在提高無線網絡容量的同時，也相應提高了覆蓋范圍。由于采用智能無線技術，提高了社區的信號質量，減少了鄰近社區的干擾，也擴大了覆蓋范圍。根據試驗數據，如果是在WCDMA采用智能無線技術，城市覆蓋范圍可擴大1倍，郊區可擴大3倍。智能無線技術的干擾緩解機制也有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號功率可以集中在特定的用戶終端上，基站和用戶終端只需要較小的發射功率就可以達到相同的信號質量水平。雖然智能無線技術需要配置多個天線，因此增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發射功率大大降低，單價大大降低；由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高，使用多個低功率放大器大大節省了投資，提高了整個功率放大器系統的可靠性。

智能天線(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初用于雷達、聲納和軍用通信。近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，DSP隨著芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，利用數字技術在基帶中形成天線波束是可行的，推動智能天線技術廣泛應用于無線通信。由于智能天線可以顯著提高系統的性能和容量，提高天線系統的靈活性，幾乎所有先進的移動通信系統都將在未來使用。

天線在移動通信系統中起著發射和接收空間電磁坡的重要作用。天線性能直接影響移動通信系統的性能。

智能天線系統(smart antenna system)具有提高移動通信系統容量、質量、減少干擾的功能。目前，移動通信系統正處于大力發展移動數據通信業務、逐步向第三代移動通信過渡的階段，需要解決提高載波與干擾的比例（稱為載干比，C/1)實現提供更高數據傳輸速率和增加系統容量的目標。智能天線系統的應用將在實現上述兩個目標中發揮重要作用。

智能天線是將無線電信號引向特定方向的先進技術，使無線電頻譜的利用率更高，信號傳輸更有效。所謂先進技術，主要是指波束轉換技術和自適應空間數字處理技術。智能天線有波束轉換智能天線和自適應智能天線。智能天線分為多波束天線和自適應天線陣列兩類。多波束天線用多個并行波束覆蓋整個用戶區方向固定，波束寬度也根據天線元的數量確定。當用戶在社區中移動時，基站選擇不同的相應波束，使接收信號最強。由于用戶信號不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣和干擾信號位于波束中心時，接收效果最差，因此多波束天線不能實現最佳信號接收，通常僅用作接收天線。但與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結構簡單、無需確定用戶信號到達方向的優點。自適應天線陣列一般采用4~16天線陣元結構，陣元間距為半波長。天線陣元分布有直線型、圓環型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以接收和發送用戶信號。采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向的自適應天線陣列系統，并在天線主波束。下面簡單介紹一下兩個智能天線:

1.波束轉換智能天線智能天線是在分區傳輸途徑的概念上發展起來的。這種天線將現用的全向天線或1200方向天線改為多個分區的窄波束(通常是15°～30°)天線。由于移動通信系統基站天線系統覆蓋面積大，大部分天線功率在無效電波傳輸中喪失。窄波束天線縮小了覆蓋面積，從而相對提高了信號的強度。例如,30°窄波束的覆蓋面積只有1200天線覆蓋面積的四分之一()，因此接收同頻道區域干擾的窗口也縮小到四分之一。原則上，窄波束天線接收到的干擾也減少到四分之一，相當于將載波干擾比提高6分貝。

窄波束天線系統需要數字信號處理(DSP)該技術繼續選擇該地區每個移動手機的最佳波束，以確保波束轉換可以在任何間隙內實現（根據全球移動通信系統的標準，間隙的長度為0.57毫秒）。該技術稱為波束轉換技術(swithched beam technology)而這種智能天線又稱波束轉換智能天線。

2.自適應智能天線自適應智能天線系統實現話務負荷平衡的原理。它用自適應空間數字處理技術測量不同波束的信號強度，動態改變各風扇區域的波束寬度和方向角，以適應電話負荷分布的變化。圖2左圖顯示三個扇區負荷不平衡，b區域負荷最輕，自適應放寬波束寬度，承受原c區負荷；c區自適應改變方向角，轉向原a區，分擔a區部分負荷，支撐a區負荷過大，實現話務負荷平衡。自適應智能天線系統比波束轉換智能天線具有更先進的系統性能，但由于技術復雜、成本高，實際應用較少。

近年來，智能天線技術已成為移動通信中最具吸引力的技術之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術利用信號在傳輸方向上的差異，區分同頻率、同間隙、同碼道的信號，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向天線相比，上下鏈路的天線增益大大提高，降低了發射功率電平，提高了信噪比，有效克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減少了與社區其他用戶和相鄰社區用戶的干擾，也減少了移動通信通道的多徑效應。CDMA該系統是一個功率有限的系統。智能天線的應用實現了提高天線增益和減少系統干擾的兩個目的，顯著擴大了系統容量，提高了頻譜利用率。

本質上，智能天線利用多個天線單元空間的正交性，即空分多址復用(SDMA)提高系統容量和頻譜利用率的功能。TD-SCDMA充分利用了系統CDMA、TDMA、FD?MA和SDMA這四種多址方法的技術優勢使系統性能最佳化。

智能天線的核心在于數字信號處理部分，使天線陣列產生定向波束指向用戶，并自動調整系數以實現所需的空間濾波。智能天線需要解決的兩個關鍵問題是識別信號的方向和實現數字分配。

TD-SCDMA智能天線由8個完全相同的天線元素均勻分布在半徑為R的圓上組成。智能天線的功能由天線陣和連接的基帶數字信號處理部分共同完成。智能天線的仰角輻射圖與每個天線元相同。方向角的方向圖由基帶處理器控制，根據通信用戶的分布，可同時產生多個波束°任意賦形范圍內。為了消除干擾，波束賦形也可以在干擾處設置零點，零點的天線輻射電平比最大輻射方向低40點左右dB。TD-SCDMA使用智能天線N=8時，單振子天線的增長分別大于無方向單振子天線dB(接收)和18dB(發射)。每個振子的增加Powerex代理益為8dB，天線的最大收益為17dB，最大發射增益為26dB。由于基站智能天線的發射增益遠大于接收增益，因此傳輸不對稱IP非常適合下載大型業務信息等數據。

智能天線(Smart Antenna或Intelligent Antenna)是SCDMA無線接入系統的核心技術之一。利用時間雙工(TDD)在基站使用智能天線技術，使上下射頻信道完全對稱。通過對每個天線元及其連接的接收器中相關接收到的終端信號的反應，獲得信號的空間特征矢量和矩陣，獲得信號的功率估值和到達方向(DOA)在此基礎上，可以計算每個天線陣元中下行信號的權重，解決天線上下波束賦形、消除多址干擾、抗多徑干擾、平衡等問題。該系統為每條碼道產生天線波束，實現空分多址(SDMA)。結果不僅增加了通信距離，而且簡化了信號處理的復雜性大大降低了干擾，增加了系統容量。

智能天線最初僅用于雷達、聲納和軍事通信。近年來，隨著微電子技術的快速發展，智能天線技術已成功應用于移動通信系統，通過無線數字信號的高速時空處理，大大提高了頻譜的使用效率。

智能天線的基本思想是：天線動態跟蹤多個高增益窄波束的多個預期用戶。在接收模式下，窄波束以外的信號受到抑制。在發射模式下，預期用戶接收的信號功率最大，窄波束照射范圍以外的非預期用戶干擾最小。智能天線利用不同的用戶空間位置來區分不同的用戶。不同于傳統的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA),智能天線引入第四種多址方式：空分多址(SDMA)。也就是說，在相同的間隙、相同的頻率或相同的地址代碼下，仍然可以根據不同信號的中間傳輸路徑進行區分。

智能天線分為多波束天線和自適應天線陣列兩類。

多波束天線使用多個并行波束覆蓋整個用戶區域，每個波束的方向是固定的，波束線元的數量。當用戶在社區中移動時，基站選擇不同的相應波束，使接收信號最強。多波束天線不能實現最佳信號接收，通常只用作接收天線。但與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結構簡單、無需確定用戶信號到達方向的優點。

自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號的接收和發送。自適應天線陣列一般采用4-16天線陣列結構，陣列間距為半波長。自適應陣列天線技術可擴大系統覆蓋面積，提高系統容量，提高數據傳輸速率，提高頻譜利用效率，降低基站發射功率，節約系統成本，減少信號間干擾和電磁環境污染。