【導讀】隨著無線通信業(yè)的高速發(fā)展及無線通信用戶的飛速增長，市場對無線通信技術的不斷改進和更新提出了更高的要求。而如何提高無線頻譜的使用效率則是近些年來各種新技術所面臨解決的核心問題。尤其是當我國全面進入WTO后，移動通信產業(yè)隨著同世界全面接軌，將面臨新的挑戰(zhàn)。
目前，頻率資源的投入已成為全球各運營商資金投入成本的重要組成部分?？梢灶A言，在我國，頻率資源不再無償使用的日子已為期不遠了。因此，如何采取新技術提高有限頻率資源的使用效率已成為人們日益關注的課題。全球第一部移動手機的研發(fā)者，被譽為“世界手機之父”的馬丁·庫珀先生曾經說過“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，隨著微電子技術的高速發(fā)展，智能天線技術作為有效解決這一問題的新技術已成功應用于移動通信系統(tǒng)，并通過對無線數字信號的高速時空處理，極大的改善了無線信號的傳輸，成倍地提高了系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，從而極大的改善了頻譜的使用效率。
一、智能天線的原理
智能天線最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域，后來被引入移動通信系統(tǒng)中。智能天線通常包括波束轉換智能天線(SwitchedBeamAntenna)和自適應陣列智能天線(AdaptiveArrayAntenna)。自適應陣列智能天線利用基帶數字信號處理技術，通過先進的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進行自適應的賦形，從而達到降低干擾、增加容量、擴大覆蓋和提高無線數據傳輸速率的目的。目前，自適應陣列智能天線已經成為智能天線發(fā)展的主流。
移動通信信道傳輸環(huán)境較惡劣。實際環(huán)境中的干擾和多徑衰落現象異常復雜，多徑衰落、時延擴展造成的符號間串擾ISI（Inter-SymbolInterference）、FDMATDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復用引入的同信道干擾（CCI，Co-ChannelInterference）、CDMA系統(tǒng)中的MAI（MultipleAccessInterference）等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。
自適應陣列天線技術是近30年中最先進的無線技術之一，它利用基帶數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而給有用信號帶來最大增益，有效的減少多徑效應所帶來的影響，同時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技術能帶來很多好處，如擴大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域、提高系統(tǒng)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(jié)省系統(tǒng)成本、減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染等。
自適應陣天線一般采用4～16天線陣元結構，在FDD中陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關程度降低；太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長。而在TDD中,如美國ArrayComm公司在PHS系統(tǒng)中的自適應陣列天線的陣元間距為5個波長。間距寬而波束更窄，而PHS系統(tǒng)中采用TDD模式,因而更容易進行定位處理。即使旁瓣多，但由于用戶和信道都比較少，因而不會帶來不利的影響。
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陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應天線是智能天線的主要類型，可以實現全向天線，完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應陣天線系統(tǒng)采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。自適應陣天線根據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的線纜，有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。
雖然天線陣列是射頻前端的很重要的設備，但自適應陣列天線技術最重要的部分還在于基帶處理部分。基帶部分將自適應天線陣接收到的信號進行加權和合并，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。目前已經有多種有關時域和空域的算法提出，如通過時域獲得天線最優(yōu)加權算法有：最小均方算法(LMS)、取樣協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；通過在空域對頻譜進行分析以獲得信號到達方位角(DOA)估計的算法有：多信號分類法(MUSIC)算法、旋轉不變技術信號參數估計法(ESPRIT)算法等。
下圖為自適應智能天線實現的簡單原理圖：
二、空分多址技術（SDMA）的核心——自適應天線技術
近幾十年來，無線通信經歷了從模擬到數字，從固定到移動的重大變革。而就移動通信而言，為了更有效地利用有限的無線頻率資源，時分多址技術（TDMA）、頻分多址技術（FDMA）、碼分多址技術（CDMA）得到了廣泛的應用，并在此基礎上建立了GSM和CDMA兩大主要的移動通信網絡。就技術而言，現有的這三種多址技術已經得到了充分的應用，頻譜的使用效率已經發(fā)揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g（SDMA）則突破了傳統(tǒng)的三維思維模式，在傳統(tǒng)的三維技術的基礎上，在第四維空間上極大的拓寬了頻譜的使用方式，使得移動用戶僅僅由于空間位置的不同而復用同一個傳統(tǒng)的物理信道成為可能。并將移動通信技術引入了一個更為嶄新的領域。而實現它的技術核心則是自適應智能天線技術。
自適應智能天線技術是一種軟件技術，是當今軟件無線電技術的基礎。它使用了自適應陣列信號處理軟件，對所有用戶的無線信號進行高速時空處理從而實時調整無線信號的傳輸，為每位用戶提供優(yōu)質的上行鏈路和下行鏈路信號。即使基站在充滿噪音和干擾的環(huán)境中，也能監(jiān)測并保持與多個不同的用戶的通信連接,從而實現空分多址（SDMA）的效果。在網絡中，這種先進的基站性能可以用來增加基站覆蓋范圍，從而降低網絡成本，提高系統(tǒng)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，因此具有巨大的實用價值。
空分多址的基站組件就是一種先進的自適應天線陣列系統(tǒng)。自適應陣列天線系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控其覆蓋的范圍，針對不斷變化的無線環(huán)境（包括移動用戶和干擾信號），系統(tǒng)將提供有效的天線發(fā)送和接收模式來跟蹤用戶，為用戶所在的方向提供最大的增益，同時抑制其他用戶的干擾，以適應用戶的位置移動。
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SDMA系統(tǒng)的處理程序如下：
1．系統(tǒng)將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣，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，對無線環(huán)境進行評估，確認用戶、干擾源及其所在的位置。
3．處理器對天線信號的組合方式進行計算，力爭最佳地恢復用戶的信號。借助這種策略，每位用戶的信號接收質量將大大提高，而其它用戶的信號或干擾信號則會遭到屏蔽。
4．系統(tǒng)將進行模擬計算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。在此基礎上，每位用戶的信號都可以通過單獨的通信信道—空間信道實現高效的傳輸。
5．在上述處理的基礎上，系統(tǒng)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(tǒng)就能夠在一條普通信道上創(chuàng)建大量的頻分、時分或碼分雙向空間信道，每一條信道都可以完全獲得整個陣列的增益和抗干擾功能。從理論上而言，帶有m個單元的陣列能夠在每條普通信道上支持m條空間信道。但在實際應用中支持的信道數量將略低于這個數目，具體情況則取決于環(huán)境。由此可見，SDMA系統(tǒng)可使系統(tǒng)容量成倍增加，使得系統(tǒng)在有限的頻譜內可以支持更多的用戶，從而成倍地提高頻譜使用效率。
三、自適應智能天線技術提高頻譜使用率
自適應智能天線技術是一種物理層技術，它并不影響系統(tǒng)的高層協議，因此，它適用于各種無線接口。按照對傳統(tǒng)的智能天線的理解，自適應智能天線技術由于其技術特點的限制僅適用于TDD系統(tǒng)，而現在隨著這一新技術的不斷完善，它在FDD系統(tǒng)中的應用同樣能達到理想的效果。實驗及現場測試表明，自適應智能天線技術能應用于PHS，WLL，GSM/GPR/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系統(tǒng)，使系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍都成倍地提高。
在現有的PHS商用系統(tǒng)中，有近十萬臺基站裝備了自適應智能天線系統(tǒng)，而其中近五萬臺裝備在中國。由于使用了自適應智能天線技術，基站通過上行信息分析每個用戶及干擾源的位置，為每個用戶波束賦形，以增強用戶的信號增益，同時最大限度地降低對其他用戶的干擾，這樣，網絡的頻率復用模式可以從傳統(tǒng)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，且網絡的服務質量不變。在此基礎上，SDMA技術的應用，可以使系統(tǒng)增加多達一倍的空分信道。系統(tǒng)的總容量達到數倍地增加。
對于GSM/GPRS/EDGE系統(tǒng)而言，跳頻技術的應用是傳統(tǒng)的提高系統(tǒng)容量的方式，但跳頻技術只能起到平均網絡干擾的作用，并不能主動地降低網絡的干擾電平，雖然它也在一定程度上緩解了熱點地區(qū)的容量與頻譜間的矛盾，但它只是對網絡容量的一種優(yōu)化調整，并沒有在根本上改善頻譜的使用效率。而采取自適應智能天線技術，結合傳統(tǒng)的調頻技術，可以使傳統(tǒng)的跳頻負載的限制由原來的50%提高到100%，且頻率的復用模式可以由原來的（1，3）改為更緊密地（1，1）復用。網絡的仿真及現場測試表明，采用自適應智能天線技術后，跳頻負載提高到100%后，網絡的服務質量不低于調整前。也就是說，頻譜的使用效率較傳統(tǒng)的提高四倍（在采取四天線陣的情況下）。
CDMA系統(tǒng)是一種自干擾系統(tǒng)，無論IS-95CDMA，WCDMA還是CDMA2000，系統(tǒng)的射頻污染是影響系統(tǒng)容量的重要因素。由于自適應智能天線系統(tǒng)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，從而可減少網絡內的射頻污染，同時減小功率放大器的規(guī)格。首先，功率可分配到每個單元，然后，由于能量根據方向而提供，所以輸送到每個單元的功率就隨之減少。如果陣列部署有10個單元，則每個單元的放大器只需發(fā)射來自相關天線系統(tǒng)的1%的功率。而且能量只集中在有效用戶的位置，對其他用戶位置的能量輻射最小，從而最大限度地減少網絡空間的射頻污染，降低干擾電平，提高系統(tǒng)容量。
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表1及表2是加入自適應智能天線技術后各種無線接口標準下基站的容量及頻譜使用效率。
四、軟件無線電技術的雛形
從自適應智能天線技術的實現原理可以看出，自適應智能天線的核心在于基帶的數字處理部分，它由數個軟件功能模塊組成。自適應智能天線系統(tǒng)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(tǒng)只需通過軟件置換即可實現基站設備的重新配置，而基站系統(tǒng)的射頻結構及其它硬件結構則不需作任何調整。這正是當今軟件無線電的概念。雖然現在的自適應智能天線系統(tǒng)硬件平臺的通用性還有一定的限制，但這種限制并不是來源于自適應智能天線技術本身。因此，從自適應智能天線的技術特點上來看，它已具備了軟件無線電技術的基本構成要件，是軟件無線電技術的雛形。
結束語：
自適應智能天線技術以其技術的先進性正越來越多地被人們所重視，隨著無線通信業(yè)務的發(fā)展，自適應智能天線技術將可以幫助運營商經濟高效地完成系統(tǒng)的部署，從而提供優(yōu)質的服務。用戶則將是這種技術的最終受益者，能夠以較低的費用獲得清晰的通話質量，而這就將成為通信發(fā)展的原動力，推動通信技術的不斷發(fā)展。
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