智能天線(xiàn)（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍用通信領(lǐng)域,。

      近年來(lái),，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價(jià)格的不斷下降,，使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可行,，促使智能天線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始在無(wú)線(xiàn)通信中廣泛應(yīng)用。由于智能天線(xiàn)能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量,，并增加了天線(xiàn)系統(tǒng)的靈活性,，未來(lái)幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

      智能天線(xiàn)提高系統(tǒng)性能的原理

      智能天線(xiàn)分為兩大類(lèi)：多波束天線(xiàn)與自適應(yīng)天線(xiàn)陣列,。多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區(qū),，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線(xiàn)元數(shù)目而確定,。當(dāng)用戶(hù)在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，基站在不同的相應(yīng)波束中進(jìn)行選擇,，使接收信號(hào)最強(qiáng),。因?yàn)橛脩?hù)信號(hào)并不一定在波束中心，當(dāng)用戶(hù)位于波束邊緣及干擾信號(hào)位于波束中央時(shí),，接收效果最差,，所以多波束天線(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，一般只用作接收天線(xiàn),。但是與自適應(yīng)天線(xiàn)陣列相比,，多波束天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判定用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向的優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)天線(xiàn)陣列一般采用4～16天線(xiàn)陣元結(jié)構(gòu),，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng),。天線(xiàn)陣元分布方式有直線(xiàn)型、圓環(huán)型和平面型,。自適應(yīng)天線(xiàn)陣列是智能天線(xiàn)的主要類(lèi)型,，可以完成用戶(hù)信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向,，并在此方向形成天線(xiàn)主波束,。

      現(xiàn)在，簡(jiǎn)要地介紹一下智能天線(xiàn)如何克服無(wú)線(xiàn)通信中的時(shí)延擴(kuò)展和多徑衰落來(lái)提高系統(tǒng)的性能和容量,。設(shè)天線(xiàn)陣列的不同天線(xiàn)元對(duì)信號(hào)施以不同的權(quán)值,，然后相加，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào),。如果定義“天線(xiàn)增益”為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號(hào)功率的降低,，“分集增益”為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低，那么一般來(lái)說(shuō),，M元的天線(xiàn)陣列可以提供M倍的天線(xiàn)增益加上一個(gè)分集增益,，具體提高的值決定于天線(xiàn)陣元間的相關(guān)性。

      首先我們考慮多波束天線(xiàn),。多波束天線(xiàn)是在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)放置多個(gè)天線(xiàn)來(lái)覆蓋整個(gè)扇區(qū),，每個(gè)天線(xiàn)只覆蓋一部分角度范圍。扇區(qū)天線(xiàn)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向,，這樣在下行方向也可以獲得M倍的天線(xiàn)增益,。但扇區(qū)天線(xiàn)由于其自身的構(gòu)成形式，有下面缺點(diǎn)：相鄰天線(xiàn)之間重疊的部分由于天線(xiàn)增益比較小,，會(huì)有2dB的降低,；當(dāng)由于多徑或干擾而錯(cuò)誤地鎖定天線(xiàn)波束時(shí)，多波束天線(xiàn)能提供的增益很小,。

      自適應(yīng)天線(xiàn)陣列中,，各天線(xiàn)元的放置形式可有多種，相鄰天線(xiàn)元間距為一特定值,。在接收信號(hào)到達(dá)天線(xiàn)陣時(shí),，每個(gè)陣元上的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的加權(quán)，然后再疊加產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào),，加權(quán)系數(shù)和疊加可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則,。需要注意的是，自適應(yīng)天線(xiàn)的陣元必須具有相似的波束,，而在多波束天線(xiàn)中則沒(méi)有這樣的要求,。與多波束天線(xiàn)相似,，一個(gè)M元自適應(yīng)天線(xiàn)陣可以提供M倍的天線(xiàn)增益，但它沒(méi)有波束之間部分重疊的缺點(diǎn),。M元自適應(yīng)天線(xiàn)陣列可以完全抑制N（N〈M）個(gè)干擾用戶(hù),，即使在N＞M時(shí)也可以獲得很大的增益。盡管自適應(yīng)天線(xiàn)較多波束天線(xiàn)有更多優(yōu)點(diǎn),，但自適應(yīng)天線(xiàn)計(jì)算加權(quán)系數(shù)的速度必須與衰落速率相當(dāng)才能跟蹤用戶(hù)（注意到3G中衰落速率將達(dá)到1000Hz）,。然而，多波束天線(xiàn)波束之間的切換只要幾秒鐘一次即可,。

      自適應(yīng)天線(xiàn)陣列用在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在視距（LOS）和非視距（NLOS）情況下的性能差異,。在視距情況下，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán),、合并后產(chǎn)生一個(gè)天線(xiàn)圖案,，它的主波束方向就指向目標(biāo)用戶(hù)，而在其它方向上抑制干擾用戶(hù),。此時(shí),，若天線(xiàn)陣元數(shù)大于到達(dá)的信號(hào)數(shù)，可以用信號(hào)處理中MUSIC,、ESPRIT等現(xiàn)代譜估計(jì)算法來(lái)估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角度,，這樣一個(gè)陣列至少可以在M－1個(gè)方向上形成方向圖零點(diǎn)。在非視距情況下,，無(wú)線(xiàn)信號(hào)的到達(dá)經(jīng)由了多次反射和多個(gè)途徑（兩條不同路徑之間的相對(duì)時(shí)延大的必須作為兩條獨(dú)立的路徑）,。自適應(yīng)天線(xiàn)在多徑環(huán)境的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能夠抑制干擾用戶(hù)而不管其到達(dá)的方向，也就是說(shuō),，即使干擾用戶(hù)和所有用戶(hù)只相距幾英寸,，自適應(yīng)天線(xiàn)陣也能抑制干擾用戶(hù)。這是由于在多徑環(huán)境中天線(xiàn)周?chē)奈矬w就是一個(gè)巨大的反射天線(xiàn),，使得接收天線(xiàn)陣列能夠區(qū)分不同用戶(hù)的信號(hào),。特別是若接收陣元間距足夠大，陣列能夠形成比擴(kuò)展角度小的波束,。能夠區(qū)分的信號(hào)數(shù)隨天線(xiàn)陣元數(shù),、角度擴(kuò)展，在擴(kuò)展角度內(nèi)多徑反射密度的增加而增加,。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),，多徑是一個(gè)有利的因素。但由于時(shí)延擴(kuò)展,，自適應(yīng)天線(xiàn)把時(shí)延信號(hào)作為干擾信號(hào)而進(jìn)行抑制。M元的自適應(yīng)天線(xiàn)可以抑制M－1時(shí)延信號(hào),，這是一個(gè)很不利的因素,。為了充分利用接收到的信號(hào),，我們可以在每個(gè)天線(xiàn)陣元上加一個(gè)時(shí)域的處理，比如自適應(yīng)均衡或RAKE接收,，然后再進(jìn)行自適應(yīng)波束形成,。天線(xiàn)波束的實(shí)現(xiàn)方式

      智能天線(xiàn)對(duì)陣元接收信號(hào)加權(quán)處理形成天線(xiàn)波束，使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)方向,，而在干擾信號(hào)方向形成天線(xiàn)方向圖零陷或較低的功率方向圖增益,，達(dá)到抑制干擾的目的。根據(jù)天線(xiàn)波束形成的不同過(guò)程,，實(shí)現(xiàn)智能天線(xiàn)的方式又分為兩類(lèi)：組件空間處理方式與波束空間處理方式,。其中，組件空間處理方式直接對(duì)陣元接收信號(hào)支路加權(quán),，調(diào)整信號(hào)振幅與相位,，使天線(xiàn)輸出方向圖主瓣方向?qū)?zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向。在波束空間處理方式下,，信號(hào)從陣元組件接收并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,，需經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程（如FFT）得到相互正交的一組空間波束，再經(jīng)過(guò)波束選擇,，根據(jù)需要取其中部分或全部波束來(lái)合成陣列輸出方向圖,。因?yàn)橛脩?hù)信號(hào)往往深埋于噪聲信號(hào)與干擾信號(hào)中，不易得到陣元接收信號(hào)的最佳加權(quán),。采用波束空間處理方式可以從多波束中選擇信號(hào)最強(qiáng)的幾個(gè)波束,，以取得符合質(zhì)量要求的信號(hào)，在滿(mǎn)足陣列接收效果的前提下減少運(yùn)算量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度,。波束賦型算法概況

      智能天線(xiàn)技術(shù)研究的核心是波束賦型的算法,。從是否需要參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的角度來(lái)劃分，這些算法可分為盲算法,、半盲算法和非盲算法三類(lèi),。非盲算法是指須借助參考信號(hào)的算法。由于發(fā)送時(shí)的參考信號(hào)是預(yù)先知道的,，對(duì)接收到的參考信號(hào)進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng),，再按一定準(zhǔn)則（如著名的迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值（也即算法模型的抽頭系數(shù)）,，以使輸出誤差盡量減小或穩(wěn)定在可預(yù)知的范圍內(nèi),。常用的準(zhǔn)則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和RLS（遞歸最小二乘）等等,；而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法,，最常見(jiàn)的就是最大梯度下降法。盲算法則無(wú)須發(fā)送參考信號(hào)或?qū)ьl信號(hào),，而是充分利用調(diào)制信號(hào)本身固有的,、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò),、子空間、有限符號(hào)集,、循環(huán)平穩(wěn)等）來(lái)調(diào)整權(quán)值以使輸出誤差盡量小,。常見(jiàn)的算法有常數(shù)模算法（CMA）、子空間算法,、判決反饋算法等等,。常數(shù)模算法利用了調(diào)制信號(hào)具有恒定的包絡(luò)這一特點(diǎn)，具體又分最小二乘CMA算法,、解析CMA算法,、多目標(biāo)LS－CMA算法等；子空間算法則將接收端包含有其它用戶(hù)干擾及信道噪聲的混合空間劃分為信號(hào)子空間和噪聲子空間,，對(duì)信號(hào)子空間進(jìn)行處理,；判決反饋算法則由收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)，通過(guò)多次的迭代,，使智能天線(xiàn)輸出向最優(yōu)結(jié)果不斷逼近,。非盲算法相對(duì)盲算法而言，通常誤差較小,，收斂速度也較快,，但發(fā)送參考信號(hào)浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)帶寬。為此,，學(xué)者們又發(fā)展了半盲算法,，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整,。這樣做一方面可綜合二者的優(yōu)點(diǎn),，一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻信息不是時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的,。智能天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

      智能天線(xiàn)可以明顯改善無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能,，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面：

      提高頻譜利用率,。采用智能天線(xiàn)技術(shù)代替普通天線(xiàn),，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量,，降低運(yùn)營(yíng)商成本,。

      迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。未來(lái)的智能天線(xiàn)應(yīng)能允許任一無(wú)線(xiàn)信道與任一波束配對(duì),，這樣就可按需分配信道,，保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類(lèi)地區(qū)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量。

      抑制干擾信號(hào),。智能天線(xiàn)對(duì)來(lái)自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波,。它通過(guò)對(duì)各天線(xiàn)元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整,，優(yōu)化天線(xiàn)陣列方向圖,，將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比,，改善了系統(tǒng)質(zhì)量,，提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于軟容量的CDMA系統(tǒng),，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高,。

      抗衰落。高頻無(wú)線(xiàn)通信的主要問(wèn)題是信號(hào)的衰落,，普通全向天線(xiàn)或定向天線(xiàn)都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大,。如果采用智能天線(xiàn)控制接收方向，自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性,，可以使得延遲波方向的增益最小,，降低信號(hào)衰落的影響。智能天線(xiàn)還可用于分集,，減少衰落,。

      實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線(xiàn)的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣,，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向,。通過(guò)此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶(hù)終端定位到一個(gè)較小區(qū)域,。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū),，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提升ARPU值,、加強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然手段,。