解读智能天线在TD-SCDMA中的应用
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摘 要：由中国提出的TD-SCDMA无线通信系统正在中国蓬勃发展，并在国际市场上得到广泛的关注。智能天线作为td-scdma系统设备之一，也得到可广泛的应用推广。文章介绍了智能天线的概念、结构及技术应用必要性等，深入分析了智能天线在TD-SCDMA中的应用，集中展示了智能天线对当今最有活力的无线通信技术发展所发挥的积极作用。
关键词: 无线通信；TD-SCDMA；智能天线
Abstract: By TD-SCDMA wireless communication system proposed by China are booming in China, and obtain the widespread attention in the international market. Smart antenna is one of the TD-SCDMA system, also can be applied widely. This paper introduces the concept, structure and application of the smart antenna technology necessity, in-depth analysis of the application of smart antenna in TD-SCDMA, displaying the positive role played by the development of wireless communication technology in smart antenna .
Key words: wireless communication; TD-SCDMA; smart antenna
中图分类号：F407.63 文献标识码：文章编号
1、智能天线的概念与结构原理
1.1 智能天线的概念。智能天线（Smart Antenna）技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理DSP（Digital Signal Processing）技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线是具有一定程度智能性的自适应天线阵列。
1.2智能天线的系统组成。智能天线主要包括四个部分：天线阵元、模数转换、自适应处理器、波束成型网络。自适应处理器根据自适应空间滤波/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值，波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生希望的自适应波束。智能天线是天线阵列，由N个天线单元组成，每个天线单元有对应加权器，共有M组加权器，可以形成M个方向的波束，其可以大于天线单元数，天线阵的尺寸和天线元的数目决定最大增益和最小波束宽度，意味在天线阵的尺寸和天线增益，及天线侧瓣性能两者之间要取得平衡。智能天线通过调节从每一个天线收到的信号的相位与幅度，结合使得形成所需要的波束，此过程称为波束形成。
2、采用智能天线技术的必要性
移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰、FDMA TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰、CDMA系统中的MAI等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时延样本和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域也存在差异，分集天线、特别是扇形天线可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。
智能天线是一种升缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，和同时支持更多用户（CDMA中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。
智能天线的又一个好处是可减小多径效应，CDMA中利用RAKE接收机可对时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。
3、智能天线在TD-SCDMA中应用
3.1 TD-SCDMA系统中智能天线的应用优势。WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术，但由于其算法复杂度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技术明确表示将在基站端使用智能天线。TD-SCDMA 系统中采用智能天线技术将带来以下的技术优势：
（1）增加系统容量，提高通信数量。智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA 系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。在CDMA 系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，使CDMA 系统容量至少可以增加一倍以上。（2）扩大通信覆盖区域，且提高频谱利用率。对于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。（3）降低基站发射功率，可以减少电磁环境污染。在使用普通天线的无线基站中，发射信号采用的是高功率放大器（HPA）；而在TD-SCDMA 中使用了智能天线，由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，大大降低了基站的发射功率，同时也减少了电磁环境污染。
3.2智能天线是TD-SCDMA系统必选的关键技术之一。如果没有智能天线，物理层的RRM算法、DCA、接力切换等都不能很好地实现；在覆盖方面，没有了智能天线特有的赋形增益，会使覆盖范围大大缩小；在容量方面，智能天线结合联合检测，可以有效地减少小区间和小区内的干扰，提升系统容量，减少呼吸效应。
无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩散，智能天线可以分离来自不同方向的多径信号，通过RAKE接收技术提取有用信号，然后将其叠加，不但减轻了多径的影响，甚至可以利用多径所固有的分集效应改善链路的质量；CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户的地面分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调整方向，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。
3.3 TD—SCDMA中智能天线技术的实现。智能天线通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，即自适应或以预置方式控制波束幅度、指向和零点位置，使波束总是指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益和信干噪比。智能天线系统由3部分组成：天线阵列、波束形成网络、控制算法。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。
智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束，并跟踪最佳路径的变化。理想前景是空分多址(SDMA)，它不是信道复用的概念，而是一种信道倍增方式，可与FDMA，TDMA，CDMA等系统完全兼容，从而实现组合的多址方式。智能天线关键是自适应波束形成算法，常用的波束形成算法主要有两种：非盲波束形成算法和盲波束形成算法。智能天线的优势如下：提高频谱利用率；抗衰落；改善链路质量，增加可靠性；减小多径效应；降低功率，减小成本；提高通信的安全性；实现移动台定位业务。
4、结论
智能天线技术对移动通信系统带来的优势是目前任何技术所难以替代的。由于智能天线有着显著提高系统的性能和容量，并增加天线系统的灵活性等诸多好处，因此我们有理由相信，使用了这种先进技术的TD-SCDMA 系统有着良好的应用空间和发展前景。