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标题: 未来移动通信的新技术 --- 智能天线  [查看完整版帖子] [打印本页]
时间:  2004-12-22 15:48
作者: mick     标题: 未来移动通信的新技术 --- 智能天线

何谓智能天线？
   智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array）。最初的智能天线
技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空间滤波和定位
。近年来，随着移动通信的发展以及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面
的研究逐渐深入，智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。
    为此,移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字：

    智能天线，英文名为Smart Antenna或Intelligent Antenna。
　
    随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引
起人们极大关注。如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人
们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。近年来智能天线成为移动通信领域
中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信
质量。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术（switched beam
technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing te
chnology），产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对
准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更
显得方兴未艾并显示出巨大潜力。
　
    在移动通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域，近年内，几乎所有
先进的移动通信系统都将采用此技术。智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目
前任何技术所难以替代的。智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一
。
　
     在第三代移动通信系统中，我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。作为
TD-SCDMA系统中的关键技术之一的智能天线技术能够使系统在高速运动的信道环境中达
到较好的性能。
　
    目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向
之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中
不可缺的关键技术之一。
　
    与传统的TDMA、FDMA或CDMA方式相比，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址
(SDMA)方式。
mc21st 序语
时间:  2004-12-22 15:49
作者: mick

第一代Wi-Fi设备在企业应用中倍受瞩目，但是并没有为供应商带来预想中的收益。即使
如此，一些供应商还是希望通过使用智能化的天线来扩大无线局域网的覆盖范围，从而
减少AP的数量，并同时提高信号的质量。
Wi-Fi交换机和路由器的天线大多很“笨”，只能锁定客户端发出的最强的Wi-Fi信号从
而侦测出电子信号。而“智能”天线则可以在无需用户干预的情况下，在一定的范围内
主动搜索Wi-Fi信号，并将几股弱信号合成为一股较强的信号。
智能天线算不上新技术。它在几年前就已应用于移动通信领域，让移动电话用户在高速
公路上快速行驶或穿过城市的广场时仍然能够正常接收信号。现在，硅芯片技术的发展
和成本的降低已经为在下一代Wi-Fi设备中使用智能天线技术创造了条件。
智能天线适用于大学或者大型建筑（比如机场、会议中心）这些Wi-Fi网络覆盖范围很大
的地方，对于那些使用较小规模的室内无线网络的公司而言，采用智能天线的性价比就
不怎么样了。此外，在人们对Wi-Fi网络最关注的部署难易程度、管理性、安全性等方面
，智能天线表现尚可，但并不突出。
企业的IT技术人员对于层出不穷的新技术往往感到无所适从。虽然公司里的许多员工都
会对网络技术的发展很兴奋，但是IT部门的员工却不怎么满意，因为他们要管理RF（无
线射频）设备，他们觉得买一些便宜的AP一样可以保证网络的覆盖范围。那么智能天线
的前景如何呢？智能天线供应商通过有力的案例来说明，事实上使用一种技术上更复杂
的网络要比管理一个松散的、通过AP连接起来的网络更节省开支。
Vivato公司就在其802.11b Wi-Fi交换机中使用了智能天线，以实现较大的室内和室外覆
盖范围。天线本身并不能移动，但是它的覆盖模式可以根据接收到的信息包的变化来做
出相应的改变。这样交换机就可以在100°角、305米（受到可视距离的限制）的范围内
进行数据收发。Vivato公司的每台交换机大约可以支持100个客户端。而佛罗里达州立大
学则花1.3万美元购买了一台户外交换机并将其安装在Doak Camplbell体育场中，这个设
备可以覆盖整个橄榄球场，甚至包括教练在球场地下室中的办公室。
Bandsped公司也是智能天线技术的采用者，他们称天线之所以“智能”，要归功于他们
所设计的软件，而他们现在正打算将软件固化到芯片中，这样就可以同时减低天线和软
件这二者的成本和复杂程度。从事半导体业务的Motia公司正在制造这种芯片，据其首席
科学家Jack Winter介绍，某些具备多个天线的AP仅仅选择给用户发送最强的信号并将其
转发给其他天线，而Motia的芯片则可以让AP将不同信号合成在一起，从而生成一个比合
成前所有信号的累加还要强的信号。
时间:  2004-12-22 15:49
作者: mick

在为一个CDMA网络作链路预算时，我们必须考虑的是小区负载。通常情况下，一个CDMA
系统的初始小区负载一般设计为最大容量的50％～60％，这在系统初运营时是必要的。
而当系统达到了设计容量时，运营商就必须考虑增加新的容量点来避免小区覆盖的损失
。一种选择是增加新的站址，这是一项困难而且昂贵的工作。另一种可行的方法则是在
现有站址上增加新的载波，这同样会增加运营成本，因为无线频谱对运营商来说无疑是
非常珍贵的资源。然而，从长远来看，最经济高效的方法是改进链路预算，来增加容量
。朗讯科技的智能天线技术正是为无线运营商提供了这样的一种选择。
目前的无线网络多采用固定波束天线，通常是3扇区配置。智能天线技术将在现有系统的
基础上，提供指向被服务用户的动态波束，从而改善网络链路预算，提高系统容量。
依靠贝尔实验室的强大技术支持，朗讯公司正积极研发先进的智能天线技术，这些技术
可广泛地应用于cdma2000网络和UMTS/WCDMA网络，提升网络质量。总的来说，朗讯的智
能天线解决方案有三种演进技术：发送分集和2－Branch智能接收天线；波束赋形发送分
集和4－Branch智能接收天线；MIMO/BLAST和多用户接收。在这三种技术中，后一种可以
提供较前一种更大的系统增益。
传统的无线通信理论一直将多径传播视为造成无线信号衰落的一种干扰。而BLAST技术则
证明了在天线发送和接收端同时采用多天线阵，能够充分利用多径传播，从而大大提高
系统容量。其原理，简单地说，就是利用每对发送/接收天线上信号特有的“空间标志”
，在接收端将其恢复。利用BLAST技术，犹如在原有频段上建立了多个互不干扰的、并行
的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确而高效地传送用户数据，其结果是
极大地提高前向/反向链路的容量。
理论研究证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，这无疑是对
著名的“香农极限”理论突破性的贡献。换句话说，只要允许增加天线个数，系统容量
就能够得到不断提高。智能天线给运营商带来的收益主要有以下几个方面:
增加系统容量。平均来看，发送分集和2－Branch智能接收天线能够将现有系统容量提高
10％～25％，采用波束赋形发送分集和4－Branch智能接收天线能够增加近一倍的系统容
量，而若采用BLAST技术，系统容量的增加还将更高。
提高系统覆盖。通过智能天线技术，改善链路预算，能够很好地提高系统的覆盖。
提高高速数据业务的覆盖。通常情况下，小区内对高速数据业务的支持仅限于靠近基站
的小部分区域中，而采用智能天线技术，能够增大小区内支持高速数据的覆盖面积，或
者在原有区域内支持更多的高速数据用户。
降低每语音/数据用户的服务成本。虽然需要增加相应的软硬件来支持智能天线技术，但
由于系统容量得到了较大的提高，使得每语音用户（每爱尔兰）/每数据用户（每比特）
的成本比传统天线系统有了大幅降低。
保护运营商的现有投资。通过平滑的软硬件升级，运营商可以充分利用现有的网络资源
，实现系统容量的提高。朗讯公司的Flexent OneBTS基站系统可以同时支持cdma2000和
WCDMA系统，并可以实现到智能天线的平滑升级，最大限度地保护运营商的投资。
时间:  2004-12-22 15:49
作者: mick

自适应天线阵列通过虚拟线路连接移动用户，极大地改善了无线通讯。
我们每天都沉浸在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、
蜂窝电话网和警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们
收发信息。过度的无线能量也是一种污染，因为它将破坏有用的通信。随着电子通信的
日益频繁，无线电干扰也日渐嘈杂，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们必须
加大无线信号的强度，才能在背景电磁噪声中将有用信号区分开来。
解决这个问题的一种方案是采用新型的射频天线，这种天线能够极大地减少人为干扰。
以蜂窝电话通讯为例，采用这种全新的天线后，我们无须采用对用户的通话进行全向广
播发送这种浪费的方式，而代之以跟踪移动用户的位置并将无线信号直接发送给他。这
种天线系统在使其他用户受到的干扰最小化的同时，也使得目标用户的接受信号强度达
到最大。实际上，这等同于给每个移动用户建立了一条虚拟的有线连接。 这些系统通常
被称为智能天线，它们之中最智能的那种又被称为自适应天线阵列。1992年我和他人一
起在美国加州圣荷赛创立了爱瑞公司，致力于开发能应用于已有和新的无线网络的自适
应天线阵列。每个阵列包含了多达12根的天线以及一个强大的数字处理器（用于对输入
输出信号的合并和处理）。朗讯、北电以及其他一些公司也都在开发这项技术。我们的
目标都是降低成本和提高无线通讯的质量。现在自适应天线阵列已经向数以百万的蜂窝
电话用户提供这些好处。此外，由于非常适合大量数据的传送和接收，它们极有可能成
为无线因特网的关键部分。
天线的物理学原理
要了解智能天线的工作原理，先要了解比较“笨拙”的普通天线。射频天线将发射机产
生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将
之转化为接收机能处理的电流和电压信号。最简单最常用的天线是偶极子，它不过是特
定长度的能向空间全向发射能量的竖杆而已，无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐
减弱，并被空气、树木和建筑等障碍物吸收。 商用广播和电视台必须向地理分布上分散
的用户提供服务，自然要进行全向广播。而一次蜂窝电话通讯通常只针对一个用户，在
蜂窝网中，用户和最近的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域（称作
小区）内所有的无线业务信号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多
个小区；用户从一个小区移动到另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基
站。在这种情况下，如果能将无线能量集中到单个用户身上，就像手电筒通过反射镜将
光线集中成束那样，效率就会高得多。同样的功率，集束的信号能比全向发射的信号，
传播到远得多的地方。基站向不同用户发送的波束在空间上是分开的，这样相互干扰也
降低了。 反射器能把无线电波聚焦成束，但是它们实在是又笨重又昂贵。所以工程师们
想出了许多不用反射器却能产生无线波束的办法。如果我们并排放置两根天线，它们之
间的距离是无线信号波长的一半，那么从上面看下去时，这个简单阵列发射能量的方向
图就是8字型的。在垂直于阵列（即垂直于两根天线之间的连线）的两个方向，无线电波
的传送距离将达到最大，因为在这两个方向上用户能同时收到两根天线发送的信号（换
句话说，就是两个信号是同相的）。然而，在平行于阵列的方向上，用户将接收到相位
相差180度的两股信号。两股信号的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就产生了零
区，在那里将检测不到任何信号。
这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发射
。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越来越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被
用于雷达波束的聚焦。虽然天线数目的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产
生了更多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强（
“增益”），也有可能由于抵消效应的存在变得比后者更弱（“损失”）。
波束的定向
如果不能指向特定的接收者，无线波束还是没有多大用途。最显而易见的解决方案就是
移动天线阵列本身，但显然这个办法是笨拙和代价昂贵的。用电子的方法来操纵波束将
简便得多。通过一种叫波束切换的技术，天线阵列能产生一组相互有所交叠的波束，这
些波束在一起就能覆盖周围的区域。当一个蜂窝电话用户进行通话时，无线接收机首先
确定从哪个波束方向来的用户信号最强，然后阵列发射机就按照这个来波方向给用户“
回话”。如果用户从原有波束走入另一个相邻的波束，控制系统就自动将发射和接收都
切换到那个新的波束。 然而波束切换在现实的无线通信环境中还是不能很好地工作。只
有当用户处于波束正中央时，波束才是最有效的。正如离开手电筒的光线方向就会变暗
一样，一旦用户离开波束中心，信号就会发生衰落。当用户靠近波束的最边缘时，在系
统将之切换到相邻波束之前，信号强度会发生相当大的衰落。如果另一方向上的某个用
户需要使用同一无线信道怎么办？如果第二个用户处于零场，还好不会给前一位用户带
来干扰，但是一旦他处于某个旁瓣的中心，那么给他的信号将会阻塞或扭曲前一位用户
的信号。 波束切换系统的另一个问题是，实际上在几乎所有的环境中，无线信号都很少
沿着直接路径进行传播。我们手机上接收到的信号通常是由多个反射信号合并而成的。
反射体可能是自然或者人造的物体（建筑、山脉、汽车和树木等等）。这些发射信号还
在不停地变化，特别是那些由大型车辆（例如巴士）造成的。这种所谓的多径现象也会
影响从手机发送到基站的信号。在波束切换系统中，如果用户靠近波束的边缘，那么他
或她所发送的信号有可能在到达天线阵列前就被反弹到其他波束中。在这种情况下，天
线阵列就有可能发送错误的波束，用户则可能完全得不到回应的信号。 在实际应用中，
只有波束切换系统显然是不够的。一个真正智能的天线阵列应该能直接给移动用户一个
波束，而不是选择一个相对靠近用户的波束。理想的天线阵列还必须能调整波束的方向
图，将来自同一频段信道上其他用户的干扰最小化。最后，这种天线阵列必须能根据用
户位置和反射的迅速变化做出快速反应。这些都是为什么要引入自适应天线阵列的原因
。
优点与应用
与传统的蜂窝网络相比，采用自适应天线阵列的无线网络具有很多优点。对于同样的功
率，由于装备有自适应阵列的基站的覆盖范围比普通基站大得多，因而覆盖同样的区域
，所需基站的数量也相应减少。尽管自适应阵列可能比传统的天线更昂贵，但基站数目
的减少能急剧降低设备和运营无线网络的成本。自适应阵列使得蜂窝业务公司能更好地
利用希缺的资源：分配给该公司的频谱。许多蜂窝网络正因用户数目的增多而过载：在
某些拥挤的区域，有时候同时迸发的信号量超过了系统中有限数目的无线信道所能承载
的数量。当通话掉话或者信号质量下降时，用户就能感受到这种紧张。由于自适应阵列
允许同一基站覆盖范围内的一些用户同时使用同一无线信道，因此就增加了频谱的容量
。相对于普通天线而言这种改进是显著的：对语音业务，配备有自适应阵列的基站的用
户容量提高了6倍；对于数据业务，这一数字更是高达40倍。采用自适应天线阵列的结果
是更好的服务和更少的干扰，除此之外还有较少的能量浪费和射频污染。
这样，我们就不会为自适应天线已经获得的商业应用感到吃惊。在日本、中国、泰国以
及亚洲和非洲的其他一些地区，已有超过15万的基站装备了使用爱瑞公司技术的天线阵
列，为总计超过1500万人提供电话服务。自适应阵列在美国和欧洲的商业应用进展得相
对比较缓慢，这要部分归咎于电信业不景气所导致的对蜂窝网络新投资的削减。但是还
是有一家美国制造商（佛罗里达州蒙特利尔的Airnet公司），正在生产使用爱瑞公司技
术的蜂窝基站。同时英国的电信公司马可尼也正在开发一种包含自适应阵列的先进基站
。
自适应阵列对无线数据网络而言也是一大福音。因为这种阵列能够使干扰最小化，所以
在给定的频率范围内可以传送和接收更多的数据。一个装备有自适应天线阵列的基站能
同时为40位用户提供速度高达每秒1M字节的数据服务，这大约是现有远程无线网络典型
数据率的20倍。在此类网络中，并非所有的用户都在同时要求获得峰值数据率的服务，
所以一个装备自适应天线阵列的基站可以为数千用户提供服务。拥有便携式电脑或其他
便携设备的用户，就能在步行或开车通过服务区的同时保持对因特网的高速连接。
自从1990年代末，电信业就开始欢呼无线因特网的到来。虽然新网络的发展速度并不像
预期的那样快，但还是在逐步取得进展。随着无线运营商对3G网络（能以包的形式传递
数据的下一代蜂窝系统）的继续追求，其他的公司也正在提供多种有竞争力的高速数据
传输解决方案，其中有些解决方案就采用了智能天线并能在现有网络中使用。一个采用
了爱瑞公司技术的数据网络正在澳大利亚悉尼运营着，类似的网络很快将在美国和韩国
建立。美国德州Navini NetWork公司开发的自适应阵列，正在接受一些无线运营商的测
试。一些大型电信设备执制造也准备在它们的下一代产品中采用智能天线技术。
在贝尔发明电话之后的近100年中，语音通讯始终依赖于呼叫者和网络间的物理链接（铜
线或者同轴电缆）。只是在过去的30年里，蜂窝电话才开始让我们享受到一些无线通讯
的自由。有了自适应天线阵列技术，终有一天无线运营商能以更低廉的价格提供比有线
网络质量更好的服务。到那时，我们就从金属铜的牢笼中解放出来了。
时间:  2004-12-22 15:49
作者: mick

智能天线综合了几种干扰控制技术，有助于运营商更好地利用其不多的射频（RF）频谱
、现有蜂窝站址与网络基础设施。智能天线以一系列高增益、窄波束的天线取代现有基
站天线。这种天线阵能改善对来自手机信号的接收，同时干扰比120°天线或全向天线小
得多。
　　智能天线的设计吸收了复杂的波束转换算法和RF信号处理软件。对每次呼叫，软件
算法决定保持最佳质量信号的几个波束，而系统持续不断更新其波束选择，从而保证用
户在通话时长内获得最佳质量。
　　智能天线的起源和技术特征
　　智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广泛应用于
雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。
　　近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，
芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成
为可能，以此代替模拟电路形成天线波束的方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度
，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面移动通信用户数增加迅速，
人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量
。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要
。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为
每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信
号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址
（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入了第四维多址
方式———空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用
户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。
　　智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以
显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信
系统的性能：（1）扩大系统的覆盖区域；（2）增加系统容量；（3）提高频谱利用效率
；（4）降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。
　　智能天线可以通过模拟电路方式实现：首先根据天线方向图确定馈源的激励系数，
然后确定馈源的馈电网络即波束形成网络。由于馈电布线呈矩阵状，实现很复杂，而且
，随着阵元数目的增加，更增加了电路的复杂度。为此，未来移动通信智能天线采用数
字方法实现波束成形，即所谓数字波束形成DBF天线。使用软件设计完成自适应算法的更
新，可以在不改变系统硬件配置的前提下，增加系统灵活性。
　　智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自
适应阵天线。
　　多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽
度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，
使接收信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，
干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号的最佳接收，
一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无须判定
用户信号到达方向的优点。
　　自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距1/2波长。若阵元间距过大，
则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图上形成不必要的栅瓣，故一般取半波
长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应阵天线是智能天线的主要类型，
可以实现全向天线，完成用户信号的接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理
技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号
的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干
扰对系统的影响。
　　优化GSM移动通信网的利器
　　智能天线帮助GSM蜂窝运营商尽量有效地使用他们的RF频谱的有限配额。用智能天线
系统取得的性能增益主要来源于系统提供的载波－干扰比的显著提高。干扰是影响蜂窝
系统性能和容量限度的重要因素。它引起串音、通话丢失或通话信号跌落，并使用户心
烦意乱。最重要的是干扰限制了经营商可复用频率的紧密度，因此也限制了从固定RF频
谱中提取通信承载容量的程度。干扰可来自另一移动终端、在同一频率工作的其它蜂窝
站址或泄入分配频谱的带外射频能量。蜂窝干扰最通常的种类是同信道和相邻信道干扰
。同信道干扰是使用同一组频率的非相邻蜂窝的发射引起的。这种干扰在接近蜂窝边界
时最明显，此时与使用相同频率的邻近蜂窝的物理分隔处于最低程度。相邻信道干扰是
使用相邻频率的邻近蜂窝对用户信道的漏泄而造成的。在相邻信道，用户在极靠近电话
用户接收机处工作时，或者用户信号大大弱于相邻信道用户的信号时会发生这种情况。

　　载波－干扰比是通话质量的重要标志，是移动电话信号（载波信号）和干扰信号之
间比例的量度。对用户较高的C/I比就是更少的掉话以及改善的音频质量；对经营商较高
的C/I比是信号距离延伸以及采用更为紧密的频率复用方式，因此增加了整个系统的容量
。智能天线系统的另一主要优点是控制每一个30°波束功率的能力，以便达到最佳蜂窝
站址模式。
　　通过蜂窝脚印的定形可控制因附近站址溢出而造成的噪声和解决难以对付的覆盖问
题。在蜂窝站址间转接业务或更改切换边界亦可增加网络容量。
　　权威测试结果表明，窄波束天线与全向或三扇面模拟天线系统相比，在音频质量和
C/I方面有显著的改进。
　　智能天线系统可以用4个30°天线代替一个120°扇面天线。系统依靠最佳波束选择
算法转换、发射和接收波束。射频能量在每一时隙在一指定的30°波束内而不是在整个
120°扇面中作下行线发射。所以同信道干扰在邻近蜂窝中大大减少。同样，对接收同信
道干扰的开放波束也有效地从120°减到30°。改善C/I是增加GSM网络容量和提高其质量
的关键。对比模拟网，如GSM一类的数字蜂窝技术的容量有了明显的增加，因为频率复用
增加了（或者蜂窝间隔缩小了），可以比模拟系统更低的C/I提供等效质量的业务。
　　在GSM系统中通过交织相应于话音、数据和信令的数字数据，最多八个GSM移动站可
共用同一载波频率。每个站分配4.6ms时长的连续重复帧内的一个时隙。在标准GSM网中
，与每个频率相应的射频能量在整个120°扇面发射。智能天线系统中的一个天线，仅仅
与每一时隙中工作的移动站通信，从而限制了射频能量。因此，射频能量受到时间和空
间的控制。这是减少产生干扰和接收干扰的根本。
　　诱人的发展前景
　　美国、日本和欧洲的一些国家非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经开展
了大量的理论分析和研究。我国也早已将研究智能天线技术列入国家863－317通信技术
主题研究中的个人通信技术分项，许多专家及大学正在进行相关的研究。在连续获得IT
U和3GPP通过的我国自主研发的TD－SCDMA技术体制中，就广泛采用了智能天线和软件无
线电技术。
　　欧洲进行了基于DECT基站的智能天线技术的初步研究，于1995年初开始现场试验。
实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户、四个空间信道（包括上行和下行链路）
下，试验系统比特差错率（BER）优于10－3。实验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方
向的能力。同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而像市
区环境则采用简单的直线阵更合适。在此基础上又继续进行最优波束形成算法、系统性
能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计、微蜂窝优化与现场试验等
研究。
　　日本某研究所制作了基于波束空间处理方式的波束转换智能天线。天线阵元布局为
间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在模数变
换后，进行快速付氏变换（FFT）处理，形成正交波束后，提出了基于智能天线的软件无
线概念：用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，可通过软件采用相应的
算法。
　　美国的Metawave公司对用于FDMA、CDMA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发
；ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统；美国得州大学建立了智
能天线试验环境；加拿大McMaster大学研究开发了4元阵列天线。
　　在无线电通信领域，智能天线有诱人的前景。智能天线的优越性在于自身可以分析
到达无线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰和被干扰的机会；提高了频率
的利用率，改善了系统性能。这就是自适应天线阵列的智能化，它体现了自适应、自优
化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。智能天线虽然从
理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能的天线，还有待于许多问题的研究解决。
对智能天线的研究值得关注的有以下内容：智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信
号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术
；智能天线的测试平台及软件无线电等方面。
时间:  2004-12-22 15:50
作者: mick

简评：即将于12月15日刊出《商业周刊》中指出，三种新的技术：智能天线，网状网络
，灵活通信将会提高频率使用上的效率，在无线领域产生新的革命。
早在75年前联邦规管员就得出了一个结论，频率是一个稀少的资源。
规管员很欢迎频谱的解放，特别是目击了Wi-Fi 疾速的增长。Wi-Fi标准是美国开始起步
的，因为当时规管员给那些小玩意比如微波炉、车库开门器预留了这段波段。这就是为
什么美国联邦通信委员会（FCC）拆除了这个障碍的原因。在11月份中旬，它在5GHz提供
了一个新的频率给Wi-Fi。
智能设备和新颖的网络结构将会开启一块无线的前沿阵地：
智能天线（Smart Antennas）：1920年，当第一个中波的广播电台在匹兹堡建立之后，
他的引以为豪的天线是向四周都发送信号，工程师们认为，这太浪费能量了，完全可以
向你想要发送的方向发射，而避免向其他方向的不必要的干扰。“智能天线”正是一种
这样的东西。Airgo公司的首席执行官司Greg Raleigh表示：“智能天线是无线频率共享
的未来。”
网状网络（Mesh Networks）：正如智能天线比传统的广播塔释放了更多的频率，一项新
的路由技术使今天的最有效的数字网络看起来就象一个频率黑洞。举个例子，今天的手
机系统用户必须在一个基站的范围之内，也就是基站是一个中心的集线器，而有了所谓
的网状网络之后，一个传输者可以和下一个天线取得联系，无论它是否在基站的范围内
，而天线可以由互联网或手机塔和基站取得联系。
在这样的网络中，无论是一个笔记本电脑还是一个未来的手机都有可能是基站的替代品
。诺基亚，微软，英特尔和其他公司都希望用这种技术来扩展Wi-Fi的范围。
灵活通信（Agile Radios）：在圣地亚哥海湾，工程师已经实现了第一阶段的实验，将
会导致最大的通信突破。这种通信将可以在几个不同的频率之间进行通信。这个发明起
源于美国空军使用了许多的波段，但是不同的小部队使用了不同的通信方式，致使相互
之间经常不能通信。这个发明使用软件来发射和接收在多个频率上的通信，于是初步解
决了这个问题。但是真正实用还要花上至少10年，因为必须要保证有真正的空频率可以
使用，不能和已经存在的使用者冲突，“我们不得不证明我们可以共存”
时间:  2004-12-22 15:50
作者: mick

随着移动通信产业的高速发展及相关用户的飞速增长，市场对移动通信技术的不断改进
和更新提出了更高的要求。而如何提高无线频谱的使用效率则是近些年来各种新技术所
面临解决的核心问题。尤其是当我国全面进入ＷＴＯ后，移动通信产业随着同世界全面
接轨，将面临新的挑战。目前，频率资源的投入已成为全球各运营商资金投入成本的重
要组成部分。可以预言，在我国，频率资源不再无偿使用的日子已为期不远了。因此，
如何采取新技术提高有限频率资源的使用效率已成为人们日益关注的课题。近些年来，
随着微电子技术的高速发展，智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用
于移动通信系统，并通过对无线数字信号的高速时空处理，极大的改善了无线信号的传
输，成倍地提高了系统的容量和覆盖范围，从而极大的改善了频谱的使用效率。
一、智能天线的原理
　　智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，后来被引入移动通信系统中
。智能天线通常包括波束转换智能天线（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｂｅａｍ Ａｎｔｅｎｎａ
）和自适应阵列智能天线（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）。自适应
阵列智能天线利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射
波束进行自适应的赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输
速率的目的。目前，自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。
　　移动通信信道传输环境较恶劣。实际环境中的干扰和多径衰落现象异常复杂，多径
衰落、时延扩展造成的符号间串扰ＩＳＩ（Ｉｎｔｅｒ－Ｓｙｍｂｏｌ Ｉｎｔｅｒｆｅ
ｒｅｎｃｅ）、ＦＤＭＡ ＴＤＭＡ系统（如ＧＳＭ）由于频率复用引入的同信道干扰（
ＣＣＩ，Ｃｏ－Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）、ＣＤＭＡ系统中的ＭＡ
Ｉ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）等都使链路性能、
系统容量下降。 　　自适应阵列天线技术是近３０年中最先进的通信技术之一，它利用
基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束即最大增益点对准用户信号
到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的
减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的。使用自适应阵列
天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、
提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污
染等。
　　自适应阵天线一般采用４～１６天线阵元结构，在ＦＤＤ中阵元间距１／２波长，
若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低；太小则会在方向图形成不必要的栅瓣
，故一般取半波长。而在ＴＤＤ中，如美国ＡｒｒａｙＣｏｍｍ公司在ＰＨＳ系统中的
自适应阵列天线的阵元间距为５个波长。间距宽而波束更窄，而ＰＨＳ系统中采用ＴＤ
Ｄ模式，因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多，但由于用户和信道都比较少，因而不
会带来不利的影响。 　　阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能
天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采
用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天
线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆
，有效克服了干扰对系统的影响。 　　虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备，但自
适应阵列天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将自适应天线阵接收到
的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加噪声比最大。基带处理部分采用复杂的自
适应算法。目前已经有多种有关时域和空域的算法提出，如通过时域获得天线最优加权
算法有：最小均方算法（ＬＭＳ）、取样协方差矩阵的直接求逆（ＤＭＩ）、递归最小
均方误差（ＲＬＳ）算法、恒模（ＣＭ）算法等；通过在空域对频谱进行分析以获得信
号到达方位角（ＤＯＡ）估计的算法有：多信号分类法算法、旋转不变技术信号参数估
计法算法等。
二、自适应天线技术
　　近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动
通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（ＴＤＭＡ）、频分
多址技术（ＦＤＭＡ）、码分多址技术（ＣＤＭＡ）得到了广泛的应用，并在此基础上
建立了ＧＳＭ和ＣＤＭＡ两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这三种多址技
术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（ＳＤＭ
Ａ）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大
的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的
物理信道成为可能。并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。而实现它的技术核
心则是自适应智能天线技术。
　　自适应智能天线技术是一种软件技术，是当今软件无线电技术的基础。它使用了自
适应阵列信号处理软件，对所有用户的无线信号进行高速时空处理从而实时调整无线信
号的传输，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号。即使基站在充满噪音和干
扰的环境中，也能监测并保持与多个不同的用户的通信连接从而实现空分多址（ＳＤ
ＭＡ）的效果。在网络中，这种先进的基站性能可以用来增加基站覆盖范围，从而降低
网络成本，提高系统容量，最终达到提高频率使用效率的目的。ＳＤＭＡ可以与任何空
间调制方式或频段兼容，因此具有巨大的实用价值。
　　空分多址的基站组件就是一种先进的自适应天线阵列系统。自适应阵列天线系统持
续监控其覆盖的范围，针对不断变化的无线环境（包括移动用户和干扰信号），系统将
提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户，为用户所在的方向提供最大的增益，同时
抑制其他用户的干扰，以适应用户的位置移动。
　　ＳＤＭＡ系统的处理程序如下：
　　１．系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形
式，并存储在内存中。
　　２．计算机中的ＳＤＭＡ处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户
、干扰源及其所在的位置。
　　３．处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这
种策略，每位用户的信号接收质量将大大提高，而其它用户的信号或干扰信号则会遭到
屏蔽。
　　４．系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。在此基础上
，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道—空间信道实现高效的传输。 　　５．在
上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成
为双向信道。
　　利用上述流程，ＳＤＭＡ系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码
分双向空间信道，每一条信道都可以完全获得整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论上
而言，带有ｍ个单元的阵列能够在每条普通信道上支持ｍ条空间信道。但在实际应用中
支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可见，ＳＤＭＡ系统
可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍地提
高频谱使用效率。
三、自适应智能天线技术提高频谱使用率
　　自适应智能天线技术是一种物理层技术，它并不影响系统的高层协议，因此，它适
用于各种无线接口。按照对传统的智能天线的理解，自适应智能天线技术由于其技术特
点的限制仅适用于ＴＤＤ系统，而现在随着这一新技术的不断完善，它在ＦＤＤ系统中
的应用同样能达到理想的效果。实验及现场测试表明，自适应智能天线技术能应用于Ｐ
ＨＳ、ＷＬＬ、ＧＳＭ／ＧＰＲＳ／ＥＤＧＥ、ＷＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００等系统
，使系统的容量及覆盖范围都成倍地提高。
　　在现有的ＰＨＳ商用系统中，有近十万台基站装备了自适应智能天线系统，而其中
近五万台装备在中国。由于使用了自适应智能天线技术，基站通过上行信息分析每个用
户及干扰源的位置，为每个用户波束赋形，以增强用户的信号增益，同时最大限度地降
低对其他用户的干扰，这样，网络的频率复用模式可以从传统的（７，３）复用，改为
（４，３）复用，甚至（１，３）复用，频率的复用距离可以减小一倍或数倍，且网络
的服务质量不变。在此基础上，ＳＤＭＡ技术的应用，可以使系统增加多达一倍的空分
信道。系统的总容量达到数倍地增加。
　　对于ＧＳＭ／ＧＰＲＳ／ＥＤＧＥ系统而言，跳频技术的应用是传统的提高系统容
量的方式，但跳频技术只能起到平均网络干扰的作用，并不能主动地降低网络的干扰电
平，虽然它也在一定程度上缓解了热点地区的容量与频谱间的矛盾，但它只是对网络容
量的一种优化调整，并没有在根本上改善频谱的使用效率。而采取自适应智能天线技术
，结合传统的调频技术，可以使传统的跳频负载的限制由原来的５０％提高到１００％
，且频率的复用模式可以由原来的（１，３）改为更紧密地（１，１）复用。网络的仿
真及现场测试表明，采用自适应智能天线技术后，跳频负载提高到１００％后，网络的
服务质量不低于调整前。也就是说，频谱的使用效率较传统的提高四倍（在采取四天线
阵的情况下）。 　　ＣＤＭＡ系统是一种自干扰系统，无论ＩＳ－９５ＣＤＭＡ，ＷＣ
ＤＭＡ还是ＣＤＭＡ２０００，系统的射频污染是影响系统容量的重要因素。由于自适
应智能天线系统采用有选择性的空间传输，因此基站发射的功率可以远远低于普通的基
站，从而可减少网络内的射频污染，同时减小功率放大器的规格。首先，功率可分配到
每个单元，然后，由于能量根据方向而提供，所以输送到每个单元的功率就随之减少。
如果阵列部署有１０个单元，则每个单元的放大器只需发射来自相关天线系统的１％的
功率。而且能量只集中在有效用户的位置，对其他用户位置的能量辐射最小，从而最大
限度地减少网络空间的射频污染，降低干扰电平，提高系统容量。
四、软件无线电技术的雏形
　　从自适应智能天线技术的实现原理可以看出，自适应智能天线的核心在于基带的数
字处理部分，它由数个软件功能模块组成。自适应智能天线系统针对不同的通信标准以
及不同的应用环境有不同的解决方案，基站系统只需通过软件置换即可实现基站设备的
重新配置，而基站系统的射频结构及其它硬件结构则不需作任何调整。这正是当今软件
无线电的概念。虽然现在的自适应智能天线系统硬件平台的通用性还有一定的限制，但
这种限制并不是来源于自适应智能天线技术本身。因此，从自适应智能天线的技术特点
上来看，它已具备了软件无线电技术的基本构成要件，是软件无线电技术的雏形。
　　自适应智能天线技术以其技术的先进性正越来越多地被人们所重视，随着无线通信
业务的发展，自适应智能天线技术将可以帮助运营商经济高效地完成系统的部署，从而
提供优质的服务。用户则将是这种技术的最终受益者，能够以较低的费用获得清晰的通
话质量，而这就将成为通信发展的原动力，推动通信技术的不断发展。
时间:  2004-12-22 17:43
作者: dyt205

未来移动通信的新技术 --- 智能天线

还未来呢,到处都在用啊!
时间:  2004-12-23 16:54
作者: lxj7871

我们也有用哦
时间:  2008-7-23 21:54
作者: suizhou0

请问目前在基站用的智能天线的造价是多少？？？？？
时间:  2008-7-24 09:45
作者: 7717914

楼主，你弄个附件直接弄上来不就得了，这么看着太麻烦那！
时间:  2008-7-24 11:13
作者: redfoxfeng

感谢LZ的分享!借花献佛,整理成文,方便大家下载学习!
时间:  2008-7-29 11:24
作者: GPRSlover

真是很强的天线。
时间:  2008-7-31 08:57
作者: wylgd

智能天线的体积是不是很大啊
时间:  2008-8-15 22:46
作者: 15608790132

要学习一下
时间:  2008-8-15 22:49
作者: 15608790132

要学习一下
时间:  2009-3-1 11:18
作者: yangfan_2008

多谢分享，长见识，呵呵
时间:  2010-12-15 16:18
作者: liture

多谢楼主，看看先。
也多谢整理的。
时间:  2011-10-24 22:09
作者: nbuzhuwei

资料不错
时间:  2011-10-27 21:44
作者: cyybj     标题: 很好

东西非常有用 谢谢
时间:  2012-1-11 10:26
作者: dshchjgl     标题: hahaha

hahaha



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