Analysis of smart antenna
1 .Introduction
Transmission antenna is necessary to achieve electromagnetic devices: signal transmitter antennas to achieve the use of electromagnetic radiation, the signal receiver antennas to achieve the use of electromagnetic induction. Therefore, regardless of the communication system, as long as it uses radio transmission, you must use the antenna, regardless of the operating frequency of the system used in what is, what kind of band, and whatever the multiple access technology or what the modulation technique. With the development of communication and technological advances, the used devices, components are increasingly high requirements. Smart Antenna is to adapt to traffic generated by the development of new things - wireless access systems, satellite communication systems and mobile communication systems (whether in the public communication network, or in the private telecommunication network), and military communication systems, both its important applications, and thus brought about, such as anti-jamming capability, greatly improved performance such as frequency of utilization of a number of advantages.
Although the smart antenna or electromagnetic radiation and sensing plays a role, however, smart antenna is a new concept.
With the continued growth of cellular mobile users, how to resolve the spectrum resource constraints, inhibit various kinds of interference and improve the quality of service as a communication problems to be solved. To this end, it made a series of solutions, for example, in the communication-intensive parts of the introduction of micro-cellular technology, frequency hopping technology, efficient coding techniques as well as power control. The smart antenna for all these problems offers a new idea. Smart antennas can be multiplied to improve communication capacity of the system to effectively inhibit the complex electromagnetic environment of the various disturbances, and also with a variety of communications systems and other multi-mode compatible sites, thus a smaller price and get a large performance improve. At present, there are many universities and companies at home and abroad dedicated to smart antenna research. European Telecommunications Commission (ETSI) explicitly put forward the smart antenna is a third generation mobile communication systems, one of the key technologies are essential, and developed a corresponding development plan.
2 The Basic Concepts Of Smart Antenna
Adaptive smart antenna combines the advantages of antennas and antenna arrays to adaptive signal processing algorithms based on, and the introduction of artificial intelligence approach. Smart antenna is no longer a simple unit, it has become an intelligent system. The specific is defined as: Smart Antenna with antenna arrays based on electro-magnetic information obtained after the use of artificial intelligence methods for processing, an analysis of the electromagnetic environment, judge, and automatically adjust itself so as to achieve the best working condition. Based on the degree of intelligent antennas can be divided into a variable antenna beam antennas, phased arrays and adaptive dynamic arrays in Class 3. Variable beam antenna based on received power maximum principle, carried out several pre-array beam-switching; dynamic phased arrays use the direction finding algorithm that can continuously track the user to change the direction of the antenna beam, so that maximum received power; adaptive array not only finding the user, but also for finding a variety of interference sources, in the formation of beam, the received power not only the largest but also to minimize noise, so to receive the highest signal to noise ratio.
Smart antenna is a complex system, and along with increased performance requirements, smart antennas are more complex. That the smart antenna is developed from the adaptive antenna, but the two have enjoyed a significant difference: the adaptive antenna is mainly used for radar system interference cancellation, but also interfere with the signal strength of large, also limited the number of occasions. In wireless communication systems, mainly based on the interference of multipath propagation and its magnitude are typically small, but the numbers tend to be significant, especially when the waves spread on the ground especially in urban areas. These differences resulted in the formation of orientation map, or that the handling of the signal with their own characteristics. Since the smart antenna evolved from the adaptive antenna, so smart antenna and adaptive antenna has a similar structure for signal reception when the smart antenna structure shown in Figu
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浅析智能天线
1. 前言
天线是实现电磁波传播的必备器件:信号发射端利用天线实现电磁波辐射，信号接收端利用天线实现电磁波感应。因此，不论何种通信系统，只要它采用无线传输方式，就必须使用天线，而不论该系统采用的工作频率是多少，属于何种频段，也不论采用什麽多址技术或者什麽调制技术。
随着通信的发展和技术的进步，对所用器件、部件的要求也越来越高。智能天线正是适应通信发展而产生的新事物——在无线接入系统、卫星通信系统和移动通信系统(不论在公众通信网中，还是在专用通信网中)以及军事通信等系统中，均有其重要应用，并由此而带来诸如抗干扰能力、频率利用率等性能大幅度提高的一系列优点。尽管智能天线还是起着电磁波的辐射和感应作用，但是，智能天线是一个崭新的概念。
随着蜂窝移动用户的不断增长，如何解决频谱资源紧张、抑制各种干扰、提高通信服务质量成为一个亟待解决的问题。为此，人们提出了一系列的解决方案，例如，在通信密集的地方引入微蜂窝技术、频率跳变技术、高效的编码技术以及进行功率控制等。而智能天线为这一切问题的解决提供了一条新思路。智能天线能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制復杂电磁环境下的各种干扰，并且还能与各种通信系统和其他多址方式兼容，从而以较小的代价获取较大的性能提高。目前，国内外有许多大学和公司致力于智能天线的研究。欧洲电信委员会(ETSI)明确提出智能天线是第三代移动通信系统必不可少的关键技术之一，并制定了相应的开发计划。
2．智能天线的基本概念
由于无线移动通信信道传输环境具有復杂性和不确定性，主要受多径衰落、时延扩展等不利因素影响，存在符号间串扰、同信道间干扰和多址干扰等恶化通信环境的情况，直接降低了链路性能和系统容量，而智能天线是解决这些问题的重要手段之一。
智能天线综合了自适应天线和阵列天线的优点，以自适应信号处理算法为基础，并引入了人工智能的处理方法。智能天线不再是一个简单的单元，它已成为一个具有智能的系统。其具体定义为:智能天线以天线阵列为基础，在取得电磁信息之后，使用人工智能的方法进行处理，对电磁环境做出分析、判断，并自动调整本身的工作状态使之达到最佳。依据天线的智能化程度可将天线分成可变波束天线、动态相控阵列和自适应阵列三类。可变波束天线依据接收功率最大原则，在几个预设阵列波束中进行切换;动态相控阵列使用测向算法，能够连续追踪用户的方向而改变天线的波束，使接收功率达到最大;自适应阵列既对用户进行测向，又对各种干扰源进行测向，在形成波束时，不仅使接收功率最大，而且使噪声降到最低，从而使接收信噪比最高。
智能天线则是一个復杂的系统，而且随着性能要求的提高，智能天线也越加復杂。可以认为智能天线是从自适应天线发展起来的，但是二者之间有着显着的差异:自适应天线主要用于雷达系统的干扰抵消，而且是干扰信号强度特大，数量又不多的场合。在无线通信系统中，主要基于多径传播的干扰，其幅度一般较小，但数量往往很大，尤其是电波在城市地面传播时更是如此。这些差异导致在方向性图的形成上，或者说在信号的处理上有着各自的特色。既然智能天线从自适应天线发展而来，所以智能天线有着与自适应天线相类似的结构，用于信号接收时的智能天线。就是说，智能天线是由一个天线阵列和一组波束形成网络(亦称聚束网络)联合构成的系统。所以，从硬件构成来看，将智能天线称为“智能天线系统”是可以理解的。
智能天线的发展可分成3个阶段:第1阶段是应用于上行链路，通过使用智能天线增加基站的接收增益，从而使接收机的灵敏度和接收距离大大增加;第2阶段是将智能天线技术同时应用于下行链路，在智能天线应用于下行链路后，能够控制波束的发射方向，从而有助于频率的復用，提高系统的容量;最后一个阶段是完全的空分多址，此时在一个蜂窝系统中，可以将同一个物理信道分配给不同的用户，例如，在TDMA中，可以将同一小区内同一时隙同一载波同时分配给两个用户。
3．智能天线的组成和关键技术
智能天线主要分为天线阵列、接收通道及数据采集、信息处理3部分。在移动通信系统中，天线阵列通常采用直线阵列和平面阵列两种方式。在确定天线阵列的形式后，天线单元的选择就十分关键。天线单元不仅要达到本身的性能指标，还必须具有单元之间的互耦小、一致性好以及加工方便的特点。目前微带天线使用较多。
接收通道及数据采集部分主要完成信号的高频放大、变频和A/D转换，以形成数字信号。目前，受A/D器件抽样速率的限制，不能直接对高射频信号和微波信号进行采样，必须对信号进行下变频处理，降低采样速率。
信息处理部分是智能天线的核心部分，主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形成两方面的功能。进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数，这些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制方式及射频频率等，其中信号的来向对于实现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。在众多的超分辨率测向算法中，MUSIC算法及其改进算法一直占据主导地位，它不受天线阵排阵方式的影响，只需经过一维搜索就能实现对信号来向的无偏估计，并且估计的方差接近CRLB。此外，使用ESPRIT算法来解决移动通信中的测向问题也得到了广泛的研究。数字波束形成主要通过调整加权系数来达到增强有用信号和抑制干扰的作用，它需要收敛速度快、精度高的算法支持。根据所需先验知识的不同，目前的波束形成算法主要有三类:以信号来向为先验知识，如LCMV算法;以参考信号为先验知识，包括LMS算法及其改进算法NLMS、RLS等;不需要任何先验知识，如CMA算法。由于移动通信环境復杂，各种算法也有各自的优缺点，因此系统中必须对多种算法取长补短，才能达到最佳效果。
智能天线技术利用信号传输的空间相干性，通过调整天线阵列阵元发送信号的权值，产生空间预定波束，将无线信号导向具体方向，使主瓣波束自适应地跟踪用户主信号到达的方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向，达到充分和高效利用移动用户信号，删除或抑制干扰信号的双重目的。智能天线可实现信号的空域滤波和定位，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显着降低用户信号彼此间的干扰。
智能天线通常应用在基站侧，可在下行链路对发射信号进行预加权实现选择性发送，也可在上行链路对接收的混叠信号进行不同加权合并得到对应的波形。智能天线因其具有增加系统容量、提高通信质量和扩大小区覆盖等优点，已广泛应用于TD-SCDMA和TD-LTE网络。可以肯定的是，情景化、小型化、电调化、宽带化和集成化相结合的智能天线，将在TD-LTE及后期演进系统中发挥不可替代的作用。
4．智能天线的特点和优势
(1) 提高系统容量
在蜂窝系统中，用户的干扰主要来自其他用户，而智能天线将波束零点对准其他用户，从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比，因此减少了频谱资源的復用距离，从而获得了更大的系统容量。
(2) 扩大小区覆盖距离和范围
使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率，进一步扩大基站的通信距离，减少功率损失，从而延长电池的寿命，减小用户的终端。
(3) 减少多径干扰影响
智能天线使用阵列天线，通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术，可以将多径衰落和其他多径效应最小化。
(4) 降低蜂窝系统的成本
智能天线利用多种技术优化了信号的接收，从而能够显着降低放大器成本和功率损耗，提高系统的可靠性，实现系统的低成本。
(5) 提供新服务
智能天线在使用过程中必须对用户进行测向，以确定用户的位置，从而为用户提供基于位置信息的服务，如紧急唿叫等。目前，美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。
(6) 更好的安全性
使用智能天线后，窃听用户的通话将会更加困难，因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。
(7) 增强网络管理能力
利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情况，从而为实施更有效的网络管理提供条件。
(8) 解决远近效应问题和越区切换问题
智能天线可自适应地调节天线增益，较好地解决了远近效应问题，为移动臺的进一步简化提供了条件。在蜂窝系统中，越区切换是根据基站接收的移动臺的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致越区转接，增加了网络管理的负荷和用户唿损率。在相邻小区应用的智能天线技术，可以实时地测量和记录移动臺的位置和速度，为越区切换提供更可靠的依据。
5．智能天线的技术现状
在分析智能天线理论的同时，国内外一些大学、公司和研究所分别建立了实验平臺，将智能天线应用于实践中，并取得了一些成果。
（1）美国
在智能天线技术方面，美国较其他国家更加成熟，已开始投入实际应用中。美国的ArrayComm公司发展了针对GSM标准和日本PHS标准的智能天线系统。该公司已将智能天线应用于基于PHS标准的无线本地环路中，并投入了商业运行。该方案采用可变阵元配置，有12阵元、8阵元环形自适应阵列可供不同的环境选用，现场实验表明，在PHS基站采用智能天线技术可使系统容量增加。
（2）欧洲
欧洲通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究，称为TSUNAMI，由德国、英国、丹麦和西班牙共同合作完成。它采用DECT标准，射频频率为1.89 GHz，天线由8个微带贴片组成。阵元距离可调、组阵方式可变，有直线型、圆环型和平面型3种形式。数字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片，它在软件上分别由MUSIC算法、NLMS、RLS完成测向和求得最佳的加权系数。在典型的市区环境下进行实验表明，该智能天线能有效跟踪的方向分辨率大约为15°， BER优于10-3。
（3）日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率为1.545 GHz。阵元组件接收信号在A/D变换后，进行快速傅氏变换，形成正交波束后分别采用恒模算法或最大比值合并分集算法，数字信号处理部分由10片FPGA完成。ATR研究人员提出了智能天线的软件天线概念。
（4）其他国家
我国的信威公司也将智能天线应用于TDD方式的WLL系统中。该智能天线采用8阵元的环形自适应阵列，射频工作于1 785~1 805 MHz，采用TDD工作方式，收发间隔为10 ms，接收机灵敏度最大可提高9 dB。此外，爱立信公司与德国运营商也将智能天线应用于GSM基站上，但该天线的智能化程度不高。韩国、加拿大等国也开展了智能天线方面的研究。
（5）用于卫星移动通信的智能天线
上文主要介绍了基于蜂窝系统的智能天线，另外还有一种用于L卫星移动通信的智能天线。该天线采用了由16个环形微带贴片天线组成的一个4times;4的方形平面阵，它的射频频率为1.542 GHz，左旋圆极化，中频频率为32 kHz， A / D变换器的采样速率和分辨率分别为128 kHz和8位。在数字信号处理部分，选用了10个FPGA芯片，其中8个用于16个天线支路的准相干检测和快速傅里叶变换，另外2片则起到波束选择、控制和接口的作用;自适应算法则选择了CMA。系统的外场测试表明，它能产生16个波束来覆盖整个上半空间，并且不需要借助于任何传感器，就能用最高增益的波束来自动捕获和跟踪卫星信号，从而在各种復杂的环境下均能提供比采用其他天线要高得多的通信质量。
6．智能天线面临的挑战和发展方向
智能天线系统在改善性能的同时，也增加了收发机的復杂度。因为要对每个用户进行定位，并且波束形成的计算量很大，所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。在实施SMDA时，资源管理也成为一个必须关註的问题。作为一种新的多址方式，在频谱分配和移动性管理上也提出了新的问题，将会对网络管理提出更多的需求。此外，目前智能天线的物理尺寸较大，不利于构建更小的基站。
智能天线形成下行波束较为困难，因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识，而无线信道的信道状况变化极快，使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送
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