TD-SCDMA系统核心技术之智能天线探密

摘 要：文章详细介绍了智能天线的目前行业动态，以及智能天线的概念、结构及原理、技术应用及优势等，深入分析了智能天线在td-scdma中的应用，突出了智能天线在第三代移动通信系统的重要地位，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: 3G；TD-SCDMA；智能天线

一、引言

作为3G的国际标准之一，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，随着TD-SCDMA系统的大规模的安装，TD天线得到了广泛应用。

二、智能天线的概念与结构原理

（一）智能天线的概念

从20 世纪90 年代初开始，人们就试图考虑将智能天线技术引进到无线通信中来，但一直未能找到合适的途径。随着移动通信系统经历了第一代模拟系统和第二代（2G）数字系统之后，发展以宽带CDMA技术为核心的第三代（3G）数字移动通信系统，才为顺利引进包括智能天线在内的现代数字信号处理技术创造了条件。其中，我国享有独立知识产权的TDD 模式运行的TD-SCDMA 技术中，就已经成功的引进了智能天线技术；从某种程度上可以说，智能天线是3G 区别于2G 系统的关键标志之一。

智能天线是由一些空分的、独立的天线元素组成的一个天线阵列系统，这个阵列的输出与收发信机的一组多个输入相结合。这多个天线元素结合在一起提供一个综合的时空信号。与使用单个天线采用固定方式结合天线口信号的接收机相比较，天线阵列系统能够动态地调整结合信号的机制以提高系统的性能。正因为这个原因，天线阵列经常被称为智能天线，它被视为相当于一个特性能够根据需要自动地调整的天线。广义地说，智能天线技术是一种天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配技术。

（二）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。

（三）智能天线的原理

上面介绍的其实是智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。基站智能天线是一种有多个天线单元组成的阵列天线，通过调节各单元信号的加权幅度和相位，改变阵列的方向图，从而抑制干扰，提高信噪比，它可以自动测出用户方向，将波束指向用户，实现波束跟用户走。智能天线的结构原理，如图1所示。

三、智能天线技术

（一）智能天线的形成

20世纪90年代中期，世界各国开始考虑将智能天线技术应用于移动通信系统。美国Arraycom公司在PHS系统中实现了智能天线；北京信威通信公司也成功开发使用智能天线技术的SCDMA无线通信系统。1998年中国向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。

（二）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。

（三）智能天线的优势

采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即是一种广泛适用的系统。

智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。

智能天线以多个高增益窄波束动态地跟踪不同的期望用户，提高用户接收的信号功率，同时将赋形波束之外的非期望用户受到的干扰加以抑制，从而在一定程度上降低多址干扰（MAI），提高通信系统的容量，增加接收灵敏度。

（四）智能天线的不足之处

在TDD系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，链路无线传播环境差异不大，在赋形算法中可以近似使用相同权值。因而，TDD方式更能够体现智能天线的优势。但是智能天线在使用过程中依然存在诸多的限制。在采用TDD方式的移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能较为直接。但当用户仅处于接收状态下，同时在基站覆盖区域内移动时（空闲状态），基站无法预知用户方位，必须使用全向波束进行发射。

此外，必须在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间进行折中。目前的实用智能天线算法还难以解决时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，将智能天线和其他抗干扰的技术结合使用，才可能达到更好的效果。另外，智能天线的性能随天线阵元数目的增加而增强，但是增加天线阵元的数量，必将提高系统的复杂性，特别是在较低频段工作时。巨大的智能天线重量将会给工程施工带来麻烦。

四、智能天线在TD-SCDMA中应用

（一）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：

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。

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。

降低基站发射功率，减少了电磁环境污染

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。

智能天线的优势如图5所示。

（二）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。

五、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。另外，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。据专家估计，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。

参 考 文 献

Tero Ojanpera Ramjee 著,朱旭红 等译，第三代移动通信技术，人民邮电出版社,2000

李世鹤著，智能天线的原理和实现 大唐电信，2001

刘鸣;袁超伟;贾宁;黄韬 著.智能天线技术与应用.机械工业出版社 2007

作者简介：

姓名：周琦 出生年月：1975年性别：女 籍贯：浙江省，宁波市

现供职单位: 浙江省通信产业服务有限公司宁波市分公司

职务：业务主管 职称：工程师 学位：学士 研究方向：通信工程技术。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。