时间：2023-11-09 11:28:24
关键词：数字波束形成 多波束 MATLAB
中图分类号：TN958 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00
1 引言
雷达数字波束形成 （Digital Beam Forming， DBF）技术是将数字信号处理引入到相控阵雷达天线波束形成原理的一门新技术。随着数字器件的快速发展，在雷达末端信号处理中进行数字幅相加权从而形成合成波束已经成为现实。和传统的微波移相器波束形成技术相比，数字波束形成技术有许多优点：能产生多个独立的可控波束，并不会损害信噪比；因波束控制是无惯性的，可瞬时实现同时多波束、顺序波束、单一波束和多种波束的交替运用，波束控制灵活多变；进行相位加权的同时可以进行幅度加权，能得到高性能超低副瓣天线。数字多波束形成技术是在数字波束形成的基础上同时产生多个独立的波束，可以更方便地完成自适应空域滤波和方向图控制。通过数字多波束形成，现代相控阵雷达可以实现多目标跟踪、检测、成像等功能。
MATLAB是一种强大的科学计算工具，是雷达工程技术人员必不可少的工具。因此利用MATLAB仿真数字多波束形成也是在现代相控阵雷达系统设计中非常必要的。本文在介绍了数字多波束形成技术的原理后，重点讨论了MATLAB仿真数字多波束形成的方法。
2 DBF的基本概念
对于阵列天线，波束形成的一种简单的运算结构是延迟加权求和形成。假设从M处来的平面波入射到N单元的线阵上，如图1所示。
当雷达的工作波长λ确定后，只要调整阵元间距d就可以满足式（3），从而不出现栅瓣。一般扫描角度都不会超过60°，所以为了避免出现栅瓣，通常取d/λ≤0.5。
图2给出了24个阵元，阵元间距0.5波长，扫描角度30°的数字波束形成天线方向图。
数字波束形成时，可以将回波信号视为阵列信号。其中波达方向信息是由载波相位项表示的， 与信号波形无关。该阵列信号可以写成
为了得到数字波束形成的方向图，获得最大的输出响应，需要对各路复数信号进行复数相加权，即与权系数的共轭相乘，然后求和，这样就可以得到系统的响应输出为
这样可以通过加权系数对阵列天线的方向图进行加权，得到符合系统要求的天线特性。加权系数在数字信号处理系统中一般用窗函数表示，图3为常见窗函数的响应特性图。
3 数字多波束形成
数字多波束形成是基于数字波束形成技术的，它将同时产生多个波束。但是每个波束因为波束指向角不同，所以波束宽度不同。
在法线方向，天线波束是以法线轴向对称的，所以在法线方向的3dB波束宽度为
考虑到利用MATLAB仿真数字多波束形成，一般选取第一个波束的扫描方向为0度方向即法线方向。其余波束相互3dB交叠，即每个波束的3dB点相交。那么在确定第一波束的时候，就应该确定下一个波束。接下来推导如何确定波束位置。图4是两个波束3dB交叠的示意图。
通过在扫描范围内的角度可以找出使式（10）两边相等的角度，这个角度即为x2。这样就可以通过前一个波束扫描角度推算出下一个波束扫描角度。一般设置第一个波束扫描角度为0度，通过递推的方法就可以得到每一个扫描角度。
4 MATLAB仿真数字多波束形成
通过上述推导，可以得出MATLAB仿真数字多波束形成的流程图，如图5所示。
首先，设置天线阵列个数、天线单元间距和扫描范围等初始参数；根据这些参数就可以仿真出法线方向的波束扫描方向图，然后利用式（10），在扫描范围内找出下一个波束扫描位置；判断这个波束位置是否超出初始设置的扫描范围，如果超出即结束仿真，不超出则仿真出这个波束的方向图。重复上述步骤就可以得到初始设置的数字多波束形成仿真。
利用图5的流程，可以得到MATLAB仿真代码如下：
function dbfn（N，d，fanwei）
clear；
close all；
theta = -90：0.01：90；
x = 0；
theta3db = 50.8/（N*d）；
while x
a = sin（N.*pi.*d.*（sind（theta）-sind（x）））；
b = N.*sin（pi.*d.*（sind（theta）-sind（x）））；
F =abs（a./b）；
F = 20.*log10（F）；
plot（theta，F）；
hold on；
plot（-theta，F）；
xx = 0：0.001：fanwei+5；
p1 = theta3db./（2.*cosd（xx））；
p2 = xx - theta3db./（2.*cosd（x））-x；
X = abs（p1-p2）；
[A，B] = min（X）；
x = xx（B）；
end
axis（[-90，90，-30，0]）；
xlabel（'角度/度'）；
ylabel（'相对幅度/dB'）；
end
上述MATLAB代码中，N为天线阵列个数，d为天线单元间距（单位为几个波长，一般取0.5），fanwei为扫描范围（只需给出正角度扫描范围即可）。根据上述MATLAB代码，可以得到32个天线阵列单元，间距为半波长的线阵，扫描范围为-60°～60°的数字多波束形成的天线方向图如图6所示。
上述MATLAB程序是不考虑阵元方向性函数对阵列天线的影响而仿真出来的数字多波束形成。在实际中，往往要考虑阵元的方向性函数对波束的影响。如果需要考虑阵元方向性函数，就需要在每次波束形成时将阵元方向性函数与当前波束相乘。如果需要增加窗函数，也是在每次波束形成时将窗函数与当前波束相乘。但应注意窗函数对波束宽度的影响。
5 结语
数字多波束形成技术是现代相控阵雷达应用的新技术，本文在介绍了数字波束形成的原理后，重点阐述了MATLAB仿真数字多波束形成。利用初次波束形成的位置可以得到其3dB交叠时的下一个波束位置，通过此方法可以递推得到每个波束的位置，因此可以得到多波束的仿真。给出了数字多波束形成的MATLAB代码，指出了仿真时应注意的问题。该方法已经在某型相控阵雷达总体设计中得到应用。
参考文献
[1]赵树杰.雷达信号处理技术[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2]刘永刚.一种数字阵二次雷达的数字波束实现方式[J].数字技术与应用，2016（01）：65-66.
[3]张光义.多波束形成技术在相控阵雷达中的应用[J].现代雷达，2007（08）：1-6.
论文摘要：介绍了智能天线的基本原理、实现方法及其在移动通信中的应用。
最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。近年来，随着移动通信的发展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。此外，随着移动用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现，在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。
1 智能天线的基本原理
智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列，后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理，天线阵收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。
基站使用智能天线，可为用户提供窄定向波束，在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率，又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式，根据信号的空间传播方向不同，区分用户。
2 智能天线的实现
智能天线阵系统主要包括天线阵列、自适应处理器和波束形成网络。天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位，提供给各辐射单元，用来确定波束形成网络各部分方向图的增益。波束形成网络利用天线阵元产生的方向图，实现智能天线的各种应用。
自适应处理器产生的各支路幅度和相位调整系数，是波束形成网络工作的重要依据。自适应处理器包括信号处理器和自适应算法器。信号处理器根据所需进行的信号处理，自适应算法器根据均方误差、信噪比、输出噪声功率等性能量度，用适当的算法调整方向图，形成网络的加权系数，使智能天线阵系统性能达到最优化。
最初的智能天线采用复杂的模拟电路，如今采用数字波束形成(DBF)方式，用软件完成算法更新，也可采用数模相结合的处理方法，既保证处理精度，又保证处理速度及灵活性。此外，为了使智能天线具有良好性能，应根据具体的电波传播环境，选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力，提高系统性能。为了尽量减少对现有系统的改动，也可使用多波束智能天线。多波束天线利用多个指向固定的波束覆盖全方向，虽然不能实现信号最佳接收，但结构简单，便于实现，且无需判定所接收信号的方向。
3 智能天线在移动通信中的用途
(1)抗衰落
在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自适应接收天线，将这些分量隔离开，然后再合成处理，即可实现角度分集。
(2)抗干扰
用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比，用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”，其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。
(3)增加系统容量
为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用多波束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄，提高了天线增益及C /I指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，毋需增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。
未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案，可在不影响通话质量情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。
当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统，但部分省市模拟系统占用了CDMA频段，必须采用清频手段解决此问题。使用智能天线，可大大改善模拟系统小区复用方式，增加模拟系统容量，即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏，为CDMA系统留出频段。
(4)实现移动台定位
目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。
在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
4 智能天线的应用
(1)用于FDMA系统
据研究，与通常的三扇区基站相比，C /I值平均提高约8dB，大大改善了基站覆盖效果;频率复用系数由7改善为4，增加了系统容量。在网络优化时，采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。
(2)用于TDMA系统
无线能量在时间和空间上都受到限制，智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究，用4个30°天线代替传统的120°天线，C /I可提高6dB，提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下，提高频率复用系数，增加了系统容量。
(3)用于CDMA系统
在CDMA系统中，智能天线可进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性，可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，提高系统性能。
(4)用于无线本地环路系统
在无线本地环路系统中，基站对收到的上行信号进行处理，获得该信号的空间特征矢量，进行上行波束赋形，达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式，可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号，实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益，改善了接收灵敏度和基站发射功率，扩大了通信距离，并在一定程度上减少了多径传播的影响。
(5)用于DECT、PHS等系统
DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时，采用和评估了多种自适应算法，并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明，采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发，我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”，期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限，需要建立很多基站，若采用智能天线技术，则可降低成本。
(6)用于第三代移动通信
采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。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。SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。
5 智能天线技术的研究动向
我国早已将研究智能天线技术列入了国家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。中国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线和软件无线电技术。作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果，足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的。
欧洲在进行了基于DECT基站的智能天线技术研究后，继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件天线概念，即用户所处环境不同，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、CD-MA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发;ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统;美国德州大学建立了智能天线试验环境;加拿大McMaster大学也对算法进行了研究。
当前对智能天线的研究包括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技术研究等方面。
通过智能天线进行空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源。
论文关键词:智能天线 无线通信 空分多址 自适应天线 应用
论文摘要:采用数字信号处理技术形成定向波束的智能天线，引起了无线通信工程技术人员的极大重视。作者在对天线传统认识的基础上阐述了智能天线的基本概念、特点、实现方法和应用前景。
一、概述
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，也不论采用什么多址技术或者什么调制技术。
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。
二、常规天线与智能天线
按照分类方法不同，常规天线(下文称天线)有众多的分类。例如，若按振子形状分类，天线可分为线状天线和面状天线:后者有抛物面天线，卡什格仑赋形天线等(用于微波频段);前者有布朗天线、J形天线、折合振子天线、八木天线、鞭状天线、螺旋天线、菱形天线等(常用于特高频、甚高频、短波频段)。若按方向性图分类，天线又可分为无方向性天线(即全向性天线)和定向性天线:前者如外露偶极子天线、共轴天线等，其特点是当它们用于信号发射时，不论收信用户位于何处，发射能量通过天线能作3600均匀分布;诸如角反射天线、角形反射器天线等则属于定向性天线。此类天线在一定方向上形成信号的发射或接收，能量的有效性较高。若按材料分，又有金属天线和介质天线之分。若按电场强度方向分类，天线又有垂直极化、水平极化等之分。当然，天线还有其它的分类方法，我们不一一例举。但无论怎么说，通信天线的构成比较简单，即使将用于与发射机、接收机相连的馈线算入，构成“天馈线系统”，但是，它依然是一个简单系统。
智能天线则是一个复杂的系统，而且随着性能要求的提高，智能天线也越加复杂。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著的差异: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结构图见图1。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。
用于收、发信侧的智能天线结构是相仿的，其工作原理也一致。这里以发送用智能天线为例，说明其波束形成原理。将待发射的各路信号S1(t)，S2(t)……SM(t)组合成M维信号集合:S(t)=[S1(t)，S2(t)…SM(t)]T，再在N×M矩阵网络中实现复数加权系数W加权，得到一个N维的阵列输出信号:
X(t)=W×S(t) (1)
其中，X(t)=[X1(t)，X2(t)…XN(t)]T。
若智能天线的天线阵列的方向性函数为fN(θ)，且当天线阵列选定以后，它就为定值。则X(t)将在天线远区场产生的场强
E(θ，t)=∑XN(t)·fN(θ) (2)
若要将信号SM(t)发向接收方，只需修改加权网络加权系数W为WNM即可实现该信号的辐射方向性图。即E(θ，t)可进一步写成
显然，只要调节WNM就能获得所需方向波束。智能天线的天线阵列是由多个(例如5、6个甚至更多)单元天线排列成一定形式形成的，常用形式有平面形、圆环形、直线形。从工程上考虑，这些单元天线方向性图常是无方向性的，其相互间距也需满足一定要求。例如在移动通信中使用时，各单元天线间距常取为λ2(λ为工作波长)。
智能天线波束形成网络的作用是在天线阵列支援下，形成一系列极窄的信号传输通路——空间波道，又称波束(Beam)，即在收、发两端之间形成一条极窄的信号通道。例如，当智能天线用于无线接入系统时，可以在基站(或中心站、转发站)和用户之间形成极窄的无线电波束通道。当智能天线用于移动通信和个人通信中时，这个极窄的波束能随着用户移动而移动。显然，极窄波束的应用能提高发信功率的有效性，还能提高信号传输的信号干扰比。或者说，在保证接收端信号干扰比不变的条件下，发信端功率可以大幅度降低。
这个极窄波束的实用，也形成了多址技术的第四种概念——空分多址(SDMA)，而且这个SDMA可以和其它多址技术以及它们的混合联合使用。即在采用智能天线后，系统能在相同时隙、相同频率、相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间波束——空间传播路径加以区分。
值得重提的是，形成一定指向的空间波束是众多的无方向性天线和波束形成网络的联合作用，而且空间波束的指向依据用户的不同空间传播方向而决定。这个具有一定指向的空间波束等同于信号有线传输的线缆如光缆、同轴电缆。
智能天线能实用于无线通信系统，而不论它们是公众网还是专用网，也不论该系统采用何种技术标准。智能天线能适用于几乎所有移动通信协议和标准的情况，见表1。有些协议或标准甚至至今还未正式形成产品，例如cdma2000、TD-SCDMA，这种情况说明智能天线适用范围很广。
SDMA的实用也促使了系统频率利用率的提高以及频率管理、频率配置难度的降低。例如在移动通信中，同一基站范围内的相同载频可以多次复用而不必虑及同频干扰(这就大大地降低了频率配置的难度)。而且不同指向的波束越窄，同频复用系数可以越大，系统的频率利用率就越提高，系统容量越大。同一小区两个手机用户同时占用同一频道时，智能天线形成的方向性图见图2。图中，智能天线形成的两个主波束分别对准这两个用户(而不会产生同频干扰)，其它方向的增益却很小，这就保证了主波束增益可以做得很高，周围的干扰(包括同频干扰、邻频干扰、近端对远端比干扰等)和噪声的影响可以降低到很小。
采用智能天线后，同无线区不仅可以安排相邻或邻近频率，甚至还可实现同频复用，这极大地降低了无线电管理部门在频率配置和干扰管理上的难度，所以无委力主智能天线早日投入使用。
智能天线的应用还可以极大地增强设备供应商的竞争能力，并且智能天线不受调制方式和空中接口协议的限制，它们能与现有的空中接口方式相适应。智能天线的核心技术是波束形成，并主要由波束形成网络实现。
当智能天线为某个具体用户服务时，利用天线阵列发射或接收无线电波，利用波束形成网络中的某些部分对用户形成极窄的波束指向，而在其它方向上，智能天线能自适应地控制其方向性图为零，这种性能又称为自适应调零功能。正是利用这种功能，可以将智能天线的副瓣或零信号区(也称零陷区)的幅度基本抑制掉，这也造就了智能天线有极好的抗干扰性能。
只要能把主波束做得极细，同一基站(或中心站)主波束数能做得足够多，副瓣也能完全被抑制掉，那么，智能天线的应用至少在理论上解决了众多无线通信频率资源不足的难题。因此，不论在欧日联合提出的第三代移动通信方案W-CDMA中，或是我国提出的第三代移动通信方案TD-SCDMA方案中都把智能天线作为特征技术阐述在内，这是有道理的。就是在专用通信网中，这个特点也有着重要意义。我们以815~821 MHz(移动台发)和860~866 MHz(基站发)这一集群系统专用频段为例说明这一问题。这一频段虽可划分成240个双向通，但由于集群系统性能优越，特别是它的调度功能强大，因而该系统特别受专用通信网欢迎，许多系统诸如电力、人防、交通、港口、民航等都想发展该系统，从而导致频谱紧张。但是，一旦集群系统采用智能天线以后，频谱紧张这一问题将迎刃而解。
三、智能天线系统的构成
智能天线之所以能具备这些优良性能，这同其系统构成有关，特别是波束形成网络。波束形成网络构成复杂，大体上可分为网络处理系统和网络控制系统两部分，依照网络处理和网络控制的工作原理、结构不同，智能天线可分成波束切换型和自适应阵列两种类型。
波束切换型是指，智能天线能形成多少个空间波束一空间信道事先就已确定，这个确定既包括波束指向，也包括数量。确切地说，这类天线的波束数量有限。当智能天线服务于某用户时，系统能自动从有限波束中选择一个或几个的组合以服务于该用户，而不管所选波束的最大指向是否对准用户，也就是说用户虽处在所选波束作用范围，却有可能不在最大方向上。而且，当用户在移动时波束却是固定的，在用户移动到这种另一波束上时，系统会由此波束切换到另一波束上。基于相同原因，另一波束也不保证其最大指向随时指向用户，这些特点构成了这类智能天线的缺点，但是这类天线结构简单。
自适应阵列型智能天线能形成无限多波束，并能使用户始终得到波束的最大指向。当用户移动时，波束也能作自适应改变。显然，这种类型的智能天线性能最佳，但其网络控制系统相当复杂，还要求系统的实时性好，即要求处理网络在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法，以能快速调整波束的复数加权参数W。
目前，智能天线网络系统使用的算法有最小、最大信号比、最小偏差等。它们又各有特点，因而在实际系统中常需要并用，以取长补短，特别是在移动通信和个人通信中。这是因为在这两种通信系统中，电波传播主要在地面，而地面的电波传播环境很恶劣。基于智能天线性能极大地依赖于网络系统软件特性，因此智能天线也被称作“软件天线”。
早期智能天线的波束形成网络用模拟电路，但调试难度大、性能稳定性和可靠性差，目前都主张采用数字电路。较为一致的意见是采用高速率的数字信号处理芯片来实现。实际使用的芯片主要有两种:一种是DSP通用芯片，如TMS320系列等。另一种则为专用集成电路(ASIC器件)，其中最典型的器件是能进行大规模并行处理的门阵列电路FPGA，以C6x调处理器为基础的DSP系统见图3。波束形成网络平台应提供充分模块以支持多个C6x，而且要采用高效率的I/O结构。
天线小型化和微带天线的使用，使得天线阵列结构得以简化。软件方面值得注意的发展是，基于特征值分解的自适应数字波束形成算法格外受到重视，因为这种算法能和高分辨率的测向算法统一起来，还能克服众多因素造成的波束误差。但是，此种算法的计算量大。
四、智能天线在无线通信中的应用
智能天线能用于很多种无线通信系统中，以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公众移动通信网方向发展，或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝小区正在向微型化、智能化方向发展，站距将更小，分布也更广泛，波束跟踪也更需智能化、实时化，基站配置也将更灵活，智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。由于智能天线的使用，不论在专用移动通信系统，例如集群系统、无线本地环路，还是在公众蜂窝系统，一改控制信道的发射方式——由全小区(或全扇区或全无线区)范围内的辐射为跟踪性的极窄波束辐射，全区内同频可以多次复用，从而形成了智能无线区(智能小区、智能扇区)的新概念。因为智能天线具有跟踪功能的固有性，无需通信系统另设“定位功能”，从而使采用智能天线的移动通信系统、个人通信系统的越区切换产生了“智能切换”的又一个新概念。而且，智能天线的应用也降低了成本。目前国内在公众移动通信系统中虽然使用了性能优良的单极化全向天线ANTEL BCD-87010、单极化定向天线ANTEL RWA-87027、双极化天线DPS60-16 RSX和先进的遥控电子倾角天线MTPA890-D4-RXY-Z，尤其是后者给日常的移动通信网络优化提供了方便，人们根据需要可以方便地调节天线倾角，以改善覆盖和干扰，但是它们远不能和智能天线相比。智能天线用于移动通信系统时，主要用于基站的发和收。
应该承认，移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大，其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度，所以移动通信和个人通信中智能天线应用较晚，而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。智能天线工作于TDD双工方式的无线接入系统时，可以把上、下行链路的加权系数统一。但在上、下行频率不同时，即采用FDD双工方式时，则下行链路的加权系数在上行链路的加权系数基础上，还需作适当处理。智能天线有望用于移动市话，以改善其频率配置的难度和提高网络的容量，以及提高网络的抗干扰能力。
智能天线也能用于DECT、PHS、PACS、CDCT等体制的无绳电话系统，都能改善它们的系统性能。
智能天线还可用于卫星移动通信系统，例如用于L波段的卫星移动系统的智能天线就是用16单元、环形分布的微带天线阵列和一个波束形成网络构成，采用左旋园极化。而波束形成网络则采用10块FPGA芯片，其中2块用于波束选择、控制和接口，8块用于天线阵列的准相干检测和快速傅立叶变换。
智能天线还用于各种专用通信网和军事通信等无线通信系统，以改善系统性能。正是由于智能天线具有重要的应用价值，所以国内外许多大学、研究所、通信公司等单位投入巨资，潜心研究，并已见硕果。
五、结语
智能天线对提高专用网和公众网通信系统容量、抗干扰能力，提高通信质量以及实现同一地址的各专用网的频率共享等具有巨大潜力，近年来备受关注。但是由于波束自适应形成的难度大，影响因素多，因此智能天线虽已用于固定式无线接入、卫星通信、军事通信等系统中，并获益匪浅。但用于移动通信、个人通信中还存在有一些难度。不过近来已传来乐观消息。例如某国外公司已2000年6月在上海移动通信网络中进行智能天线实用试验。所用天线类型为波束切换型。试验结果表明，确实提高了网络的整体性能。另据广东消息称，该省移动通信网络将在充分试验的基础上，引入智能天线，以大幅度提高网络服务质量等级和满足用户数量剧烈增长的要求。
参考文献
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[5]朱近康，陈军.走向智能化的第三代移动通信系统[J].世界电信，1999(1)
关键词：智能天线 无线通信 数字波束形成 自适应
中图分类号：TN929.533 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0213-02
天线是无线通信设备的必备元件之一，无线信号通过通信天线实现电磁波的发射与接收。随着通信技术的发展，用户对通信元件部件的要求也越来越高。智能天线正是适应现代通信发展而产生的，它能增加系统容量，提高频谱利用率使有限的频带容纳更多的用户从而使通信性能指标大幅提高。智能天线现已应用于卫星通信及军事通信等系统。
1、智能天线的概念及原理
智能天线是从自适应天线发展而来的，因此，智能天线有着与自适应天线相类似的结构（如图1），它们的工作原理基本相同，但是两者又有明显区别：自适应天线主要应用于干扰信号强度大而数量少的场合如抵消雷达系统的干扰；智能天线主要基于抵消幅度较小数量庞大的多径干扰，比如城市地表传播，在信号处理中它们的差异产生了各自的特色。从工作原理及其结构来说，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。
在移动通信系统中，天线阵列通常采用直线阵列与平面阵列两种形式。确定天线阵列的形式后，天线单元的选择非常关键。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互耦小、一致性高及加工方便的特点。
以智能天线发射过程为例：不妨设待发射M维S1(t)，S2(t)……SM(t)集合为S(t)=[S1(t)，S2(t)…SM(t)]T，智能天线阵列的方向性函数为fN(θ)，fN(θ)的取值根据阵列选择而确定。再在N×M矩阵网络中实现复数加权系数W加权，得到一个N维的阵列输出信号：
X(t)=W×S(t) (1)
其中，X(t)=[X1(t)，X2(t)…XN(t)]T
则可得到X(t)在天线远区产生的场强：
E(θ,t)=∑XN(t)・fN(θ) (2)
智能天线用于接收信侧的工作原理与发送信侧的工作原理一致，结构相似。
当需将信号SM(t)发向接收方,只需修改W（即加权网络加权系数）为WNM即可实现该信号的辐射方向性图，即：
2、智能天线关键技术
信号处理是智能天线结构的关键技术，主要完成射频、中频阵列处理和数字波束形成两样功能。其中进行射频、中频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数、信号来向、信号调制方式及频率等，信号来向对于实现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。下面分别说明射频、中频、数字波束形成。
2.1 射频部分
射频部分包括有阵列天线与高频处理。由第2节我们知道天线单元的选择是很重要，除了必须满足系统提出的频带、驻波比、增益、极化等性能指标外，在实际中还要做到单元间的互耦小、高度一致与加工方便等，目前广泛应用的是微带天线。高频处理主要是指对接收或发射信号进行放大来满足A /D变换或发射功率的要求，高频放大信号、变频和A/D转换等功能以形成数字信号这部分功能由接收通道及数据采集部分完成。目前，受制于A/D器件抽样速率，不能直接对高射频信号和微波信号进行采样，必须降低采样速率，对信号进行下变频处理，考虑到智能天线对误差非常敏感，还要保证射频部分各个支路幅度和相位一致。
2.2 中频部分
目前，受数字器件水平的限制，还未能对天线单元的微波信号直接采样，中频阵列处理较为常用的办法是先利用下变频器将微波高频信号转换成中频，然后使该支路的模拟信号经由滤波和放大进行中频处理，最后再对它进行采样，典型的实现方法有以下两种，如图2及图3所示。
图2描述的是双下变频单路接收机实现方法，高频信号通过混频器变换成中频信号；为调节各支路间相位与幅度的不一致而使用均衡器。双下变频单路接收机降低了A/D变换器采样速率的要求，接收机整体增益分配更加灵活。图3描述的是直接采样单路接收机实现方法，因使用更快速率的A/D变换器和其他一些辅数字器件，采用直接以中频对信号进行采样的方式来解决信道中两路信号的适配问题。
2.3 数字波束形成部分
数字波束形成是智能天线关键技术的核心，系统需要一个基准信号，工作时利用射频中频高分辨率侧向算法获得通信基准信号，有A/D转换器转换成数字信号，处理后形成所需波束。这个过程需要有高速率数字信号处理芯片对其进行硬件支持。
数字波束形成在软件上利用收敛快、精度高的自适应算法来调整加权系数。目前在通信领域研究的算法主要有：LMS及其改进算法RLS、SMI和CMA等。
基于特征值分解的自适应数字波束形成算法越来越受到重视，它不仅能很好地与超分辨测向算法进行统一，还能自动校正通道不匹配、阵元位置偏差等因素所产生的误差，但是其缺点是计算量较大。由于移动通信环境非常复杂，各种算法都有其优缺点，需要相互并用才能取长补短,使系统的性能最佳。
3、智能天线在无线通信中的应用
移动通信蜂窝小区正在向着微型化、智能化的方向发展。基站距将变的更小，分布也更加广泛，波束跟踪则更加需要智能化、实时化。基站配置也将更灵活，智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。
智能天线技术集合了多种通信知识，包括自适应技术、微波传输技术、信号检测与信号处理等，综合性要求很高。智能天线技术可以充分利用无线资源的空间可分性，提高无线通信系统对资源的利用率，并从根本上提升系统容量。经过多年发展，智能天线已从当初单一的军事应用逐步进入民用通信应用领域，但应该承认移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大，其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度，移动通信和个人通信中智能天线应用较晚，而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。综上所述，智能天线真正运用于个人无线通信系统还有很长的路要走，但可以预见其在将来能够大放异彩。
参考文献
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[4]George Tsoulos Wireless Personal Communications for the 21st Century:European Technological Advances in Adaptive Antennas [J].1997(9).
关键词：智能天线；移动通信；应用
Abstract: With the vigorous development of mobile communication, rapid increase in the number of users, the spectrum resource becomes more and more intense, how to use the existing spectrum resources to further expand capacity has become a key problem in the development of mobile communication. Smart antenna is regarded as a kind of future mobile communications development trend. Based on the basic principles of smart antennas, uses and its application in mobile communication to wait undertook specific elaborate.
Key words: smart antenna; mobile communication; application
中图分类号：S972.7+6
一、智能天线的基本原理
在移动通信中,智能天线是天线阵在感知和判断自身所处电磁环境的基础上,依据一定的准则,自动地形成多个高增益的动态窄波束,以跟踪移动用户,同时抑制波束以外的各种干扰和噪声,从而处于最佳工作状态。智能天线吸取了自适应天线的抗干扰原理,依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来。智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
二、智能天线对移动通信系统的影响
1．智能天线的优点。智能天线对系统性能的改善如下：a．提高系统容量。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。b．增大覆盖范围。波束形成是多根天线的矢量叠加，等效为天线增益的增加，也就是提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的EIRP有效全向辐射功率。这意味着在同样的接收和发射条件下可以达到更远的通信距离，因此增大了覆盖范围。c．降低系统干扰。采用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力。除外，它对于移动系统中的多径干扰也有一定的削弱作用。d．降低系统成本。由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，降低基站的成本，并提高可靠性；同时可以减小移动台的体积和重量，延长了移动台的电池使用寿命，降低移动台的成本。e．增加增值业务。智能天线可以获得移动用户的方位信息，同其他技术配合可以实现移动用户的无线定位。无线定位目前是移动通信领域的热点技术，将来的市场潜力巨大，这是一项很有实用价值的增值业务。
2．智能天线存在的问题。a．增加了系统复杂度。智能天线需要高效的算法、高速的DSP器件，满足实时性处理要求。智能天线的算法结构应该尽量能够兼容常规的处理结构，便于系统灵活配置，降低成本。采用智能天线的基站要能够和常规基站混合组网，兼容网络侧的管理和维护。b．增加了通道校正。如果要在基带完成波束形成，则需要进行通道校正，提高了通道要求。
三、智能天线在移动通信中的用途
(1)抗衰落。在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。
(2)抗干扰。用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。
(3)增加系统容量。为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用多波束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C /I指标,减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,毋需增加新的基站就可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。
(4)实现移动台定位。目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。 在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
四、智能天线在移动通信中的具体应用
(1)用于FDMA系统。据研究,与通常的三扇区基站相比,C /I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。
(2)用于TDMA系统。无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C /I指标。据研究,用4个30°天线代替传统的120°天线,C /I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C /I比最小的前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。
（3）用于CDMA系统。在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/更软切换控制;智能天线的空间域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。
(4)用于无线本地环路系统。在无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行上行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。
(5)用于DECT、PHS等系统。DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。
(6)用于第三代移动通信。采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,W-CDMA系统就采用自适应天线阵列技术,增加系统容量。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。SCDMA系统采用TDD方式,使上下射频信道完全对称,可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能,可实现接力切换,减少信道资源浪费。
五、结束语
【关键词】TD-LTE 智能天线 波束赋形
1 概述
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。智能天线早期应用于军事领域,自3G时代开始走向民用通信,在今天的TD-LTE试验网和商用网中,智能天线技术得到了飞速发展。
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。
2 智能天线简介[1]
由于无线移动通信信道传输环境具有复杂性和不确定性,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。
2.1 智能天线的信号模型
图1为智能天线接收部分简图,由阵元、加权和合并三部分组成。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后,到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及各自延迟副本的叠加。
假设系统中有K个用户,阵列有M个阵元,为了简单,采用均匀线阵模型,则在某时刻第k个用户的信号到达阵列的接收信号矢量可表示为:
(1)
其中,βk,l为第l条径的衰落幅值,τk,l为第l条径的延迟时间,sk(t)为第k个用户的发射信号。α(θk,l)是阵列响应矢量,而对应第k个用户在经过信道第l条径时到达的角为θk,l,并可表示为:
(2)
其中,f为信号频率,且满足fc-B/2≤f ≤fc+B/2,fc为载波频率,B为信号带宽;τ是由于信号有限传播速度造成的在相邻天线阵元上的时延,它与信号的到达角、阵元间隔和信号传播速度有关,可以表示为τ=(dsinθk,l)/c,d为阵元间隔,通常取λc/2,λc为载波波长,c为信号的传播速度。
由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加,所以(1)式可表达为:
(3)
其中,η(t)为接收端的加性白噪声矢量。
因阵列具有方向性,据图1所示,通过对每个阵元加权wk,根据一定准则和信号检测要求,由阵列信号处理模块计算后,可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为:
(4)
式(4)是智能天线形成波束信号的基本模型,也是智能天线的技术基础。
2.2 波束赋形技术
式(4)是阵列波束赋形的数学表达式,是阵列信号的预处理技术,其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化,如来波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路损。因此,在进行波束赋形时,也可以不必使用终端反馈所需的信息,而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息,这既可减小空口传输负担,又能方便地得到计算权值的参数。另外,为了获得波束赋形增益,需要使用较多的天线单元,目前LTE中最多只可使用4个公共导频,无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形,因此波束赋形中还需要使用专用导频。
图2为波束赋形的基本原理流程:从天线阵列的上行信号获得DOA估计后,给天线权值控制器产生权值,再将权值反馈给天线阵列,由天线阵列形成赋形波束。显然,波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为:(1)根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数,即权重矢量和相关参数的函数);(2)采用一定的方法获得需要的参数;(3)选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量值。
2.3 自适应算法
众所周知,智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程,但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法,如最小均方(LMS)法、递归最小方差(RLS)法和采样矩阵求逆(SMI)法等;前者是不用训练序列的方法,如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等,而常用的DOA估计法是直接利用(4)式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。
(1)最小均方LMS算法:遵循最小均方差(MMSE)准则,根据(4)式,加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面(即误差平方)关于权值的梯度,将权值沿递度负方向移动一个步长常数,进而反复迭代,即:
估计输出:
误差形成:
系数更新:
其中,y(n)为已知期望响应样本,x(n)为接收信号矢量的采样样本,μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x(n)的协方差矩阵的特征根分布密切相关,一般特征根散布不是很大时,LMS算法的收敛较快。
(2)递归最小方差RLS算法:该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小,与LMS算法不同,RLS遵循的准则是最小方差(LSE)。若设、、、,则有:
同时得到最小二乘误差的更新为:。
RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关,而与λ的取值有关(小于或等于1)。
3 智能天线在TD-LTE中的应用
TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计,定义了专门的传输模式。如3GPP R8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8,就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议,在LTE系统的eNode B端,虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形,但对终端来讲,仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。
实践证明,TD-LTE系统采用智能天线后,可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中,单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益;在多用户波束赋形方式中,则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见,智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用,可明显地改善系统性能。
3.1 TD-LTE中的波束赋形技术[2]
(1)单流波束赋形技术:LTE R8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形,即单流波束赋形技术。在传输过程中,UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道,并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道,基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号,这个参考信号是UE专用的,也叫UE专有导频,走天线端口5,用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中,层映射与预编码都只是简单的一对一的映射,后面生成的波束赋形当然也相对简单。
(2)双流波束赋形技术:在LTE R9的规范中,专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置(8×2),将波束赋形扩展到了双流传输,实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合,这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形,图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。
1)单用户双流波束赋形技术:由eNode B测量上行信道,得到上行信道状态信息后,eNode B根据上行信道信息计算两个赋形矢量,利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术,使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输,同时获得赋形增益和空间复用增益,获得比单流波束赋形技术更大的传输速率,进而提高系统容量。
2)多用户双流波束赋形技术:eNode B根据上行信道信息或UE反馈的结果进行多用户匹配,多用户匹配完成后,按照一定的准则生成波束赋形矢量,利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理,实现了多用户的空分多址。
关键词：智能天线；波束；无线通讯；应用
中图分类号：U285.28 文献标识码：A
1 智能天线的定义
采用无线传输方式的任何通信系统都需要能过天线来实现传播、发送及接收，天线是实现信号进行发身、接收的重要器件，天线可以与电磁波实现感应，因此，在通信系统中无论频率和频段有什么区别，都需要天线来实现电磁波的传播。
传统的天线有自适应天线和阵列天线，智能天线是在此基础上引入了人工智能的处理方法，从而形成一个具有智能的系统。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3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。
2 智能天线系统的构成
智能天线之所以能具备这些优良性能，这同其系统构成有关，非凡是波束形成网络。波束形成网络构成复杂，大体上可分为网络处理系统和网络控制系统两部分，依照网络处理和网络控制的工作原理、结构不同，智能天线可分成波束切换型和自适应阵列两种类型。
波束切换型是指，智能天线能形成多少个空间波束一空间信道事先就已确定，这个确定既包括波束指向，也包括数目。当智能天线服务于某用户时，系统能自动从有限波束中选择一个或几个的组合以服务于该用户，而不管所选波束的最大指向是否对准用户。而且，当用户在移动时波束却是固定的，在用户移动到这种另一波束上时，系统会由此波束切换到另一波束上。基于相同原因，另一波束也不保证其最大指向随时指向用户，这些特征构成了这类智能天线的缺点，但是这类天线结构简单。
自适应阵列型智能天线能形成无穷多波束，并能使用户始终得到波束的最大指向。当用户移动时，波束也能作自适应改变。显然，这种类型的智能天线性能最佳，但其网络控制系统相当复杂，还要求系统的实时性好，即要求处理网络在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法，以能快速调整波束的复数加权参数W。
目前，智能天线网络系统使用的算法多种多样，综合各种算法的特征从而进行综合的应用，以使在系统运行时能取长补短，适应移动和个人通讯的需要。因为移动和个人的通讯电波在传播过程中主要是能过地面的环境进行传播，地面环境较差，因此利用综合各算法中的优点适用于智能天线网络系统中，从而能有效的保证智能天线的性能得到最好的发挥。
早期智能天线的波束形成网络用模拟电路，但调试难度大、性能稳定性和可靠性差，目前都主张采用数字电路。较为一致的意见是采用高速率的数字信号处理芯片来实现。实际使用的芯片主要有两种摘要：一种是DSP通用芯片，如TMS320系列等。另一种则为专用集成电路（ASIC器件），其中最典型的器件是能进行大规模并行处理的门阵列电路FPGA，以C6x调处理器为基础的DSP系统。波束形成网络平台应提供充分模块以支持多个C6x，而且要采用高效率的I/O结构。
3 智能天线在无线通信系统中的应用
智能天线在基台与移动用户之间形成了一条能量相对集中的无线路径，准确的确定了移动用户的地理位置，改变了传统通信系统中无法准确确定用户具置，从而采用全向发射天线造成能量上的损失及对其他用户的干扰。智能天线为有效的节约能量的损失，准确的定位用户的位置，智能天线系统需完成以下两大任务：一是能实时感知电磁环境，包括DOA测向、谱估计、从接收到的信号中分离出直射信号和多径信号；二是后处理过程，包括信道分离、抗多径干扰和衰落。该处理过程取决于算法的收敛速度和稳定性，以及DSP的处理速度。在此，我们给出表征系统容量的单位：bit/s/Hz/unit-area。该参数表示在给定发射功率、给定频谱范围内信号的传输速率。智能天线对系统容量的提高有以下两条途径：一是利用智能天线的波束成形和自适应测向跟踪能力，实时地形成窄的主瓣波束对准所需信号，在其他方向尽量压低付瓣增益。以此来代替传统的全向天线。智能天线提高了接收信号的信干噪比，从而提高了系统容量。此时对应单用户算法。二是把智能天线等效为空域滤波器，实现空分多址传输，即所谓的SDMA。此时要采用多用户检测算法。需要说明的是，SDMA并不是与FDMA、CDMA、TMDA等同的多址方式，而是附加在上述多址方式上的优化方案。
智能天线既可在上行链路中单独使用，也可在上下行链路中同时使用。在下行链路中采用智能天线的最大优点在于，把基台盲目的、广播式的传播变为定向的信号传递。采用智能天线以后，一方面可以简化基台的设备，例如：过去基台要发射100W的功率则需要100W的功放，当采用十单元的天线阵列后，每单元只需1W的功放来激励。要知道100W的功放与1W的功放，无论是在价格还是性能上都有很大的区别。另一方面更为重要的是，定向传播将极大地减小基台对其他用户的人为的干扰，净化电磁环境，从而提高了系统容量。这一点具有十分重要的意义。需要指出的是，由于在FDMA系统中，上下行链路采用不同的频率。因此由上行链路得到的用户空间信息不能简单拷贝到下行链路。这时需要复杂的上下行链路分配方案。因此在下行链路中应用智能天线可以提高系统容量，简化基台设备。
多径衰落是影响无线通信系统的关键因素之一。对此，人们做了大量的尝试并提出许多有效的方案。例如：分集技术、RAKE接收机、自适应滤波等等。而智能天线则从空间域的角度提供了一条新途径。智能天线能分辨出直射信号与各径多径信号，这是传统的抗多径技术无法得到的。如何与现有的抗多径技术相结合，较好地解决多径传播是智能天线研究的另一个重要的研究课题。
结语
近些年，能过对智能天线的研究的深入，其容量、抗干涉能力、通讯质量及频率共享等多个方面都取得非常好的效果，同时在这些方面还具有可挖掘的巨大潜力，从而引起人们越来越多的关注。随着科技技术的快速发展，智能天线在卫星通讯、军事通信等通讯系统中会越来越发挥其良好的功能性，从而带动整个通信行业的快速发展。
参考文献
[1]李小强，胡健栋.未来移动通讯中的智能天线技术[J].移动通讯，1999（1）.
[2]林敏，龚铮权.智能天线及其在移动通讯中的应用[J].电信快报，2000（2）.
【关键词】TD-LTE 智能天线 波束赋形
1 概述
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。智能天线早期应用于军事领域，自3G时代开始走向民用通信，在今天的TD-LTE试验网和商用网中，智能天线技术得到了飞速发展。
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，可以显著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。
2 智能天线简介[1]
由于无线移动通信信道传输环境具有复杂性和不确定性，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。
2.1 智能天线的信号模型
图1为智能天线接收部分简图，由阵元、加权和合并三部分组成。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后，到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及各自延迟副本的叠加。
假设系统中有K个用户，阵列有M个阵元，为了简单，采用均匀线阵模型，则在某时刻第k个用户的信号到达阵列的接收信号矢量可表示为：
（1）
其中，βk，l为第l条径的衰落幅值，τk，l为第l条径的延迟时间，sk（t）为第k个用户的发射信号。α（θk，l）是阵列响应矢量，而对应第k个用户在经过信道第l条径时到达的角为θk，l，并可表示为：
（2）
其中，f为信号频率，且满足fc-B/2≤f ≤fc+B/2，fc为载波频率，B为信号带宽；τ是由于信号有限传播速度造成的在相邻天线阵元上的时延，它与信号的到达角、阵元间隔和信号传播速度有关，可以表示为τ=（dsinθk，l）/c，d为阵元间隔，通常取λc/2，λc为载波波长，c为信号的传播速度。
由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加，所以（1）式可表达为：
（3）
其中，η（t）为接收端的加性白噪声矢量。
因阵列具有方向性，据图1所示，通过对每个阵元加权wk，根据一定准则和信号检测要求，由阵列信号处理模块计算后，可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：
（4）
式（4）是智能天线形成波束信号的基本模型，也是智能天线的技术基础。
2.2 波束赋形技术
式（4）是阵列波束赋形的数学表达式，是阵列信号的预处理技术，其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化，如来波方向DOA（Direction Of Arrival）和平均路损。因此，在进行波束赋形时，也可以不必使用终端反馈所需的信息，而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息，这既可减小空口传输负担，又能方便地得到计算权值的参数。另外，为了获得波束赋形增益，需要使用较多的天线单元，目前LTE中最多只可使用4个公共导频，无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形，因此波束赋形中还需要使用专用导频。
图2为波束赋形的基本原理流程：从天线阵列的上行信号获得DOA估计后，给天线权值控制器产生权值，再将权值反馈给天线阵列，由天线阵列形成赋形波束。显然，波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为：（1）根据系统性能指标（如误码率、误帧率）的要求确定优化准则（代价函数，即权重矢量和相关参数的函数）；（2）采用一定的方法获得需要的参数；（3）选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解，得到权重矢量值。
2.3 自适应算法
众所周知，智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程，但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法，如最小均方（LMS）法、递归最小方差（RLS）法和采样矩阵求逆（SMI）法等；前者是不用训练序列的方法，如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等，而常用的DOA估计法是直接利用（4）式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。
（1）最小均方LMS算法：遵循最小均方差（MMSE）准则，根据（4）式，加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面（即误差平方）关于权值的梯度，将权值沿递度负方向移动一个步长常数，进而反复迭代，即：
估计输出：
误差形成：
系数更新：
其中，y（n）为已知期望响应样本，x（n）为接收信号矢量的采样样本，μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x（n）的协方差矩阵的特征根分布密切相关，一般特征根散布不是很大时，LMS算法的收敛较快。
（2）递归最小方差RLS算法：该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小，与LMS算法不同，RLS遵循的准则是最小方差（LSE）。若设、、、，则有：
同时得到最小二乘误差的更新为：。
RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关，而与λ的取值有关（小于或等于1）。
3 智能天线在TD-LTE中的应用
TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计，定义了专门的传输模式。如3GPP R8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8，就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议，在LTE系统的eNode B端，虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形，但对终端来讲，仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。
实践证明，TD-LTE系统采用智能天线后，可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中，单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益；在多用户波束赋形方式中，则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见，智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用，可明显地改善系统性能。
3.1 TD-LTE中的波束赋形技术[2]
（1）单流波束赋形技术：LTE R8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形，即单流波束赋形技术。在传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是UE专用的，也叫UE专有导频，走天线端口5，用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中，层映射与预编码都只是简单的一对一的映射，后面生成的波束赋形当然也相对简单。
（2）双流波束赋形技术：在LTE R9的规范中，专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置（8×2），将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合，这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形，图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。
1）单用户双流波束赋形技术：由eNode B测量上行信道，得到上行信道状态信息后，eNode B根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。
2）多用户双流波束赋形技术：eNode B根据上行信道信息或UE反馈的结果进行多用户匹配，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理，实现了多用户的空分多址。
基于TD-LTE的波束赋形技术，有一个重要应用是利用空间选择性来支持空分多址（SDMA，Spatial Division Multiple Access）。因受限于应用场景和终端尺寸及天线数量，单用户往往难以支持高Rank数据传输。而Rank是信道矩阵EBB分解后特征值不为0的特征向量个数，UE会将测得的Rank值RI（Rank Indicator）上报给eNode B，而eNode B根据RI可以在空间区分出相互独立而互不相关的信道数量。当系统用户数较多时，eNode B总可找到信道空间独立性较强的两个UE，若eNode B配备了多天线，则可以利用波束赋形信号空间隔离度实现对多个UE的并行传输，这就是多用户MIMO技术，或者说是TD-LTE中的波束赋形技术与MIMO技术的有机结合。所以，只有在多UE时，双流波束赋形才尽显SDMA功能。
3.2 TD-LTE中的智能天线算
法[3]
单流波束赋形其实就是普通的智能天线波束赋形在LTE中的应用，双流波束赋形简单地说就是多天线信道奇异值分解算法的典型应用，其实现机制都已基本成熟，但算法优化却有许多工作需要我们不断努力。为此，我们先了解一些比较典型的应用于LTE中的波束赋形算法。
（1）单流波束赋形算法：单流波束赋形可根据赋形向量的获得方式，分为长期波束赋形和短期波束赋形，其中短期波束赋形最常见的是基于奇异值分解SVD（Singular Value Decomposition）波束赋形，长期波束赋形通常称为基于来波方向DOA的波束赋形。在SVD方法中，发送端从上行探测导频（Sounding）估计出信道信息，然后对用户信道进行SVD分解计算出对应的预编码酉矩阵。其中SVD分解操作是：假设天线发送数目为M，接收天线数目为N，则空间信道矩阵H的维数为N×M，空间信道矩阵H的SVD分解为：
H=UAVH （5）
其中U和V分别是维数为N×N和M×M的酉矩阵，A是一个维数为N×M的矩阵，其对角线元素是非负实数，非对角线无线为0，并且A的对角线元素λ1≥λ2≥…≥λn，即按照大小排序之后的矩阵H的奇异值，其中n是M和N中的最小值。经过奇异值分解后获得的酉矩阵V即为线性预编码。
而DOA波束赋形的加权向量是基于远大于信道相干时间的一段时间内对信道的测量，亦即传统的不用训练序列的盲自适应方法，常用的是延迟相加法。
（2）双流波束赋形单用户算法：当单用户传输时，同一个时频资源块仅分配给一个用户，基站端仅对有用信号进行波束赋形，增强有用信号功率，典型的算法有特征值波束赋形EBB（Eigenvalue Based Beamformin），其波束赋形矩阵具体计算如下： 设基站发送天线数为nr，移动台接收天线数为mR，基站到第i个用户的信道矩阵为Hi。第i个用户支持的独立数据流为ri（ri≤mR）。
对Hi进行SVD分解，得到：
（6）
其中，从大到小排序的非零奇异值对应的特征向量分别表示为Vi，1（Vi的第1列）、Vi，2（Vi的第2列）、…、Vi，mR（Vi的第mR列）。取的前ri个右奇异向量表示为，那么单用户多流波束赋形矩阵为：
（7）
（3）双流波束赋形多用户算法：常用的多用户双流波束赋形算法如迫零ZF（Zero Forcing），块对角BD（Block Diagonalization）等，需要满足限制条件：配对用户的接收天线总数≤发送的天线总数。这个条件限制了配对的用户数，尤其是当用户接收天线数>1时，配对用户数将受限于配对用户的接收天线总数，这样将影响联合调度的性能增益。目前，一种更优的多用户波束赋形算法，即多用户特征模式传输MET（Multiuser Eigenmode Transmission）算法将DB算法的限制条件放松为：配对用户的总数据流数≤发送的天线总数，即：
其中，M表示配对用户数。
当用户的数据流数
1）压缩用户信道矩阵：对第i个用户的信道矩阵Hi进行SVD分解，如式（6）。取ui前第ri个列向量的共轭转置，那么：
当用户的数据流数ri
2）抑制用户间干扰（构建“我为人人，人人为我”的和谐信号传输）。
定义：
对进行SVD分解，
其中表示0奇异值对应的特征向量。多用户波束赋形矩阵已经能保证干扰用户位于该用户信号的零限。
3）在保证不对其他配对用户干扰的同时，最大化有用信号强度。
将寻找更优化的波束赋形算法，在抑制用户间干扰的同时，最大化有用信号的强度，再对有用信号进行一次波束赋形，对进行SVD分解，得到：
其中，取的前ri个右奇异向量表示。那么以为波束赋形矩阵的干扰消除算法不仅能保证完全消除干扰，还能将有用信号功率增强，优化系统性能。
所以，多用户波束赋形矩阵表示为：
（8）
总之，智能天线刚开始在TD-LTE应用时，就已经与MIMO技术结合了。在LTE R8的TM7中，表面上只支持单流波束赋形，但eNode B可以采用“透明”方式将两个或多个UE调度在同一时频资源上，从而构成多用户MIMO传输，因其只定义了一个专用导频端口，所以eNode B只支持单流波束赋形。在LTE R9的TM8中定义了两个专用导频端口，eNode B可以通过下行控制信令指示两个Rank1传输的UE分别占用相互正交的一对专用导频端口，避免了UE间干扰对专用导频信道估计的影响，也保证了多用户MIMO有更好的传输质量。
4 智能天线的发展方向[4]
随着TD-LTE系统的演进，智能天线将会向情景化、小型化、电调化、宽带化、集成化，以及快速、高效、简单、可DBF固件化的自适应算法等方向发展。
情景化：既要适应户外环境特点的美观型天线表面，又要适应具体环境的最佳波束赋形；
小型化：用介质谐振器代替传统天线阵列的介质型智能天线是理想的小型化途径；
电调化：通过调整赋形波束权值达到虚拟调整阵列垂直和水平波束对应的下倾角和方位角的目的；
宽带化：工作频段可覆盖GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN、WiMAX等多种异构网络频段；
集成化：既可美化环境又可节约资源的适应多种异构网络制式、可同时接入多家运营商的共塔型智能天线。
另外，在TD-LTE的演进系统中，智能天线还有可能支持采用多个小区联合的调试方法，既可使相同资源分配不同方向波束、相同方向波束使用不同资源以达到避免干扰的目的，又可在单个小区赋形中考虑让外小区被干扰用户通过零陷方法来避免对外小区用户干扰的干扰抑制，还可支持在某种特殊情况下用多个小区同时对一个用户进行波束赋形，以达到提升其信号强度的目的。总之，TD-LTE系统智能天线的智能特征将会越来越高。
5 总结
智能天线技术在TD-LTE系统中的应用，虽然仅在国内的试验网和极少国外商业网中开始使用，但已广泛应用于TD-SCDMA，是3G系统的成熟技术。智能天线利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生的强方向性，形成非常明确的辐射方向图，使其主瓣自适应地指向用户来波方向，不仅极大地提高了用户的声噪比，获得了明显的阵列增益，还使网络扩大了覆盖范围、改善了边缘吞吐量和干扰抑制性能。
TD-LTE网络的MIMO多天线技术是eNode B和UE双方都采用多根天线进行收发，通过适当的发射信号形式和接收设计，可以在不显著增加系统成本的同时，提高系统容量，获得阵列增益、功率增益、干扰抑制增益、空间分集增益、空间复用增益等多种优势、为网络带来更高的速率、更好的覆盖效果。当智能天线技术与MIMO技术结合后，TD-LTE网络可为用户提供高速率、高带宽、高性能和短延时的体验感知。双流波束赋形就是智能天线与MIMO技术的结合，随着优秀算法的出现，多流波束赋形技术将会为TD-LTE及其演进系统提供更好的无线通信性能。
参考文献
[1] 来萍. IEEE802.16e OFDMA系统中智能天线技术（AAS）的研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2006.
[2] 高峰，高泽华，等. TD-LTE技术标准与实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.
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