智能天线技术及其在TD-SCDMA中的应用
摘 要
智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵、波束形成网络、波未形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位。从而调节天线阵列的方向图形状。达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰提高系统容量。智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。本文主要从以下几个大的方面讲述：
（1）智能天线的简介； （2）工作原理； （3）智能天线的优势；
（4）智能天线与若干空域处理技术的比较； （5）智能天线技术的一些问题和研究动向； （6）移动通信采用智能天线的好处； （7）智能天线在TD-SCDMA中的应用；
关键词
智能天线；空域处理技术；移动通信；TD-SCDMA；TD-SCDMA智能天线
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目 录
1 智能天线的简介 .......................................... 1
1.1基本概念 ................................................1 1.2智能天线的分类 ...........................................1 1.2.1按实现形式智能天线分类............................. 1 1.2.2根据采用的天线方向图形状分类........................2 2 工作原理 .....................................................3 3 智能天线的优势 ................................................4 4 智能天线与若干空域处理技术的比较 .............................5
4.1智能天线与自适应天线的比较 ................................5 4.2智能天线与空间分集技术的比较 ..............................5 4.3智能天线与小区扇区化的比较 ................................6 5 智能天线技术的一些问题和研究动向 .............................6
5.1智能天线技术存在的问题 ....................................6 5.2智能天线技术的研究动向 ....................................6 6 移动通信采用智能天线的好处 ...................................7 7 智能天线在TD-SCDMA中的应用 ...................................9
7.1 TD-SCDMA中采用智能天线技术 ...............................9 7.2 TD-SCDMA智能天线的工作原理 ..............................10 7.3 TD-SCDMA智能天线技术的实现 ..............................11 7.4 TD-SCDMA智能天线技术的优势 ..............................11 7.5 TD-SCDMA智能天线的发展趋势 ..............................12 8 结论 ................................................. 14
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1 智能天线的简介
1.1 基本概念
智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵（如图1-1所示）、波束形成网络、波未形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰提高系统容量。
图1-1 智能天线阵
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。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。
1.2 智能天线的分类
1.2.1 按实现形式智能天线分类 (1)自适应调零智能天线
它是以自适应天线技术为基础，采用自适应算法形成方向图，根据天线的输入、输出特性，按一定的算法自动地调节天线阵元的幅度和相位加权，在干扰方向上形
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成零陷，从而大幅度降低干扰电平，提高系统的信噪比。从空间响应看，其自适应天线阵列是一个空间滤波器。凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。天线的物理位置不作改变，由信号检测与处理系统判断出干扰与信号的来向，自适应地改变天线的方向图，并将零陷方向对准干扰，主瓣对准要接收的信号。但自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
(2)等旁瓣针状波束智能天线
它也是以自适应天线技术为基础，它的天线方向图是等旁瓣方向图，方向图的加权值是预先计算好的。系统工作时，首先通过测向确定信号的到达方向(DOA)，选取合适的加权，然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向。这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰，可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制，但对处于主瓣区域内的干扰，采用此类智能天线将无法抑制，不及自适应智能天线。但等旁瓣智能天线无需迭代，而且响应速度快。 (3)数字波束形成智能天线
它运用数字波束形成(DBF)技术，将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。工作时利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号，当基准信号到达波束形成自适应天线阵时，便给信号处理器提供一个方向信息，将各阵元的接收信号转换到基带，由A/D 转换器转换成数字信号，然后根据方向信息对数字信号进行加权处理，在此方向上形成所需的波束。 1.2.2 根据采用的天线方向图形状分类
（1）自适应方向图智能天线
它采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称为空间滤波器。虽然这主要是靠天线的方
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向特性，但它是从信号干扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的直接联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题。自适应天线自出现以来，已有30多年。大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上；第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗。与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。 （2）固定形状方向图智能天线
固定形状方向图智能天线在工作时，天线方向图形状基本不变。它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。近年来，一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。Bigler等人的实验表明，在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满足固定形状波束智能天线工程需要的，实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感，各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境（城巿、农村、商业区、楼内）进行了分析，给出了对应的模型。在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少。采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应。
2 工作原理
天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的
方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小
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的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。 智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成, 如图2-1所示。实际智能天线结构比图复杂, 因为图中表示的是单个用户情况, 假如在一个小区中有K个用户, 则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用, 其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套, 共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户, 剩下的K- 1个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益, 在干扰源的方向降低增益。因此, 智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。
图2-1智能天线原理图(单个用户)
3 智能天线的优势
智能天线具有以下几个突出的优点：
(1)具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号,同时还能把零响点对准干扰信号。
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(2)提高输入信号的信干噪比。显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也即是获得阵列增益。
(3)能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力。能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。 (4)增强系统抗频率选择性衰落的能力,因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。
(5)可以利用智能天线,实时监测电磁环境和用户情况来提高网络的管理能力。
(6)智能天线自适应调节天线增益,从而较好地解决远近效应问题。为移动台的进一步简化提供了条件。越区切换是根据基站接收的移动台功率的电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致错误的越区转接,从而增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。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台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
4 智能天线与若干空域处理技术的比较
4.1智能天线与自适应天线的比较
智能天线与自适应天线并没有本质上的区别,只是由于应用场合不同而具有显著的差异。自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相当。而在无线通信系统中,由于多径传播效应到达天线阵列的干扰数目远大于天线阵列单元数,入射角呈现随机分布,功率电平也有很大的动态变化范围,此时的天线叫智能天线。对自适应天线而言,只需对入射干扰信号进行抵消以获得信干噪比的最大化。对智能天线而言,由于到达阵列的多径信号的入射角和功率电平均数是随机变化的,所以获得的是统计意义上的信干噪比的最大化。
4.2智能天线与空间分集技术的比较
空间分集是无线通信系统中常用的抗多径衰落方案。M单元智能天线也可等效为由M个空间耦合器按优化合并准则构成的空间分集阵列。因此可以认为智能天线是传统分集接收的进一步发展。
但是智能天线与空间分集技术却是有显著的差别的。首先空间分集利用了阵列天线中不同阵元耦合得到的空间信号的弱相关性,也即是不同路径的多径信号的弱相关性。而智能天线则是对所有阵元接收的信号进行加权合并来形成空间滤波。一
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个根本性的区别:智能天线阵列结构的间距小于一个波长(一般取λ/2),而空间分集阵列的间距可以为数个波长。
4.3智能天线与小区扇区化的比较
小区的扇区化可以认为是一种简化的、固定的预分配智能天线系统。智能天线则是动态地、自适应优化的扇区化技术。现在,我们来讨论一个颇有争议的问题。根据IS-95建议,当采用120°扇区时系统容量将增加3倍。由此是否可以得到结论,扇区化波束越窄系统容量提高越大?考虑到实际的电磁环境,我们认为对这一问题的回答是否定的。这是因为窄波束接收到的信号往往是由许多相关性较强的多径信号构成的。一般情况下,各径信号的时延扩展小于一个chip周期。这时信号波形易于产生畸变从而降低信号的质量达不到增加系统容量的目的。同时如果采用过窄的波束接收信号,一旦该径信号受到严重的衰落,则将直接导致通信的中断。另外,过窄的接收波束在工程上是难以实现的,并将成倍地增加设备的复杂度。
5 智能天线技术的一些问题和研究动向
5.1智能天线技术存在的问题
智能天线的主要作用是：降低多址干扰，提高CDMA系统容量，增加接收灵敏度和发射EIRP；但是智能天线所不能克服的问题如：时延超过码片宽度的多径干扰，多普勒效应(高速移动)。因而，在移动通信系统中，智能天线必须和其他信号处理技术同时使用。
智能天线技术对无线通信，特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是，在将智能天线用于CDMA系统时，必将考虑所带来的问题，并在标准和产品设计上解决这些问题：(1)全向波束和赋形波束。(2)共享下行信道及不连续发射。(3)智能天线的校准。(4)帧结构及有关物理层技术。(5)智能天线和其他抗干扰技术的结合。(6)波束赋形的速度问题。(7)设备复杂性的顾虑。
5.2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。
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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。
6 移动通信采用智能天线的好处
(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
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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。 (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。 （5）提高系统容量和频谱效率
智能天线通过以下途径来提高系统容量和频谱利用率：(1)产生多个窄波束来对准移动用户,以致处于发射状态时能减少对附近小区移动用户的共信道干扰,处于接收状态时各种干扰信号因落入方向图零点而被抑制；(2)具有空分多址性能。假设智能天线形成N个波束来跟踪移动用户,那么在理论上,该小区内相同的频率就可重复利用N次,系统的容量增加N倍,或者在容量不变的情况下,服务的小区面积可增加N1r倍；(3)智能天线还能明显提高接收信号的信噪比,改善系统的服务质量,意味着在不提高服务质量的条件下可增加用户数量。研究表明,现有蜂窝移动通信系统的每个基站都使用四单元的智能天线后,系统的容量可提高7倍,而在同样条件下,采用四个固定波束的天线只能增加1倍的容量。
（6）智能化的信道分配和越区切换
智能天线采用数字信号方式将各支路的有用信号保留到A /D变换之后,借助阵列信号处理,可对各种信号(包括通信信号和干扰信号)的参数(如信号个数、频率、到达角等)进行估计,对移动用户进行定位和跟踪。有了这些重要信息,智能天线就
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能打破传统按固定边界小区分配信道数的思路,将其波束覆盖的区域定义为一个智能小区,根据该小区内用户群业务量大小,实时分配信道,大大提高了信道利用率。 由于智能天线能够随时提供移动用户的位置信息,控制中心就可利用它们计算出用户的移动速度和方向,非常容易实现越区切换。这种所谓的“智能切换”,既不同于“硬切换”,也不同于“软切换”。 （7）提高通信质量和传输效率
智能天线用于移动通信系统后,能明显改善BER性能。对于一个CDMA移动通信系统,当小区内有K个用户同时工作时,在采用RLS算法的智能天线和全向天线两种情况下。此外,智能天线还能有效地提高接收信号的信噪比、降低码间串扰和通信过程中的掉话率,提高通信质量。
与固定波束的天线相比,智能天线窄波束产生的增益一方面可降低发射台的功率,另一方面可减小移动终端的体积和重量、延长终端电池的使用寿命,或可以采用更小的电池,降低整个系统的成本。
7 智能天线在TD-SCDMA中的应用
7.1 TD-SCDMA中采用智能天线技术
智能天线是我国自主创新的3G标准TD-SCDMA中的最核心技术，也是TD系统的
关键所在，其应用水平直接影响着TD网络质量的优劣。近日，河北移动在TD网络建设中，与TD主设备、天线设备供应商联合技术攻关取得重大突破，创造性地实现了智能天线波束赋形技术从业务信道向广播信道的延伸。该成果填补了智能天线在广播波束赋形应用中的空白。据TD网应用数据显示，改进后TD网络质量显著提升，局部弱覆盖区覆盖率提高17%，PS域接通率提高10%，系统间CS域切换成功率提升了20%。据了解，中国移动即将在全国推广应用这一技术。
智能天线可以用于基站端，也可用于移动终端。目前主要研究的是在基站端的智能无线收与发，即上行收与下行发。TD-SCDMA(时分同步的码分多址) 智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性( 无线环境和传输条件相同) 而获得的。此外, 智能天线可减少小区间干扰, 也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。
TD-SCDMA系统的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机
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按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP( 数字信号处理器) 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在每一独立的方向上，系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP 控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量。在TD- SCDMA系统中, 由于无线子帧的长度是5ms，则至少每秒可测量200 次，每用户的上下行传输发生在相同的方向，通过智能天线的方向性和跟踪性，可获得其最佳的性能。 时分双工模式的TD- SCDMA 的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此在上行和下行2 个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的, 使得智能天线能将小区间干扰降至最低, 从而获得最佳的系统性能。在TD-SCDMA系统中，基站系统通过数字信号处理技术与自适应算法，使智能天线动态地在覆盖空间中形成针对特定用户的定向波束，充分利用下行信号能量并最大程度的抑制干扰信号。基站通过智能天线可在整个小区内跟踪终端的移动，这样终端得到的信噪比得到了极大的改善，提高业务质量。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。对于系统基站而言，智能天线技术在3G中的应用主要体现在两个方面，即基站的收和发，具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早，因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中，可根据一定的自适应算法对空、时域处理的各组权值系数进行调整，并与当前传输环境进行最大限度的匹配，从而实现任意指向波束的自适应接收。
7.2 TD-SCDMA智能天线的工作原理
TD-SCDMA智能天线的工作原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方
式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，通过自适应算法，控制天线波束的方向和形状，将高增益的窄波束对准服务用户方向，零陷对准干扰方向，实现波束赋形，达到定向发射和接收的目的。
自适应算法是智能天线的核心，它分为非盲目算法和盲目算法。非盲算法是指
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需要借助参考信号(导频序列或导频信道)的算法，此时收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)、LS(最小二乘)等。盲算法无需发端传送已知的导频信号，它一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模、子空间、有限符号集，循环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源。将二者结合产生一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做可综合二者的优点，同时也与实际的通信系统相一致。
7.3 TD-SCDMA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。其基本结构如图7-1所示。
图7-1基站中的智能天线
由图可见，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，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。
7.4 TD-SCDMA智能天线技术的优势
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TD-SCDMA智能天线通过利用多径可以改善链路的质量，通过减小相互干扰来增加系统的容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。智能天线的优点归纳如下: (1)增加系统容量。CDMA 系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰，系统干扰的降低，信干比的提高便意味着系统容量的提高。采用多波束板状天线的智能天线技术，提高了天线增益及载干比(C/I )指标，减少了同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率，无需增加新基站即可改善系统覆盖质量、扩大系统容量。在TD-SCDMA 系统中，采用智能天线技术可在不影响通话质量情况下，解决稠密市区容量难题。
(2)降低信号衰落。信号的衰落是高频无线通信的主要问题。在陆地移动通信中，随着移动台的移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常匀速且不规则，从而造成信号的衰落。采用智能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，有效地降低了信号衰落的影响。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，降低信号衰落。
(3)抑制干扰信号。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。抗干扰技术的实质是空间域滤波，以TDD 模式运行的TD-SCDMA中的智能天线波束具有方向性，可以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\"，自适应电波传播环境的变化。优化无线阵列方向图，将其\"零点\"自动对准干扰方向，从而大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。 (4)实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。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，从而实现移动台的精确定位。
7.5 TD-SCDMA智能天线的发展趋势
目前应用于现网的TD-SCDMA智能天线已有单极化智能天线、双极化智能天线、
AEF超宽频双极化智能天线、AF/AE二合一智能天线等，随着TD-SCDMA系统技术及应用的不断发展和完善，未来智能天线将朝着电调化、一体化、小型化的方向发展和迈进。在4G中，还可考虑将智能天线技术和MIMO技术相结合，使得通信终端能在更高的移动速度下实现可靠传输，进一步提高通信系统的性能。 趋势一：与MIMO技术相结合
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MIMO技术是4G中的一项关键技术，可以大大增加无线通信系统的容量，并有效改善无线通信系统的性能，非常适合未来移动通信系统中对高速率业务的要求。 智能天线和MIMO都属于多天线系统中的技术，两者既有共性又有显著区别：智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术；而MIMO是在无线链路两端都使用多元天线阵列，将发送分集和接收分集结合起来的技术。智能天线的原理是利用到达天线阵的信号之间完全相关性形成天线方向图，利用信号的相位关系克服多径干扰，实现信号的定向发送和接收；而在MIMO中天线收发信号是全方位的，并且到达天线阵的信号必须相互独立，用多个天线接收信号来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。
智能天线技术可以形成能量集中的波束，增强有用信号并降低干扰，而MIMO技术可以充分利用多径信息来提高系统容量。如果将两者结合起来，充分利用两种技术带来的增益，将给系统性能和容量带来极大的提升。因此，充分结合MIMO技术和智能天线技术的优点，进一步开发空域资源，使得通信终端能在更高的移动速度下实现可靠传输，则成为智能天线未来发展的必然趋势之一。 趋势二：一体化智能天线
目前，现网使用的双极化智能天线都需要通过9条上跳线额外连接RRU设备，其中8条连接天线射频通道，1条是智能天线校准线。这种智能天线和RRU分体通过电缆连接的方式有着一些不可避免的缺点，如：9条上跳线均需要做好接头防水处理，电大量防水接头施工给工程带来极大的不便，使得安装困难的同时还降低了设备的稳定性；天线和RRU设备之间的线缆连接也使得基站室外美观性大大降低，站点选择及协调困难，周围居民抵触情绪较高；分别安装RRU和天线，耗费工时，安装复杂；8个天线端口需要有很好的幅度和相位一致性，以便在智能天线的方向图合成中以及校准中获得准确的结果。在实际应用中，9根上跳线的幅相一致性以及长期户外应用中的稳定性和可靠性都将难以保证等。
一体化智能天线是将天线与RRU整合为一体的智能天线，此类天线是在普通双极化天线的基础上，外部结构做相应调整完成的，在电气性能，电性能测试等方面，与普通双极化天线一致。考虑到室外F、E频段的引入，一体化智能天线必将登上TD-SCDMA网络建设的舞台，成为智能天线发展的重要趋势之一。 趋势三：电调智能天线
目前，现网采用的智能天线均采用预置下倾和机械下倾相结合的方式来调整天线的
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下倾角。虽然这种方式也能满足覆盖要求，但在工程应用中也暴露了一些机械调下倾角无法克服的缺点，如：调整下倾角困难，在网络优化的工程中，需要耗费大量的人力资源，调节效率低；由于采用机械下倾，站点在进行隐蔽工程时，隐蔽外罩需要预留较大的下倾角调节空间，造成隐蔽工程体积庞大；在大角度下倾时水平面覆盖产生畸变，且伴随交叉极化和主极化特性变差、水平面前后比与无下倾时趋势不一致等。
正是由于常规智能天线存在这些不可克服的缺点，电调智能天线的开发与应用将必然成为未来TD-SCDMA智能天线发展的重要趋势之一。 趋势四：介质智能天线
对于基站天线来说，小型化天线有着不可比拟的优势：不仅可以降低机械承载，方便天线的安装，而且可以节省宝贵的天面资源，为多系统的天线共站提供了更加便利的条件，此外，也非常有利于天线美化和隐蔽工程。虽然目前的双极化智能天线尺寸已比最初的智能天线尺寸减少了一半左右，但还不能称之为小型化天线，小尺寸智能天线的研发和应用仍是智能天线未来的发展方向之一。
由于电磁波在不同的介质传播特性有所不同，介质的存在就会影响电磁波的传播，利用这个特性，采用低损耗高频介质作为填充材料，结合适当的天线结构，在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下，介质谐振器可以作为天线来使用。介质天线的一大优点就是在不改变天线性能的情况下，可以将天线的尺寸大幅度降低。介质智能天线就是将介质天线和智能天线相结合而制造出来的几何尺寸较小的智能天线。TD-SCDMA系统使用的智能天线是由多个天线单元组成的天线阵，介质材料的使用不仅可以减小单个天线单元的尺寸，还可以减小天线单元之间的间距，从而减小智能天线整体尺寸。小型化的介质智能天线不仅减小了天线尺寸，同时还降低了成本，便于实际工程安装，对环境的影响减小，有很强的实际可操作性。
近些年来，在微波系统小型化的推动下发展起来的介质微波器件，已在无线领域得到了广泛的应用，与此同时，普通型介质天线特别是微带介质天线的应用也有了长足的发展。介质天线的应用技术成熟可靠，也为未来介质智能天线的推出起到很好的作用。
8 结论
智能天线技术有很多优点，并且智能天线技术的发展日益加快，应用前景日益
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广阔是不争的事实。在未来3G网络建设引入智能天线技术，将增加系统在空间上的分辨能力，从更高层次上提高系统对于无线频谱的利用率，提高网络容量。目前在TD-SCDMA中智能天线技术已经得到了很好的应用。
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