刘鹏 王浩 李学斌
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摘要：智能天线技术和多天线技术，能在不增加带宽的情况下大幅度提高系统的数据传输速率和传输质量，是无线通信领域的一个重大突破。智能天线技术和多天线技术作为提高通信系统容量的重要途径成为了各类通信系统的关键技术之一。
关键词：智能天线技术；多天线技术；多波束智能天线；自适应智能天线
引言：在时域、频域、码域资源被充分挖掘之后，在提高无线通信系统的容量的迫切需求下，空域资源的开发自然的进入人们的视线，智能天线技术、多天线技术等天线技术应运而生，并且成为各类通信系统的关键技术之一。
1．智能天线技术
1.1 智能天线的定义
什么是智能天线？许多研究者都对此进行了定义。简单的说，智能天线就是能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到性能最优的天线。
1.2 智能天线的分类
智能天线根据采用的天线方向图的形状，可分为两类：多波束智能天线和自适应智能天线。由于体积和技术等原因，这两类智能天线目前都仅限于在基站系统中的应用。
1.2.1 多波束智能天线
多波束智能天线主要采用的是波束转换技术，因此，也称为波束转换天线。它是在把用户区进行分区(扇区)的基础上，使天线的每个波束固定指向不同的分区，使用多个并行波束就能覆盖整个用户区，从而形成了形状基本不变的天线方向图。当用户在小区中移动时，根据测量各个波束的信号强度来跟踪移动用户，并能在移动用户移动时适当地转换波束，使接收信号最强，同时较好地抑制了干扰，提高了服务质量。
1.2.2 自适应智能天线
自适应智能天线原名叫自适应天线阵列，是一种安装在基站现场的双向(既可接收又可发送)天线。它基于自适应天线原理，采用现代自适应空间数字处理技术，通过选择合适的自适应算法，利用天线阵的波束赋形技术动态地形成多个独立的高增益窄波束。从空分多址技术角度来说，它是利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，从而最大限度地利用有限的信道资源，增加系统的容量和提高频谱效率。从双向天线的角度来讲，智能天线包括两个重要组成部分:一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角估计， 并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。
1.3 智能天线技术的优点
1.3.1 提高系统容量。智能天线采用了空分多址技术，利用空间方向的不同进行信道的分割，在不同的信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。
1.3.2 降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向，因此能够有效抑制干扰。
1.3.3 扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能，因此与普通天线相比，在同等发射功率的条件下，采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离，从而增加了覆盖范围。
1.3.4 降低系统建设成本。由于智能天线技术能够扩大覆盖区域，因此基站的设数量可以相对减少，降低了运营商的建设成本。智能天线技术的主要缺点在于它的使用将增加通信系统的复杂度，并对元器件提出了较高的性能要求。
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2．多天线技术
2.1 多天线系统的基本概念
2.1.1 多输入输出（MIMO）系统
MIMO 技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要发射端和接收端均采用了多个天线，就构成一个无线MIMO 系统。根据收发两端天线数量，相对于SISO 系统来讲，MIMO 还可以包括单输入多输出（SIMO）系统和多输入单输出（MISO）系统。如果发射端使用单个天线，接收端使用多个天线，则这种天线系统称为SIMO 系统相应的分集称为接收分集。如果发射端使用多个天线， 接收端使用单个天线， 则这种天线系统称为MISO 系统。相应的分集称为发射分集。如果发射端和接收端都使用多个天线，则这种天线系统称为MIMO 系统。MIMO 系统综合使用发射分集和接收分集技术，大大的增加了天线的分集增益。
2.2 MIMO 系统功能
MIMO 有两种功能形式，即空间分集和空间复用。空间分集技术利用MIMO 信道提供的空间分集增益，可以提高信道的可靠性，降低信道误码率；空间复用技术则利用MIMO 提供的空间复用增益，可以大大提高信道容量。
2.2.1 空间分集
无线信号在复杂的无线信道中传播会产生瑞利衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个天线的位置间距大于相关距离（通常相隔10 个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，那么，利用发射端或接收端多根天线所提供的多重传输途径，就可从多个独立的传输途径中选择或组合出衰落现象较轻微的接收信号，以维持稳定的链路质量，这样就可以实现信号空间分集，对抗衰落的影响。空间分集分为接收分集和发射分集两类。SIMO 系统是接收分集，MISO 系统是发射分集。
2.2.2 空间复用
空间复用是MIMO 最具吸引力的功能，其原理是在发射端利用多根天线传送不同数据序列，并在接收端利用多根天线的空间自由度将该组数据序列分别解出。经过这一程序，在发射端与接收端之间形成一组虚拟的平行空间通道，可在同一时间、同一频段以同样功率传送多个数据序列。这样整体系统的有效数据传输率便可在不增加额外的功率和带宽的前提下提升数倍，因此频谱的利用率非常高，且容量在给定的频段内将随天线的数量成比例增加，这种效益是无线通信技术发展过程中的一大突破。
2.2.3 自适应MIMO
MIMO 技术的核心在于利用多个天线将时域和空域结合起来进行时空信号处理。通过空时编码可以获得空间分集增益和空间复用增益。MIMO 技术有效的利用了随机衰落和可能存在的多径传播，将存在的多径不利因素变成对用户通信有利的增强因素，成倍的提高业务传输速率，突破了传统的SISO 信道容量的瓶颈。
2.3 多天线技术的优点
2.3.1 阵列增益。在已知信道信息的条件下，发端和收端通过对信号的相关合并增加平均接收信噪比。
2.3.2 空间分集增益。分集对抗衰落十分有效，而空间分集由于不占用时频资源更加有益。理想情况下，可以得到空间MN 重分集。在发端不知道信道矩阵的情况下，收端也可以得到分集增益，利用的技术便是著名的空时编码技术。
2.3.3 空间复用增益。通过将互相独立的数据分别从不同天线传
送来实现。在充分散射的信道条件下，接收端可以将这些独立的数据
流分开，从而得到容量的线性放大。
2.3.4 干扰消除。同信道干扰来自频率复用，但在多天线系统中可以利用空间对信号进行区分以减少干扰。干扰消除需要已知信号传输信道的特征，可以在收或发端进行，增加了频率复用度，从而提高了通信系统容量。
3．结束语
本文简要介绍了智能天线技术和多天线技术的概念、基本原理和优点，智能天线技术和多天线技术能在不增加带宽的情况下大幅度提高系统的数据传输速率和传输质量， 是无线通信领域的一个重大突破。智能天线技术和多天线技术作为提高通信系统容量的重要途径成为了各类通信系统的关键技术之一。
参考文献：
[1]金荣洪，耿军平，范瑜.《无线通信中的智能天线》[M].北京：北京邮电大学出版社，2006．
[2]崔雁松.《移动通信技术》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.1．
[3]郭梯云，邬国扬，李建东.《移动通信》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.5．
论文作者:刘鹏,王浩,李学斌
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/26
标签：天线论文; 波束论文; 技术论文; 智能论文; 分集论文; 系统论文; 信道论文; 《防护工程》2018年第24期论文;