李伟辉 邬建军
摘 要：智能天线通过多根天线之间的相干操作，可以使得信号向固定方向传输，从而扩大信号的覆盖范围，提升信号的传输距离，从而提升整个无线通信系统的性能。在第三代移动通信系统中，智能天线技术已经相对完备了，在第四代移动通信系统中，第四代天线还有着一定的缺陷，不能满足TD-LTE网络的需求。为了更好地提升4G网络的性能，本文重点分析了智能天线，详细阐述了其对TD-LTE网络的意义。
关键词：智能天线;波束赋形;自适应;电调
中图分类号：TN929.5;TN821.91 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0067-03
Abstract：Smart antennas can transmit signals in a fixed direction through the coherent operation of multiple antennas，thus expanding the coverage of signals and increasing the transmission distance of signals，thereby improving the performance of the whole wireless communication system. In the third generation mobile communication system，smart antenna technology is relatively complete. In the fourth generation mobile communication system，the fourth generation antenna still has some defects，which can not meet the needs of TD-LTE network. In order to improve the performance of 4G network better，this paper focuses on the analysis of smart antenna and elaborates its significance to TD-LTE network.
Keywords：smart antenna;beamforming;adaptive;electrical tuning
0 引 言
经过近年来的不断发展，移动终端的数量每年都在飞速增长，尤其到了如今的4G网络时代，移动通信的用户数量也呈爆炸式增长。由2G的专用语音通信发展到今日的数据通信，如何在有限的频谱资源上扩展网络容量已经成为TD-LTE网络部署中的一个热点话题。一味地增加基站的数量，提升基站覆盖率，已经不能满足日益增长的数据带宽要求。智能天线从无线通信领域出发，通过在空中信道实现多层次的复用，在满足4G网络带宽需求的同时，也不用投入大量的资源成本从基站的角度做增益，是一个很棒的优化选项。
智能天线经过了3G时代的发展，各种技术已经相对完备，其后，虽然由于4G自身的特点存在一定局限性，但目前智能天线广泛地应用于各个方面，被认为是未来无线通信领域中最关键的技术之一，智能天线也是未来移动通信领域的必然发展趋势。
在3G时代，智能天线在TD-SCDMA系统中表现得十分杰出。智能天线在3G网络中取得优越性能的原因是智能天线上行链路和下行链路的对称结构设计，因为其对称性，智能天线的高效率得以充分发挥。此外，智能天线在降低小区间的干扰、对抗多径衰落等方面都有着很重要的作用。
4G网络作为一个必然的趋势，经过了这么多年3G的积累，以及4G自身多年的发展，必然要结合3G网络中极其优秀的智能天线技术，从而提升TD-LTE网络的性能。
1 TD-LTE智能天线基本组成及原理
智能天线的别名是自适应天线阵列，它结合了自适应天线技术和阵列天线技术，在自适应技术的基础上，同时引入了各种定位信号源等用途的智能算法，形成了特有的智能天线技术。
通过基站内不同天线的相关传输，能够实现向特定目的地发送信息的作用。智能天线通过波束赋型等技术，可以在发端就把多根天线集合到一起，实现空间滤波和定位的目的。智能天线实际上就是通过已知的天线和小区的位置信息，使用信号本身固有的相位特性来对抗多径，进而通过各种算法定位信号源。
与传统的TDMA等多址方式不同，智能天线采用了空分多址的思路。在码率一样、频率一样、时间结构一样的情况下，空分多址技术特有的空间传播路径仍然可以不同。
智能天线从用途上，可以详细划分为三个部分。首先是信号处理部分，这个模块根据移动通信的场景，分析天线接收端接收到的信号的特性，进而把控天线发送端和接收端的一些传输性质。信号处理部分依据的移动通信场景，也可能是在使用闭环反馈的形式时，通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。除了信号处理部分，智能天线还包括射频天线阵列和波束赋型部分。射频天线阵列部分是在基站完成空间过采样的过程。
天线阵列通常采用直线阵列和平面阵列两种方式。已经决定了采用什么样的天线阵列的形式之后，就要慎重地考虑应该选用什么样的天线单元。在天线单元的选择过程中，需要考虑天线本身的特性以及天线需要达到的指标，此外还需要满足天线单元的互相耦合特性小这一条件。
信号处理模块决定着整个智能天线的性能，不同的信号处理模块有着不同的信号处理算法，不同的算法有着不同的性能和复杂度，在设计智能天线的过程中，选择性能优良的算法尤为重要。因为智能天线的用途有很多，因此为了满足不同的用途，信号处理模块的算法也大不相同，性能有优有劣，可能特定算法在保证性能的时候复杂度达不到要求，有时可能成本超出预算，因此在设计智能天线的过程中，应该各种算法相互补充，优劣互补，在达到最优的性能的同时满足更多的需求。
2 TD-LTE智能天线的特点和优势
无线通信系统中，多径衰落、多径干扰以及多径延迟都会造成空中信道中传输的信号产生失真混叠和延迟等负面影响，大大降低了通信的质量和用户的体验，在网络设计过程中往往需要把防多径放在重要地位。此外，共信道干扰也是一个必须考虑的方面，共信道干扰值的大小决定着网络资源的复用。针对这两个问题，智能天线能够完美地应对。
智能天线通过多径减少不同信号之间的干扰，降低多径的负面影响，同时增大了系统的容量。
智能天线的主要优点可以归纳如下：
（1）提高系统容量。在移动通信网络中，用户和用户之间存在着相互干扰的问题，智能天线为了解决这一问题，将波束零点瞄准其他的用户，进而大大降低了用户和用户之间存在的干扰。通过智能天线，移动通信系统的干扰大幅度降低，天线接收端信号干噪比大大提升，可以更有效地利用有限的频谱资源，因此系统容量大大提升。
（2）扩大系统的覆盖区域。智能天线在移动通信系统的接收端，对信号采用相干操作，多根天线集合到一起，可以大大地增加增益，从而提升接收和发射的功率，从这种程度上来说，大大地增加了天线发射和接收信号的距离，同时也增加了智能天线的覆盖范围。
（3）改善链路质量。智能天线采用了空分复用的技术，与之对应的分集方式是空间分集，在多发多收的空中信道中，可以实现相应的多发多收，进而大大改善链路质量。
（4）减少多径干扰影响。智能天线是阵列天线和自适应天线的结合体，采用阵列天线，同时引入空间分集技术，就可以实现多发多收的功能，进而把多径干扰分配到多个信道，从而使得多径干扰最小化，极大地降低了多径干扰对移动通信系统的影响。
（5）抗衰落。智能天线可以有目的性，同时自适应的确定信号发射和接受的方向，多根天线结合到一起能获得更高的增益，此外结合智能天线的空间分集技术，可以极大地降低移动通信系统中信号传输时遇到衰落问题的概率。
3 TD-LTE智能天线的应用
智能天线在4G网络中，通常都是由8个天线组成一个8天线集成天线系统，这8根天线保持同心阵列的结构，能够获得更高的增益。
4G网络相对于之前的网络系统，小区正朝着“小型化”和“智能化”发展，这就给智能天线提出了新的挑战和方向。
为了配合移动通信中小区智能化和小型化的规划指标，智能天线中的波束赋型也应该朝着智能化和高效化的方向去设计，与此同时，为了适应智能天线的多目标设计，基站的分布以及站点高度等设置也应该更加灵活。
智能天线可以根据信号和小区的信息，以及信号的特性，估计出信号源的位置，因此在使用了智能天线后，终端不需要配备定位的功能，TD-LTE网络也不需要分配专门的资源来定位这项业务，因此提高了频谱利用率，降低了网络部署的成本。
时分双工的工作模式，使得智能天线上行链路和下行链路传输是对称的，因此可以使得传输过程中的干扰大大降低，进而能够极大地提高移动通信系统的通信质量。
现在4G网络中的一些关键性技术，要与智能天线结合到一起，需要从多方面考虑，譬如结合到一起之后的性能如何？算法复杂度高不高？实现难度大不大？成本是否在预算之内？需要在各种组合之间去做一个妥协，从而满足各方面的要求。
为了满足4G网络提出的智能化和小型化等要求，智能天线应该满足如下要求：
（1）电调化：采用特定算法，调整波束赋型后天线发射信号的方向。
（2）宽带化：智能天线应该在2G、3G、4G以及Wi-MaX全部频段都有工作。
（3）集成化：既可契合环境又可节约成本的适应多种网络制式的一体化智能天线。
（4）情景化：在智能天线的设计过程中，应该既考虑到天线的美观，又考虑到天线的性能。
（5）小型化：为应对4G小型化，智能天线在设计过程中也应做到小型化，采用新型的介质谐振器。
此外，在4G网络中，为了避免干扰，智能天线需要满足小区之间一起调试的方案。同时还要考虑多小区对一个用户进行的多发一的波束赋型，通过在各种特殊场景下进行的测试以达到提升其信号强度、提高资源供给的目的。按照这种方法，不断地规划和优化，4G网络专用的智能天线的智能特征将会越来越明显，越来越符合4G指标的需求，智能效果也将越来越好。
当然，不可避免，TD-LTE智能天线在某些方面的工程应用中存在难度，与其他所有的先进技术一样，4G网络的智能天线发展也是一个渐变和不断完善的过程，在4G网络部署初期，必然有很多智能天线相关问题达不到工程实现的要求，或者达标需要的实现成本较高，因此在网络部署的初期，可以采用稍微低性价比的技术代替，相信伴随着TD-LTE系统基站的大量建设，在情景化、小型化、电调化、宽带化和集成化等各方面不断进步的情况下，智能天线将在4G网络后期发挥至关重要的作用。
4 结 论
智能天线技术在3G网络中使用多年，随着3G网络的不断发展而不断完善，已经是很完备很实用的技术了。在4G网络中，智能天线也发挥着极强的作用，在4G部署和运营的后期，智能天线必然在4G网络的关键技术中占有一席之地。智能天线采用多天线相干特性，产生了一种大增益的目标明确的传输方式，大大地提升了移动通信系统中信号传输的增益，进而增大了传输距离，降低了信号传输的干扰，提高了接收端信号的信噪比，提升了移动通信系统的信号传输质量。
参考文献：
[1] 王志超.TD-LTE无线网络建设规划设计探析 [J].科技展望，2014（16）：7.
[2] 赵康成，王国梁，李凤花.TD-LTE无线网络中重叠覆盖优化解决方案分析 [J].山东通信技术，2014，34（3）：40-43.
作者简介：李伟辉（1978-），男，汉族，广东河源人，高级设计主管，工程师，本科，研究方向：无线通信工程规划与设计;邬建军（1972-），男，汉族，湖南沅江人，无线院移动室经理，高级工程师，本科，研究方向：移动通信。
