更新时间：2023-10-24 23:12
早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。
日本最早开始智能天线的研究是在20世纪70年代。到1987年，研究人员已经指出基于最小均方误差（MMSE）准则的自适应天线能够减小多径衰落，因而可以用于高速移动通信应用中。自此，日本学者展开了大量的针对移动通信环境的智能天线研究，包括自适应处理算法、数字波束形成方案、WCDMA中的多址干扰抑制方法，以及基站和移动终端上分别适用的智能天线类型等。其中，较早的有日本邮政电信部通信研究实验室的智能天线系统和NTT-DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA体制的智能天线实验系统。前者工作于1.5 GHz，针对TDMA方式采用GMSK调制，数码率可达256 kbps。系统利用4阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落，权值更新采用恒模（CMA）算法在东京进行的实验表明：自适应天线技术在无线高速数据传输和存在选择衰落的情况下仍能很好地对消多径时延信号。后者则采用2D-RAKE接收机结合MMSE自适应波束形成算法进行处理。实验系统有3个小区基站用以评估切换和其他的网络功能。实验结果表明，就平均误码率（BER）而言，智能天线比空间分集有明显改善。
此外，日本ATR光电通信研究所也研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵，射频工作频率是1.545GHz。阵元组件接收信号在经过低噪声放大、下变频和模数变换后，进行快速傅氏变换（FFT）处理，形成正交波束后分别采用恒模（CMA）算法或最大比值合并分集（MRC）算法。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用最大比值合并算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。在此基础上，ATR的研究人员提出了基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素（如噪声、同信道干扰或符号间干扰）也不同，利用软件方法实现不同环境应用不同算法。比如当噪声是主要因素时，则使用多波束MRC算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA实现实时天线配景，完成智能处理。
随后，ATR研究所又针对移动通信中移动终端上适用的智能天线形式进行了大量探讨，最终提出了单端口电激励的ESPAR天线。该天线巧妙地利用了各阵元之间的耦合，在天线处实现了空间滤波。
欧洲通信委员会（CEC）在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称为TSUNAMI。实验评测了采用MU-SIC算法判别用户信号方向的能力，同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用，而市区环境则更适合采用简单的直线阵。
此后，欧洲通信委员会（CEC）又在ACTS计划中继续进行了第二阶段智能天线技术研究，即TSUNAMIⅡ，旨在考察第三代移动通信中采用智能天线系统的可行性和具体优势。通过大量宏蜂窝和微蜂窝的实验，用以验证智能天线系统在商用网络中的工作情况。通过对两套系统收发性能的比较，证实了实际的智能天线方向图与理论方向图的一致性，实际所能达到的干扰抑制能力与理想的干扰抑制能力相差通常在2dB以内。实验结果同时也说明，智能天线系统在郊区宏蜂窝环境下的干扰抑制水平比较理想，而在市区微蜂窝环境下的干扰抑制能力则与环境杂波有关。
美国和中国也研制出应用于无线本地环路（WLL）的智能天线系统。该产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用，在日本进行的现场实验表明，在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高4倍。此外，ArrayComm还研制出用于GSM、PHS和无线本地环路的IntelliCell天线，该天线已经在全球多个国家投入实用。除ArrayComm以外，美国Metawave、Raython以及瑞典Ericsson都有各自的智能天线产品，这些智能天线系统都是针对移动通信开发的，用于GSM、TDMA或者CDMA。由中国提出的具有自主知识产权的3G标准之一的TD-SCDMA之中就明确规定要采用智能天线。
智能天线由三部分组成：实现信号空间过采样的天线阵；对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络；重新合并权值的控制部分。在移动通信应用中为便于分析、旁瓣控制和DOA（到达方向）估计，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。控制部分（即算法部分）是智能天线的核心，其功能是依据信号环境，选择某种准则和算法计算权值。
智能天线技术前身是一种波束成形（Beamforming）技术。波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻当前位置发送方和接收方之间的信道信息，调整信号发送的参数，使得射频能量向接收方所处位置集中，从而使得接收方接收到的信号质量较好，最终能保持较高的吞吐量。该技术又分为芯片方式（On-Chip） 和硬件智能天线方式 （On-Antenna）的两种。
智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。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。
智能天线系统的核心是智能算法，智能算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法自动调整加权值得到所需空间和频率滤波器的作用。已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时，接收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则（比如最优的迫零准则zero forcing）确定各加权值，要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有SE（最小均方误差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法（Decision Feedback）是一种较特殊的算法，接收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。
智能天线是一种多天线技术，它采用天线阵列形成可控的波束，指向并随时跟踪用户。它具有增加通信容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站发射功率，并具有定位功能的优点。
智能天线是移动通信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量。智能天线是一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。
经过实验证明，通过智能天线技术，WiFi网络将获得以下优势：
1.收发信号强度全面提升，并且当AP或STA的位置、角度、方向改变时，仍能保持最佳覆盖效果；
2.衰落和多径效应的优化改善，提升终端用户在非视距环境下的信号获取能力，看不见也能传；
优化噪声影响，抵抗局部干扰源，保证终端用户最小工作带宽，降低断线几率；
3.降低因遮挡或距离增加引起的信号质量下降幅度，保证STA有一定的带宽工作，使得性能不会大幅衰落；
4.同步的上下行链路增益，提升单AP和整网容量，再挤也不怕。
智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术（Switched Beam Technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），或简称波束转换天线和自适应天线阵。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，事实上，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。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁对其的干扰。
波束切换方式的天线，一般由多个窄波束天线构成，每个窄波束天线由于角度小，所以通常增益很大，覆盖距离较远。一般在工作时，对于一个用户，众多天线中，只有一个窄波束天线是出于工作状态的。当用户更换，或用户位置转移时，智能天线系统会根据情况更换窄波束天线的工作状态，即停掉之前的窄波束天线，然后让另一个角度正确的窄波束天线继续工作。由于窄波束定向天线通常个头较大，所以一般这类智能天线都在室外场景使用，比如TD系统的一些基站就采用这种智能天线装置。
波束切换式天线，一般形成的天线角度个数，与其窄波束天线个数相当。所以由于硬件设计限制，这种天线不可能有很多或很细致的天线角度可供选择。从天线尺寸角度看，这种天线也只能在室外环境，即对空间没有多少要求的环境中使用。
自适应阵列天线：阵列天线由多个天线形成阵列，在工作时，通过不同天线的组合工作，形成不同的天线波瓣，实现多种方向、角度、增益都不相同的“虚拟天线”，以适应不同工作环境，不同用户的位置，以及避免不必要的干扰。自适应阵列天线在工作时通过对工作环境的判断，以及用户位置的感知，经过内部芯片处理，能够迅速计算出最佳的天线组合方式，达到想覆盖哪里，就覆盖哪里的目的。无线接入设备可通过不同天线的组合，形成最多4096种不同的波瓣模式，可以轻松的适应各种室内环境，增加覆盖范围，达到稳定网络质量之目的。
硬件智能天线方式：硬件智能天线方式又名“自适应波束切换技术”，该技术利用具有多个硬件天线的天线阵列，智能的从中选择多个天线阵子进行信号的发射和接收，不同天线的组合可以形成不同的信号辐射方向，从而可以为处于不同位置的STA选择最佳的发送或接收天线，提高信号接收质量，最终提升系统的吞吐量。
1）在天线阵列上的不同天线之间有一定的物理距离，从各天线上发出来的信号到达接收方的所经历的路径有长有短，从而到达接收方的信号具有时间差。如果接收的信号相位不一样，硬件智能天线方式可以从多个天线中选择一组信号叠加效果较好的天线组合，采取自适应快速切换，获得效果远好于“On-Chip”方式的信号覆盖质量。
2）在天线阵列上的不同天线具有不同的定向性，组合而成的定向天线具有比全向天线更大的组合增益，可以增加AP设备实际等效发射功率（EIRP：Effective Isotropic Radiated Power）。
硬件智能天线方式相对于芯片方式的优势：
1）芯片方式会产生额外的干扰，通过对全向天线调节相位难以形成单独的指向STA的信号，可能会对其它的方向形成干扰，并且会浪费能量；
2）芯片方式需要STA的支持，截至2012年8月22日 ，无线网卡基本都无法支持；
3）芯片方式有额外的吞吐量开销，芯片方式中AP和STA经常需要进行低速率的获取信道信息的报文的交互，会影响整体的吞吐量。
智能天线的作用体现在下列方面：
（1）提高频谱利用率。采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营成本。
（2）迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来的智能天线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络容量。
（3）抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。
（4）抗衰落。采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。
（5）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。
（6）最初的智能天线技术主要用于雷达、声呐、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。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，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，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外，随着移动通信用户数的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。它使通信资源不再局限于时间域（TDMA）、频率域（FDMA）或码域（CDMA）而拓展到了空间域，属于空分多址（SDMA）体制。
（7）智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善BER（Bit Error Rate）性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低等。
（8）FDMA系统采用智能天线技术，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。
（9）TDMA系统采用智能天线技术可提高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。
（10）CDMA系统采用智能天线技术，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/硬切换控制；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。
（11）容量和频谱利用率的问题是发展移动通信根本性的问题。智能天线通过空分多址，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。
（12）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的情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。
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。ArrayComm与英国马可尼公司正在合作开发具有自适应阵列天线功能的基站。爱立信宣称将在其W-CDMA基站中提供自适应阵列智能天线。朗讯也曾宣布，其第三代移动通信基站中将采用朗讯自主开发的IA-BLAST智能天线技术。
（13）在第三代移动通信系统中，中国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。中国TD-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。
CDMA2000应用智能天线技术也有了进展。CDMA发展组织CDG已经发布了一个关于智能天线的文件——“智能天线在CDMA系统中的业务描述、用户需求和系统功能”，由此开始推动智能天线在CDMA系列技术中的应用。
（14）在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为一个最活跃的领域。智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是任何技术所难以替代的。智能天线技术已经日益成为移动通信中最具有吸引力的技术之一，并在以后几年内发挥巨大的作用。在第三代移动通信系统中，作为TD-SCDMA系统中的关键技术之一的智能天线技术，能够使系统在高速运动的信道环境中具有较好的性能。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一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。
（15）智能天线在DECT、PHS等系统中的应用：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。
（16）无线本地环路系统的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。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。
（18）在时空信号处理研究方面，对测向算法、自适应算法、盲和非盲算法、谱估计理论和算法、天线流形及数字波束成形、天线校准及控制、动态时空信道分配、容量分析等作了大量分析和仿真，提出了多种新的算法，并在系统上得到了应用。除了基站智能天线，还开展多天线系统（MIMO）、天线抗干扰技术、二维天线阵列智能天线等研究。
（19）对于给定的频谱带宽，系统容量愈大，频谱利用率愈高。因此，增加系统容量与提高频谱效率一致。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，用自适应天线代替普通天线。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，无须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。
1998年中国邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA建议和成为国际第三代移动通信标准之一的CDMA TDD技术，就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统，在国内外获得了广泛的认可和支持，并己制定了相关标准。
中国国内一些大学如清华大学、北京邮电大学、北方交通大学、上海交通大学、电子科技大学、西安交通大学和西安电子科技大学等也开展了智能天线方面的研究工作。国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究。
在移动通信环境条件下，复杂的地形、建筑物的结构都会对电波的传播产生影响，大量用户间的相互作用也会产生时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰等，从而会使通信质量受到影响。采用智能天线可以有效地解决这些问题。智能天线采用空分多址技术，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，最大限度地利用有限的信道资源。
智能天线的核心在数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整权重系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和自适应赋形的实现。辨识信号到达方向，代表的算法有MUSIC（MUltipleSIgnalClassification）算法、ESPRIT（EstimationofSignalParametersviaRotationalInvarianceTechniques）算法、最大似然法等。自适应波束赋形的目的是通过自适应算法得到最佳加权系数。采用何种算法首先需要考虑自适应准则，主要有最大信噪比（SNR）、最小均方误差（MMSE，MinimumMeanSquareError）、最小方差、最大似然等。常用的自适应算法有DMI（DirectMatrixInverse，直接抽样协方差矩阵求逆）算法、LMS（LeastMeanSquare，最小均方）算法、RLS（RecursiveLeastSquares，递归最小二乘）算法、CMA（ConstantModulusAlgorithm，恒模算法）等。
1．智能天线对DCA的影响
智能天线的波束赋形有效地降低了用户间干扰，其实质是对不同用户的信号在空间上进行区分。如果DCA在进行信道分配时，能够尽量地把相同方向上的用户分散到不同时隙中，而把在同一个时隙内的用户分布在不同的方向上，这样可以充分发挥智能天线的空分功效，使多址干扰降至最小。要达到这一目的，需要增加DCA（DynamicChannelAllocation，动态信道分配）对用户空间信息的获取和处理功能。
智能天线能够对信号的到达方向（DOA，DirectionOfArrival）进行估计，DCA可以根据各时隙内用户的位置为新用户分配时隙，使用户波束内的多址干扰尽量地小。在图4（a）、（b）中，新用户（3号终端）在时隙2中波束无重叠，应优先分配。
图4按照时隙干扰大小分配用户位置的原理示意图
为DCA算法增加分配空间资源的能力，首先要获得用户的位置信息，并根据用户所在位置进行定向波束的干扰测量。这样在DCA算法中依然可以按照新用户在不同时隙中所受干扰的大小来选择时隙，这里是指用户方向上的干扰，而不是整个小区用户在该时隙产生的干扰。智能天线与联合检测结合的基带处理过程如图5所示。
在图5中，生成系统总矩阵A输出的数据是经过了空域的均衡和滤波，可以从中计算波束内干扰大小，作为DCA中时隙分配的依据。干扰的计算方法还需要深入的研究，使其能够正确反映等效基带波束内干扰的大小。
图5智能天线技术和联合检测技术结合的基带信号处理原理图
智能天线的一个理想目标是实现空分复用（SDM）。在波束赋形效果足够好的情况下，可以为不同方向上的用户分配相同的码道（载波、时隙、扩频码相同），这将会使系统容量成倍地增长。考虑到用户的移动性，用户间相对位置的改变有可能使得用户接入时的空分复用方案失效，即出现较大的同码道干扰。快速DCA中码道调整能够克服这一问题。当DCA获知用户的同码道干扰大于门限值，就触发信道调整，为同码道干扰严重的用户分配新的码道资源，以消除干扰。智能天线结合DCA是实现空分复用的有效途径。
2．智能天线对功率控制的影响
智能天线对功率控制的影响表现在以下几个方面。
（1）使功率控制的流程发生变化。无智能天线时，功率控制根据SIR测量值和目标值周期进行调整。有智能天线时，首先将主波束对准要调整的用户，然后再进行相关的测量。
（2）对功率控制的要求降低了。在有智能天线的情况下，当主波束对准该用户时，由于天线增益较高，相对于没有智能天线时可以大大降低用户终端的发射功率。
（3）在有智能天线的情况下，功率控制的平衡点方程变得复杂。传统的功率控制建模方法已不再适用。这种情况下的功率控制算法建模与具体的智能天线算法相关。
3．智能天线对分组调度的影响
分组调度算法的功能是在分组用户之间分配分组数据业务时，提高用户利用空中接口资源的能力。实际系统中应用的分组调度是以时分和码分的组合方式。而在智能天线引入之后，引入了波束资源，从而在分组调度的方式中增加了一维—空分。空中接口可利用资源的模型发生了变化，因而算法模型也要进行改变。利用波束资源，通过空分降低用户间的多址干扰，而且还能增加分组用户的传输速率。同时，利用智能天线对UE的定位功能，还可以根据位置信息优化用户的调度速率，从而更加有效地利用系统的资源。
4．智能天线对切换控制的影响
使用智能天线技术，必然涉及一些网络性能，如用户的移动性管理等。同时，用户的空间位置成为移动通信系统中一种新的可以利用的物理无线资源，其中包括频率、时隙、码道和空间角度四维元素。这就给切换过程中所要进行的接纳控制和资源预留带来了许多的灵活性。另外，智能天线可以为切换提供一些有用的位置参考信息、提高系统资源利用率、缩短切换时间、降低掉话率、减少信令交互、提高切换成功率等。
智能天线在给系统切换带来上述好处的同时，也增加了切换的复杂性，切换的不确定性及不稳定性。如在物理信道分配的过程中，当发生冲突需要进行信道调整和切换时，由于判决维数增加，使用的切换算法就要比只有3种资源的情况复杂，移动用户的切换管理也要复杂得多。智能天线的采用也使切换算法中的一些准则之间的关系变得模糊和复杂，参数的测量随机因素更多，如移动用户的位置、智能天线的效果等。小区的呼吸效应更加随机化，切换区域也就随机化。