一、目前數字集群系統的現況

隨著集群通信在我國的迅速發展，800MHz頻段的600對頻率資源也顯得越來越緊張。針對這一現狀，中國信產部在2001年已下達正式文件指出，到2005年底，中國不再批準建設模擬集群通信系統。同時，中國信產部也制定出適合中國的數字集群系統標準。目前在我國數字集群市場上，代表產品有以下幾個：

1．摩托羅拉公司的TETRA系統和iDEN系統

2．諾基亞公司的TETRA系統

3．中興通訊公司的GoTa系統

4．華為公司的GT800系統

數字集群系統相對于模擬集群系統，在頻率利用率上有較大的提高。例如TETRA系統，采用1：4的TDMA技術，把一個25KHz的物理信道可分為四個邏輯信道，頻率利用率是原來的四倍。而iDEN系統，采用1：6的TDMA技術，將一個物理信道分為六個邏輯信道，頻率利用率是原來的六倍。

但同時我們也在實際應用中看到，數字集群系統的信號覆蓋范圍要比模擬集群系統要小的多。例如，在中等城市地區，在類似的條件下，模擬集群系統中單個基站的信號覆蓋，一般有15公里左右。而數字集群系統中，單個基站的信號覆蓋，一般5至7公里左右。所以在全國各地，從模擬集群系統轉型到數字集群系統的過程中，經常會聽到客戶對數字集群系統技術進步的認可，但同時又會有對數字集群系統信號覆蓋范圍減小的顧慮。

對于當前國內的數字集群系統，在系統射頻信號的覆蓋方面，基站一般采用全向天線，也有各別系統為擴大系統容量、支持更多用戶，需要收縮小區范圍、降低頻率復用系數提高頻率利用率，通常采用的方法是小區分裂和扇區化。例如，同一個地點安裝三套同樣的基站設備，而每個基站使用120度的定向天線，進行信號覆蓋，以達到在市中心提高系統用戶容量的目的。但隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。提高數字集群的無線性能，對許多集群用戶而言，有著重要的意義。

二、天線及天饋系統

天線是一種無線設備，它能有效地輻射或接收無線電電波，并由饋線和收發設備聯系起來，它可以實現電磁能量從一種介質耦合到另外一種介質去，例如從同軸線或波導發射到自由空間。

天線的種類很多，從輻射元來講，可分為線天線和面天線；從輻射的空間覆蓋來講，又可分為全向天線和定向天線。

全向天線

早期的無線通信系統，一般都采用簡單的全向天線，它的接收和發射在各個方向上都是相同的。

定向天線

天線的接收和發射有固定的方向。例如360°的區域可以均分為三個120°子區域，用三個定向天線分別完成各個120°范圍內的無線覆蓋。

三、智能天線技術

智能天線是目前發展迅速的一項新技術。智能天線是由一系列輻射元組成輻射元陣列，輻射元陣列的信號合成整個天線的波束圖。智能天線可以根據有用信號的分布情況，調整輻射元的信號分配，這樣就使得天線的有用波瓣方向對準有用信號，而將天線的零陷對準干擾信號。當有用信號分布情況變化，天線還可以智能地隨之調整，繼續進行匹配。

智能天線的應用既提高天線增益又減少系統干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統容量，提高了頻譜利用率。

從智能天線采用的設計技術方法來說，智能天線技術有兩個主要分支：多波束切換型智能天線技術和自適應天線陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應天線陣。

1.多波束切換型智能天線

多波束切換型智能天線技術與自適應天線陣技術比起，實現起來要簡單。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度是由陣元數確定的。波束切換天線具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，通過陣列天線技術在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發送不同的信號，它從幾個預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動臺越過扇區時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質量。

在應用波束轉換技術的系統，最主要任務是產生一個有效的波束選擇方法，利用這種方法能夠快速和精確地對每個用戶進行正確的波束切換，被切換的波束則必須要覆蓋目標用戶所在的區域。

2.自適應天線陣智能天線

相比多波束切換型智能天線技術，自適應天線陣技術就智能的多。它是由一個由天線陣和實時自適應信號接收處理器所組成的一個閉環反饋控制系統，智能天線通過自適應算法控制加權，用反饋控制方法，通過自動調整每個輻射元的幅度和相位，達到改變天線陣的方向圖的目的。使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而在有用信號方向形成主波束，達到抑制干擾的目的。加權系數的自動調整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時也減少了小區間干擾。

應用自適應天線陣技術，一是要準確地估計波達方向（DOA），一是要找到一個真正快速收斂而性能優良的自適應算法。

2.1 波達方向（DOA）的估計

準確地估計波達方向（DOA）是自適應天線陣提高系統性能的前提。通過瞬時在空間上對有用信號的采樣分析，確定有用信號及干擾噪聲的空間位置，并能對有用信號的波達方向進行跟蹤。

2.2 自適應算法

對于自適應天線陣智能天線的研究，核心是自適應算法。通過找到一個真正快速收斂而性能優良的自適應算法，在時域上得出各個天線的最優加權。

目前常用的智能天線算法主要有非盲算法和盲算法兩大類型。

非盲算法：是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時收端知道發送的是什么，進行算法處理時要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優的迫零準則）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整勸值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE（最小均方誤差），LMS（最小均方），LS（最小二乘）等。非盲算法的特點：誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統資源。

盲算法：指無需發端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback），是一類較特殊的盲算法，收端自己估計發送的信號并以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。

盲算法特點：一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征，如恒模CM，子空間subspace，有限符號集，循環平衡等，并調整權值以使輸出滿足這種特性，常見的各種基于梯度的使用不同約束量的算法。

3.智能天線研究的動向

在智能天線的研究方面，我國早已將智能天線技術列入國家863 通信技術主題研究中的個人通信技術分項，許多專家及大學正在進行相關的研究。而且，在我國自主開發的的第三代移動通信系統TD-SCDMA系統中，智能天線技術、軟件無線電技術和同步碼分多址技術是該系統的核心技術。

對于智能天線的研究內容，大多集中在對智能天線的自適應算法的優化、對波達方向的估計，以及對智能天線陣元的幾何排列的優化等方面，從本文的參考文獻，也可看到目前國內外許多 大學及研究所也在智能天線領域進行了大量研究。

四、用智能天線提高數字集群系統的射頻性能

針對目前我國數字集群通信系統在信號覆蓋方面存在的問題，用自適應天線陣智能天線技術代替目前常用的全向天線，系統的射頻方面的性能將有所提高。利用智能天線，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合并權值，形成正確的天線接收模式，即把天線的主瓣對準有用信號，而將低增益副瓣或是零陷對準主要的干擾信號，從而有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子，而且能夠在多個方面大大改善通信系統的性能。

簡而言之，通過把智能天線技術引入到目前我國的數字集群系統中，可以有效地提高基站接收機的靈敏度，提高基站發射機的等效發射功率，降低系統的干擾，進而增加了數字集群系統的容量，改進了小區的覆蓋，降低了無線基站的成本。所以，智能天線的采用將顯著降低運營成本、提高系統的經濟效益。

1．智能天線解決方案

目前，通常采用的自適應天線陣智能天線結構有兩種：線陣和圓陣。線陣天線即把多個天線陣元等距離地擺在一條直線上，而圓陣天線則是等距離地分布在圓周上。

例如，可以采用類似TD-SCDMA系統的自適應天線陣智能天線。如下圖，由8個完全相同的天線陣元均勻地分布在一個半徑為R的圓上，組成一個環形天線。相鄰陣元間距D為半波長。

智能天線的“智能”作用是由天線陣及與其相連接的數字信號處理部分共同實現的。自適應天線陣智能天線的系統框圖如下圖。

該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時產生多個波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設置零點。

2．性能分析

通過理論推導，該零點處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。當使用的智能天線當N＝8時，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB（對接收）和18dB（對發射）。每個振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發射增益為26dB。

綜上所述，智能天線解決方案提高了基站接收機的靈敏度，提高了基站發射機的等效發射功率，降低了系統的干擾，增加了數字集群系統的容量，改進了小區的覆蓋。所以，智能天線的采用將顯著降低運營成本、提高系統的經濟效益。并且，隨著技術的迅猛發展，智能天線技術在移動通信上的應用也越來越廣泛。隨著移動通信使用的頻率越來越高，而電子器件也越來越小，智能天線技術不僅僅會應用在基站方面，而且也在向終端用戶發展，開發出帶有智能天線的新型手機來。