天線結構
智慧型天線干擾性能下降曲線智慧型天線由三部分組成：實現信號空間過採樣的天線陣；對各陣元輸出進行加權合併的波束成型網路；重新合併權值的控制部分。在移動通信套用中為便於分析、旁瓣控制和DOA（到達方向）估計，天線陣多採用均勻線陣或均勻圓陣。控制部分（即算法部分）是智慧型天線的核心，其功能是依據信號環境，選擇某種準則和算法計算權值。
實現原理
天線陣列中的不同天線具有不同的定向性智慧型天線技術前身是一種波束成形（Beamforming）技術。波束成形技術是傳送方在獲取一定的當前時刻當前位置傳送方和接收方之間的信道信息，調整信號傳送的參數，使得射頻能量向接收方所處位置集中，從而使得接收方接收到的信號質量較好，最終能保持較高的吞吐量。該技術又分為晶片方式（On-Chip） 和硬體智慧型天線方式 （On-Antenna）的兩種。
智慧型天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號並刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智慧型天線技術利用各個移動用戶間信號空間特徵的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統複雜度的情況下，使用智慧型天線可滿足服務質量和網路擴容的需要。
硬體智慧型天線4個STA吞吐量曲線圖智慧型天線系統的核心是智慧型算法，智慧型算法決定瞬時回響速率和電路實現的複雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現波束的智慧型控制。通過算法自動調整加權值得到所需空間和頻率濾波器的作用。已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需藉助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時，接收端知道傳送的是什麼，進行算法處理時要么先確定信道回響再按一定準則（比如最優的迫零準則zero forcing）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值，以使智慧型天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有SE（最小均方誤差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback）是一種較特殊的算法，接收端自己估計傳送的信號並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。
套用領域
智慧型天線的作用體現在下列方面：
（1）提高頻譜利用率。採用智慧型天線技術代替普通天線，提高小區內頻譜復用率，可以在不新建或儘量少建基站的基礎上增加系統容量，降低運營成本。
（2）迅速解決稠密市區容量瓶頸。未來的智慧型天線能允許任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多信道資源，等效於增加了此類地區的無線網路容量。
（3）抑制干擾信號。智慧型天線對來自各個方向的波束進行空間濾波。它通過對各天線元的激勵進行調整，最佳化天線陣列方向圖，將零點對準干擾方向，大大提高陣列的輸出信乾比，改善了系統質量，提高了系統可靠性。
（4）抗衰落。採用智慧型天線控制接收方向，自適應地構成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智慧型天線還可用於分集，減少衰落。
（5）實現移動台定位。採用智慧型天線的基站可以獲得接收信號的空間特徵矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。通過此方法，用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區域。
（6）最初的智慧型天線技術主要用於雷達、聲吶、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現代數位訊號處理技術發展迅速，數位訊號處理晶片處理能力不斷提高，利用數位技術在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統的可靠性與靈活程度。智慧型天線技術因此用於具有複雜電波傳播環境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數的迅速增長和人們對通話質量要求的不斷提高，要求移動通信網在大容量下仍具有較高的話音質量。它使通信資源不再局限於時間域（TDMA）、頻率域（FDMA）或碼域（CDMA）而拓展到了空間域，屬於空分多址（SDMA）體制。
（7）智慧型天線潛在的性能效益表現在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數據速率、抑制干擾、減少遠近效應、減小中斷機率、改善BER（Bit Error Rate）性能、增加系統容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區切換、擴大小區復蓋範圍、靈活的小區管理、延長移動台電池壽命、以及維護和運營成本較低等。
（8）FDMA系統採用智慧型天線技術，與通常的三扇區基站相比，C/I值平均提高約8dB，大大改善了基站復蓋效果；頻率復用係數由7改善為4，增加了系統容量。在網路最佳化時，採用智慧型天線技術可降低無線掉話率和切換失敗率。
（9）TDMA系統採用智慧型天線技術可提高C/I指標。據研究，用4個30°天線代替傳統的120天線，C/I可提高6dB，提高了服務質量。在滿足GSM系統C/I比最小的前提下，提高頻率復用係數，增加了系統容量。
（10）CDMA系統採用智慧型天線技術，可進行話務均衡，將高話務扇區的部分話務量轉移到容量資源未充分利用的扇區；通過智慧型天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟/硬切換控制；智慧型天線的空間域濾波可改善遠近效應，簡化功率控制，降低系統成本，也可減少多址干擾，提高系統性能。
（11）容量和頻譜利用率的問題是發展移動通信根本性的問題。智慧型天線通過空分多址，將基站天線的收發限定在一定的方向角範圍內，其實質是分配移動通信系統工作的空間區域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無線資源。
（12）採用智慧型天線是解決稠密市區容量難題既經濟又高效的方案，可在不影響通話質量的情況下，將基站配置成全向連線，大幅度提高基站容量。
採用智慧型天線技術可提高第三代移動通信系統的容量及服務質量，W-CDMA系統就採用自適應天線陣列技術，增加系統容量。ArrayComm與英國馬可尼公司正在合作開發具有自適應陣列天線功能的基站。愛立信宣稱將在其W-CDMA基站中提供自適應陣列智慧型天線。朗訊也曾宣布，其第三代移動通信基站中將採用朗訊自主開發的IA-BLAST智慧型天線技術。
（13）在第三代移動通信系統中，中國TD-SCDMA系統是套用智慧型天線技術的典型範例。中國TD-SCDMA系統採用TDD方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統具有精確定位功能，可實現接力切換，減少信道資源浪費。
CDMA2000套用智慧型天線技術也有了進展。CDMA發展組織CDG已經發布了一個關於智慧型天線的檔案——“智慧型天線在CDMA系統中的業務描述、用戶需求和系統功能”，由此開始推動智慧型天線在CDMA系列技術中的套用。
（14）在移動通信技術的發展中，以自適應陣列天線為代表的智慧型天線已成為一個最活躍的領域。智慧型天線技術對移動通信系統所帶來的優勢是任何技術所難以替代的。智慧型天線技術已經日益成為移動通信中最具有吸引力的技術之一，並在以後幾年內發揮巨大的作用。在第三代移動通信系統中，作為TD-SCDMA系統中的關鍵技術之一的智慧型天線技術，能夠使系統在高速運動的信道環境中具有較好的性能。國際上已經將智慧型天線技術作為一個三代以後移動通信技術發展的主要方向之一，一個具有良好套用前景且尚未得到充分開發的新技術，是第三代移動通信系統中不可缺的關鍵技術之一。
（15）智慧型天線在DECT、PHS等系統中的套用：DECT、PHS都是基於TDD方式的慢速移動通信系統。歐洲在DECT基站中進行智慧型天線實驗時，採用和評估了多種自適應算法，並驗證了智慧型天線的功能。日本在PHS系統中的測試表明，採用智慧型天線可減少基站數量。
（16）無線本地環路系統的基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特徵矢量，進行上行波束賦形，達到最佳接收效果。天線波束賦形等效於提高天線增益，改善了接收靈敏度和基站發射功率，擴大了通信距離，並在一定程度上減少了多徑傳播的影響。
（18）在時空信號處理研究方面，對測向算法、自適應算法、盲和非盲算法、譜估計理論和算法、天線流形及數字波束成形、天線校準及控制、動態時空信道分配、容量分析等作了大量分析和仿真，提出了多種新的算法，並在系統上得到了套用。除了基站智慧型天線，還開展多天線系統（MIMO）、天線抗干擾技術、二維天線陣列智慧型天線等研究。
（19）對於給定的頻譜頻寬，系統容量愈大，頻譜利用率愈高。因此，增加系統容量與提高頻譜效率一致。為了滿足移動通信業務的巨大需求，應儘量擴大現有基站容量和復蓋範圍。要儘量減少新建網路所需的基站數量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是採用智慧型天線技術，用自適應天線代替普通天線。由於天線波束變窄，提高了天線增益及C/I指標，減少了移動通信系統的同頻干擾，降低了頻率復用係數，提高了頻譜利用效率。使用智慧型天線後，無須增加新的基站就可改善系統復蓋質量，擴大系統容量，增強現有移動通信網路基礎設施的性能。
研究趨勢
國家級
1998年中國郵電電信科學技術研究院代表我國電信主管部門向國際電聯提交的TD-SCDMA建議和成為國際第三代移動通信標準之一的CDMA TDD技術，就是第一次提出以智慧型天線為核心技術的CDMA通信系統，在國內外獲得了廣泛的認可和支持，並己制定了相關標準。
學術界
中國國內一些大學如清華大學、北京郵電大學、北方交通大學、上海交通大學、電子科技大學、西安交通大學和西安電子科技大學等也開展了智慧型天線方面的研究工作。國家“八六三”、國家自然科學基金、博士點基金等也相應支持有關單位進行理論與技術平台的研究。
智慧型天線的基本概念
在移動通信環境條件下，複雜的地形、建築物的結構都會對電波的傳播產生影響，大量用戶間的相互作用也會產生時延擴散、瑞利衰落、多徑、信道干擾等，從而會使通信質量受到影響。採用智慧型天線可以有效地解決這些問題。智慧型天線採用空分多址技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來，最大限度地利用有限的信道資源。
智慧型天線的核心在數位訊號處理部分，它根據一定的準則，使天線陣產生定向波束指向用戶，並自動地調整權重係數以實現所需的空間濾波。智慧型天線需要解決的兩個關鍵問題是辨識信號的方向和自適應賦形的實現。辨識信號到達方向，代表的算法有MUSIC（MUltipleSIgnalClassification）算法、ESPRIT（EstimationofSignalParametersviaRotationalInvarianceTechniques）算法、最大似然法等。自適應波束賦形的目的是通過自適應算法得到最佳加權係數。採用何種算法首先需要考慮自適應準則，主要有最大信噪比（SNR）、最小均方誤差（MMSE，MinimumMeanSquareError）、最小方差、最大似然等。常用的自適應算法有DMI（DirectMatrixInverse，直接抽樣協方差矩陣求逆）算法、LMS（LeastMeanSquare，最小均方）算法、RLS（RecursiveLeastSquares，遞歸最小二乘）算法、CMA（ConstantModulusAlgorithm，恆模算法）等。
相關內容
10月26日，清華大學與信威集團聯合宣布：我國首顆低軌移動通信衛星—靈巧通信試驗衛星（下稱“靈巧”）已完成全部在軌測試試驗，工程任務取得圓滿成功。
業內人士稱，這顆“民營”衛星的試驗成功，不僅標誌著我國低軌移動通信衛星技術取得重要突破、為建設星座通信系統邁出關鍵一步，也開創了民營企業與高校協同創新、參與航天通信事業的新模式。
面向國家戰略需求，民企與高校共同試水航天通信
靈巧通信試驗衛星重約130公斤、在高度約為800公里的太陽同步軌道上運行。
地面移動通信系統只適於在人口較為密集的區域使用，對於地球上大部分人煙稀少的地區則使用困難。為實現在地球上任何地方的即時通信，自上世紀90年代後期，美國先後發射了上百顆低軌移動通信衛星，組建了包括銥星、全球星在內的星座通信系統，並在商業和軍事等領域廣泛套用。
然而，由於沒有自己的低軌道通信衛星，目前我國80%以上陸地面積、95%以上海洋面積的通信網路復蓋仍然面臨難題，漁民出海、遠洋航行、山區林區作業尚無廉價而有效的通信手段。因此，通過自主創新，建立自主可控、安全和可持續發展的星座通信系統，已成為我國迫在眉睫的戰略需求。同時，星座通信系統需要有數十顆衛星聯合“作戰”，才能實現通信的全復蓋。因此，建立星座通信系統不僅投資巨大，而且技術難度大、風險性高。
面對巨大的國家需求和諸多現實困難，2010年10月，清華大學和信威集團聯合成立了“清華大學—信威通信空天信息網路技術聯合研究中心”（下稱“聯合中心”），啟動了“靈巧”研製工程。該工程以開展通信小衛星創新設計和低軌移動通信創新技術試驗為主要任務，實現星載智慧型天線、星上處理與交換、天地一體化組網、小衛星一體化集成設計等多項創新技術，為支撐發展星座通信系統打下基礎。
主要指標優於在軌的國際同類衛星
“這顆試驗衛星的研製難度極大。”據“靈巧”工程任務負責人、聯合中心主任陸建華介紹，通信小衛星一體化設計面臨複雜的電磁干擾、能源、結構、控制等一系列難題；智慧型天線技術套用於衛星在國內外尚無先例；從衛星發射任務確立到衛星出廠只有不到一年的時間，研製周期非常短。此外，從衛星設計、技術試驗、生產製造等各個環節的技術及計畫流程管理，都面臨很多挑戰。
為此，清華大學和信威集團組建了研發團隊，開展技術攻關。歷經4年，今年9月4日，“靈巧”在酒泉衛星發射中心成功搭載發射。之後，清華大學與信威通信聯合團隊又完成了靈巧通信試驗衛星工程任務。
10月21日，由第三方權威部門組織的專家完成了對“靈巧”的測試和鑑定。
鑑定結果顯示，“靈巧”的移動通信載荷可同時形成15個動態多波束，通信復蓋區直徑約2400公里；實現了復蓋區內衛星手持終端語音業務、數據業務和移動網際網路業務，主要指標優於國際上現有的低軌移動通信在軌衛星的最好水平。
據介紹，這次工程任務通過探索複雜機電磁環境下的通信小衛星設計方法、基於在軌大規模計算處理的空間智慧型通信方法、高集成度軟硬體協同設計方法，有效提升了通信小衛星的套用能力和性價比。靈巧通信試驗衛星大量採用工業級商用器件（占85.78%）和國產器件（75.95%），探索了自主可控的小衛星可持續發展之路。
2019年前後建成星座通信系統、為全球用戶服務
“ 靈巧 工程不僅出了一大批 硬 成果，也取得了寶貴的 軟 成果。”陸建華說，這個“軟”成果，就是高校與民營企業合作、產學研協同創新驅動衛星通信發展的新模式。
據介紹，清華大學聯合了多個相關院系，多學科交叉、與企業協同創新。該衛星、地面站及終端系統，將為清華大學相關學科的發展提供良好的教學科研平台，為空天信息交叉學科的可持續發展提供有力支撐。
同時，“ 靈巧 工程的成功實施，為民營企業參與航天事業發展探索了新的創新模式。”信威集團董事長王靖告訴記者，“這表明，在國家有關部門的大力支持下，中國的民營企業完全有能力在包括空天信息技術在內的航天事業中做出自己的貢獻。”
據透露，清華大學和信威集團力爭在三年左右完成“一箭四星”的發射任務，在2019年發射多顆低軌移動通信衛星，初步建成我國自主可控、可持續發展的星座通信系統。屆時，我國的星座通信系統將復蓋除南北極之外的全球各個角落，全世界消費者將能享受到不受地點和時間限制、質優價廉的全球通信和移動網際網路服務。
