自適應(yīng)天線陣列通過虛擬線路連接移動用戶，極大地改善了無線通訊。

我們每天都沉浸在射頻無線電波的海洋之中，看不見的電磁能有不同的源頭：廣播塔、蜂窩電話網(wǎng)和警察的無線通訊等等。這些輻射也許對人體無害，但它們會嚴(yán)重影響我們收發(fā)信息。過度的無線能量也是一種污染，因?yàn)樗鼘⑵茐挠杏玫耐ㄐ拧ｋS著電子通信的日益頻繁，無線電干擾也日漸嘈雜，我們環(huán)境中射頻干擾信號強(qiáng)度的增加，使我們必須加大無線信號的強(qiáng)度，才能在背景電磁噪聲中將有用信號區(qū)分開來。


解決這個問題的一種方案是采用新型的射頻天線，這種天線能夠極大地減少人為干擾。以蜂窩電話通訊為例，采用這種全新的天線后，我們無須采用對用戶的通話進(jìn)行全向廣播發(fā)送這種浪費(fèi)的方式，而代之以跟蹤移動用戶的位置并將無線信號直接發(fā)送給他。這種天線系統(tǒng)在使其他用戶受到的干擾最小化的同時，也使得目標(biāo)用戶的接受信號強(qiáng)度達(dá)到最大。實(shí)際上，這等同于給每個移動用戶建立了一條虛擬的有線連接。 這些系統(tǒng)通常被稱為智能天線，它們之中最智能的那種又被稱為自適應(yīng)天線陣列。1992年我和他人一起在美國加州圣荷賽創(chuàng)立了愛瑞公司，致力于開發(fā)能應(yīng)用于已有和新的無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)天線陣列。每個陣列包含了多達(dá)12根的天線以及一個強(qiáng)大的數(shù)字處理器（用于對輸入輸出信號的合并和處理）。朗訊、北電以及其他一些公司也都在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。我們的目標(biāo)都是降低成本和提高無線通訊的質(zhì)量。現(xiàn)在自適應(yīng)天線陣列已經(jīng)向數(shù)以百萬的蜂窩電話用戶提供這些好處。此外，由于非常適合大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，它們極有可能成為無線因特網(wǎng)的關(guān)鍵部分。

天線的物理學(xué)原理

要了解智能天線的工作原理，先要了解比較“笨拙”的普通天線。射頻天線將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電流和電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ú⒅l(fā)射出去，同時天線也能截取這些電磁波并將之轉(zhuǎn)化為接收機(jī)能處理的電流和電壓信號。最簡單最常用的天線是偶極子，它不過是特定長度的能向空間全向發(fā)射能量的豎桿而已，無線電波在空中傳播的過程中，強(qiáng)度逐漸減弱，并被空氣、樹木和建筑等障礙物吸收。 商用廣播和電視臺必須向地理分布上分散的用戶提供服務(wù)，自然要進(jìn)行全向廣播。而一次蜂窩電話通訊通常只針對一個用戶，在蜂窩網(wǎng)中，用戶和最近的基站進(jìn)行通信，在基站里有一套天線負(fù)責(zé)處理周圍區(qū)域（稱作小區(qū)）內(nèi)所有的無線業(yè)務(wù)信號。基站按照一定的規(guī)律設(shè)立，使整個覆蓋區(qū)域能劃分為多個小區(qū)；用戶從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時，系統(tǒng)能自動將通話切換到其他合適的基站。在這種情況下，如果能將無線能量集中到單個用戶身上，就像手電筒通過反射鏡將光線集中成束那樣，效率就會高得多。同樣的功率，集束的信號能比全向發(fā)射的信號，傳播到遠(yuǎn)得多的地方。基站向不同用戶發(fā)送的波束在空間上是分開的，這樣相互干擾也降低了。 反射器能把無線電波聚焦成束，但是它們實(shí)在是又笨重又昂貴。所以工程師們想出了許多不用反射器卻能產(chǎn)生無線波束的辦法。如果我們并排放置兩根天線，它們之間的距離是無線信號波長的一半，那么從上面看下去時，這個簡單陣列發(fā)射能量的方向圖就是8字型的。在垂直于陣列（即垂直于兩根天線之間的連線）的兩個方向，無線電波的傳送距離將達(dá)到最大，因?yàn)樵谶@兩個方向上用戶能同時收到兩根天線發(fā)送的信號（換句話說，就是兩個信號是同相的）。然而，在平行于陣列的方向上，用戶將接收到相位相差180度的兩股信號。兩股信號的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就產(chǎn)生了零區(qū)，在那里將檢測不到任何信號。

這種由兩根天線組成的天線陣列的波束是相當(dāng)寬的，而且它還將向兩個相反的方向發(fā)射。通過加入更多的天線，波束的寬度變得越來越窄。二戰(zhàn)以來，這種類型的相陣天線被用于雷達(dá)波束的聚焦。雖然天線數(shù)目的增加使得波束變得更窄，同時卻在主波束旁邊產(chǎn)生了更多的旁瓣。根據(jù)用戶方向的不同，波束信號既有可能比單天線發(fā)射的信號更強(qiáng)（“增益”），也有可能由于抵消效應(yīng)的存在變得比后者更弱（“損失”）。

波束的定向

如果不能指向特定的接收者，無線波束還是沒有多大用途。最顯而易見的解決方案就是移動天線陣列本身，但顯然這個辦法是笨拙和代價昂貴的。用電子的方法來操縱波束將簡便得多。通過一種叫波束切換的技術(shù)，天線陣列能產(chǎn)生一組相互有所交疊的波束，這些波束在一起就能覆蓋周圍的區(qū)域。當(dāng)一個蜂窩電話用戶進(jìn)行通話時，無線接收機(jī)首先確定從哪個波束方向來的用戶信號最強(qiáng)，然后陣列發(fā)射機(jī)就按照這個來波方向給用戶“回話”。如果用戶從原有波束走入另一個相鄰的波束，控制系統(tǒng)就自動將發(fā)射和接收都切換到那個新的波束。 然而波束切換在現(xiàn)實(shí)的無線通信環(huán)境中還是不能很好地工作。只有當(dāng)用戶處于波束正中央時，波束才是最有效的。正如離開手電筒的光線方向就會變暗一樣，一旦用戶離開波束中心，信號就會發(fā)生衰落。當(dāng)用戶靠近波束的最邊緣時，在系統(tǒng)將之切換到相鄰波束之前，信號強(qiáng)度會發(fā)生相當(dāng)大的衰落。如果另一方向上的某個用戶需要使用同一無線信道怎么辦？如果第二個用戶處于零場，還好不會給前一位用戶帶來干擾，但是一旦他處于某個旁瓣的中心，那么給他的信號將會阻塞或扭曲前一位用戶的信號。 波束切換系統(tǒng)的另一個問題是，實(shí)際上在幾乎所有的環(huán)境中，無線信號都很少沿著直接路徑進(jìn)行傳播。我們手機(jī)上接收到的信號通常是由多個反射信號合并而成的。反射體可能是自然或者人造的物體（建筑、山脈、汽車和樹木等等）。這些發(fā)射信號還在不停地變化，特別是那些由大型車輛（例如巴士）造成的。這種所謂的多徑現(xiàn)象也會影響從手機(jī)發(fā)送到基站的信號。在波束切換系統(tǒng)中，如果用戶靠近波束的邊緣，那么他或她所發(fā)送的信號有可能在到達(dá)天線陣列前就被反彈到其他波束中。在這種情況下，天線陣列就有可能發(fā)送錯誤的波束，用戶則可能完全得不到回應(yīng)的信號。 在實(shí)際應(yīng)用中，只有波束切換系統(tǒng)顯然是不夠的。一個真正智能的天線陣列應(yīng)該能直接給移動用戶一個波束，而不是選擇一個相對靠近用戶的波束。理想的天線陣列還必須能調(diào)整波束的方向圖，將來自同一頻段信道上其他用戶的干擾最小化。最后，這種天線陣列必須能根據(jù)用戶位置和反射的迅速變化做出快速反應(yīng)。這些都是為什么要引入自適應(yīng)天線陣列的原因。

優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用

與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，采用自適應(yīng)天線陣列的無線網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)點(diǎn)。對于同樣的功率，由于裝備有自適應(yīng)陣列的基站的覆蓋范圍比普通基站大得多，因而覆蓋同樣的區(qū)域，所需基站的數(shù)量也相應(yīng)減少。盡管自適應(yīng)陣列可能比傳統(tǒng)的天線更昂貴，但基站數(shù)目的減少能急劇降低設(shè)備和運(yùn)營無線網(wǎng)絡(luò)的成本。自適應(yīng)陣列使得蜂窩業(yè)務(wù)公司能更好地利用希缺的資源：分配給該公司的頻譜。許多蜂窩網(wǎng)絡(luò)正因用戶數(shù)目的增多而過載：在某些擁擠的區(qū)域，有時候同時迸發(fā)的信號量超過了系統(tǒng)中有限數(shù)目的無線信道所能承載的數(shù)量。當(dāng)通話掉話或者信號質(zhì)量下降時，用戶就能感受到這種緊張。由于自適應(yīng)陣列允許同一基站覆蓋范圍內(nèi)的一些用戶同時使用同一無線信道，因此就增加了頻譜的容量。相對于普通天線而言這種改進(jìn)是顯著的：對語音業(yè)務(wù)，配備有自適應(yīng)陣列的基站的用戶容量提高了6倍；對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這一數(shù)字更是高達(dá)40倍。采用自適應(yīng)天線陣列的結(jié)果是更好的服務(wù)和更少的干擾，除此之外還有較少的能量浪費(fèi)和射頻污染。

這樣，我們就不會為自適應(yīng)天線已經(jīng)獲得的商業(yè)應(yīng)用感到吃驚。在日本、中國、泰國以及亞洲和非洲的其他一些地區(qū)，已有超過15萬的基站裝備了使用愛瑞公司技術(shù)的天線陣列，為總計超過1500萬人提供電話服務(wù)。自適應(yīng)陣列在美國和歐洲的商業(yè)應(yīng)用進(jìn)展得相對比較緩慢，這要部分歸咎于電信業(yè)不景氣所導(dǎo)致的對蜂窩網(wǎng)絡(luò)新投資的削減。但是還是有一家美國制造商（佛羅里達(dá)州蒙特利爾的Airnet公司），正在生產(chǎn)使用愛瑞公司技術(shù)的蜂窩基站。同時英國的電信公司馬可尼也正在開發(fā)一種包含自適應(yīng)陣列的先進(jìn)基站。

自適應(yīng)陣列對無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而言也是一大福音。因?yàn)檫@種陣列能夠使干擾最小化，所以在給定的頻率范圍內(nèi)可以傳送和接收更多的數(shù)據(jù)。一個裝備有自適應(yīng)天線陣列的基站能同時為40位用戶提供速度高達(dá)每秒1M字節(jié)的數(shù)據(jù)服務(wù)，這大約是現(xiàn)有遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)典型數(shù)據(jù)率的20倍。在此類網(wǎng)絡(luò)中，并非所有的用戶都在同時要求獲得峰值數(shù)據(jù)率的服務(wù)，所以一個裝備自適應(yīng)天線陣列的基站可以為數(shù)千用戶提供服務(wù)。擁有便攜式電腦或其他便攜設(shè)備的用戶，就能在步行或開車通過服務(wù)區(qū)的同時保持對因特網(wǎng)的高速連接。

自從1990年代末，電信業(yè)就開始?xì)g呼無線因特網(wǎng)的到來。雖然新網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度并不像預(yù)期的那樣快，但還是在逐步取得進(jìn)展。隨著無線運(yùn)營商對3G網(wǎng)絡(luò)（能以包的形式傳遞數(shù)據(jù)的下一代蜂窩系統(tǒng)）的繼續(xù)追求，其他的公司也正在提供多種有競爭力的高速數(shù)據(jù)傳輸解決方案，其中有些解決方案就采用了智能天線并能在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中使用。一個采用了愛瑞公司技術(shù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正在澳大利亞悉尼運(yùn)營著，類似的網(wǎng)絡(luò)很快將在美國和韓國建立。美國德州Navini NetWork公司開發(fā)的自適應(yīng)陣列，正在接受一些無線運(yùn)營商的測試。一些大型電信設(shè)備執(zhí)制造也準(zhǔn)備在它們的下一代產(chǎn)品中采用智能天線技術(shù)。

在貝爾發(fā)明電話之后的近100年中，語音通訊始終依賴于呼叫者和網(wǎng)絡(luò)間的物理鏈接（銅線或者同軸電纜）。只是在過去的30年里，蜂窩電話才開始讓我們享受到一些無線通訊的自由。有了自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，終有一天無線運(yùn)營商能以更低廉的價格提供比有線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更好的服務(wù)。到那時，我們就從金屬銅的牢籠中解放出來了。