擁有固定波束和自適應天線陣的智能天線能夠為WLAN（無線局域網）提供范圍擴大、多徑分集、干擾抑制和增加的容量等功能。

隨著基于IEEE 802.11b（Wi-Fi）標準的廉價的、每秒速度達11MB的高性能產品的深入普及，WLAN已經成為家庭和企業不可分割的一部分。僅舉幾個例子：無論你在家里、辦公室、機場、火車上和零售商店中，到處都有可以接入WLAN的接入點。

WLAN爆炸式增長

WLAN技術爆炸式增長的原因在于那些目前可以買得到的使用方便的設備。廠商直接把Wi-Fi技術作為便攜式計算機和通信器等產品的標準配置也推動了WLAN技術的增長。無數的報告詳細介紹了WLAN和Wi-Fi的增長，所有的跡象都表明要繼續推進移動性和無線連接性的發展。

然而，盡管WLAN看起來無處不在并且非常現實，但是，許多因素限制了無線通信系統的性能和容量。這些因素包括：有限的頻譜、時延擴展、同信道干擾和多徑衰減。這些因素將導致最終用戶會遇到整個音域的服務質量問題，包括從根本就沒有聲音到極快的傳輸速度等許多問題。最終用戶可以在距離接入點很遠的地方使用這個技術，可以在一個墻的后面、在一個“死角”或者使用一臺筆記本電腦工作。事實上，網絡管理員經常會發現WLAN在實際應用時往往達不到預期的傳輸距離。

市場營銷資料往往都是根據廠商在理想環境中的技術規范編寫的。例如，一家廠商可能會指出，這個無線系統的傳輸距離是300英尺。然而，正如常識顯示的那樣，墻壁、桌子和文件柜等障礙物都可以減少無線通信在某個方向的傳輸距離，使無線通信在一些方向的覆蓋范圍不一致。

智能天線來解決問題

為了解決這個問題，克服老式產品中缺陷的一個技術就是采用一種新的劃算的智能天線技術。智能天線能夠壓制干擾信號、抗信號衰減和提高信號傳輸距離，從而提高無線系統的性能和容量。雖然智能天線改善了WLAN的性能，但是，各種空間處理技術在各種類型的系統中有不同的優勢和劣勢，因此，全面了解各項技術是非常重要的。

智能天線一般定義為多波束天線或自適應陣天線，能夠跟蹤用戶在環境中的移動，還能夠跟蹤環境的變化。

多波束天線--多波束（相位陣列）天線組成幾個窄波束并且使用波束選擇器選擇向信號功率最強的接收方傳輸波束。

自適應天線陣--這種信號由幾個天線單元接收，每一個單元都采用相同的天線模式，接收的信號經過加權和結合在一起之后組成輸出的信號。

多波束天線的應用比較簡單，因為波束成形器是固定的。這樣，波束選擇每隔幾秒鐘才需要進行一次以便解釋用戶的移動，而自適應天線陣必須計算復雜的波束成形加權，計算速度之快至少要超過信號的衰減率。這就意味著每個普通用戶僅占用幾赫茲的頻率。

這兩種智能天線都能夠通過提供更高的天線增益顯著地改善無線系統的性能。這兩種技術的關鍵區別在于多波束天線僅在視距系統中提供M（本文中的“M”是指天線單元或者智能天線中波束的數量）增益。在非視距系統中，例如在室內環境或者具有很多多路徑戶外環境中，接收的信號可以通過許多路徑和角度到達。因此，這種信號能量也許不是集中在一個波束。于是，增益將減少。

然而，自適應天線陣無論在什么環境（視距或者多路徑）下都能夠達到全面的M增益。自適應天線陣還提供M倍的分集增益（本文將詳細介紹這個問題）以緩解多路徑衰竭的影響。多波束天線不能提供這種好處。最后，通過在發射機和接收機上都使用M自適應天線，MIMO（多入多出）技術還可以用來將數據數率提高M倍。這是為下一代WLAN的IEEE 802.11n標準提出的建議。在這個提議的標準中，很可能讓兩個或者兩個以上的收發天線與MIMO技術一起使用以提供每秒100MB以上的數據傳輸速率（某些802.11n建議考慮數據數率超過每秒500MB）。

自適應天線陣的益處

對于為多徑衰落提供分集增益的自適應天線陣來說，每個天線單元的衰落應該是接近獨立的。然而，各個天線衰落的相關性在性能下降超過1dB之前最高可達0.7dB。實際上，這種相關性能夠很容易地保持在這個水平之下，可采取如下分集措施：

·空間分集--將天線從空間上隔開。在一個嚴格的多經環境中，例如在室內和手機附近，僅需要 λ/4的空間就可獲得低衰落相關性。

·極化分集--使用雙極化（水平和垂直）能夠讓一個物理天線用于雙信號輸入（每一個極使用不同的傳輸方式）。

·方向圖分集--使用配置方向圖的天線單元。

這三種分集方式的結合能夠允許在PCMCIA卡或者手機等小型設備上使用大量的天線，而且性能比較理想。

自適應天線陣還有很多技術組合。最簡單和最普通的（多數用于802.11b系統，許多用于802.11a/g系統）組合是選擇分集。在這里，可選擇信號接收能力最強的天線用于輸出的信號。目前，這種技術應用于許多WLAN接收機中。然而，這個技術不使用全部的接收的信號功率，因此，在改善一個天線的分貝增益方面的作用是有限的。

用于增加信號傳輸距離和提高覆蓋均勻度的最佳技術是MRC（最高比結合）。使用這種技術，每一個天線的信號都要經過加權處理并且合并在一起以便最大限度地提高輸出信噪比。然后，這種波束賦形加權將是信道傳輸特點的復雜的結合。也就是說，接收的信號是同相位的，信號增益要根據接收到的信號的強度進行調整。這個技術能在瑞利衰減（Rayleigh fading）環境中以M分集增益的方式提供M增益。需要指出的是，產生這種波束賦形加權的一個方法是簡單地把輸出信號與每個天線接收的信號關聯起來。這種方法也被稱作盲技術，因為自適應天線陣基本上把接收到的全部信號的信噪比都提高到最大的程度。這個好處是同樣的波束成形器能夠用于任何類型的無線信號，如802.11b/g/a，而且不需要對接收到的信號進行解調。

在多徑環境中，當發射機和接收機之間各種路徑上出現的傳播延遲的差異相當于符號周期的時候，頻率選擇性衰落將導致符號間干擾，從而降低性能。為了克服這種損失，一般可以使用暫時均衡或者正交頻分復用（OFDM）技術。這兩種技術已經以不同的方式在802.11設備中應用了。在這種情況下，空間處理（也就是以前所說的自適應天線陣）之后的暫時均衡和OFDM調制并不是最佳方案。要得到最佳性能，需要聯合使用空間-暫時處理的方法。不過，如果延遲擴散的范圍很小，使用前面提到的技術通常也可以達到接近最佳的性能。

模擬或者數字處理智能天線的加權與結合以及加權的形成可以通過模擬或者數字處理的方式實現。對于數字處理，每一個天線接收的模擬信號都要降頻轉換到基帶上，然后再轉換成數字信號。接下來使用數字化的信號計算加權，這些數字信號將被結合在一起以生成用于信號調制的數字輸出信號。

使用模擬處理，接收到的RF（射頻）信號將被加權（也就是相位轉換和增益調整），然后在RF頻道中結合在一起產生一個RF輸出信號。在這種情況下，通過把降頻轉換到基帶上的信號與輸出信號關聯起來能夠計算出這種加權。這種關聯采用模擬方式或者模擬-數字方式以及數字電路的方式都可以實現。需要指出的是，為加權和結合進行的數字信號處理比模擬信號處理更容易。但是，需要若干臺價格昂貴的模擬-數字轉換器。為加權處理實施的數字處理也很容易進行，但是，在加權計算中有延遲時間較長的問題。

智能天線應用的方法

目前802.11的三個物理層標準是802.11b、802.11g和802.11a。所有這三種技術都使用時分雙工技術。這種技術是同一個頻率既用于傳輸也用于接收。

要在802.11技術中采用智能天線，一個方法是完全重新設計802.11收發器，讓智能天線處理成為這種收發器的組成部分。這種方法能夠使若干天線得到優化的性能改善，以及得到優化的設計。不利的因素是，這種方法有下列潛在的缺陷：

·可能需要重新設計--每一家芯片廠商都可能需要進行重大的重新設計工作，而且在芯片制作完成之前還不能完全確定是否得到了理想的增益。

·大范圍增加成本--重新設計會大范圍增加用于智能天線增益的802.11芯片組的成本。而所有的用戶也許不會認同這個價值。在一個價格敏感的市場，任何非物有所值的提高成本都會導致銷售失敗，失去消費者的購買。消費者也許不完全了解或者不明白他們是否需要智能天線的增益。消費者只是根據價格購買產品。為了避開這種風險，芯片廠商可以生產兩種版本的芯片：一種芯片有智能天線功能，一種芯片沒有智能天線功能。如果芯片廠商生產這兩種版本的芯片沒有把產量提高一倍，芯片廠商就會有失去價格優勢的風險，因為價格優勢來自于產量。產量是半導體經濟成功的關鍵。

為消費者提供的無線系統替代產品--已經購買了沒有智能天線的WLAN產品后來又發現自己需要這種功能的消費者可能需要更換他們的接入點和客戶卡，或者兩者全部更換。

智能天線對于改善WLAN性能的好處是非常明顯的。因此，找到一種劃算的方法把智能天線集成到WLAN中是非常重要的。把智能天線用于802.11系統中的更好的方法是采用信號轉換附加器。這種信號轉換附加器能夠在802.11標準之內無縫增強智能天線的功能。這種方法能夠向現有的收發器芯片提供更好的RF信號，而收發器只需要做很小的修改，或者不需要修改。

這種信號轉換附加器（使用四個天線）的應用實例見圖2。這種信號轉換附加器接收來自這個接收天線的4個信號，然后把這些信號結合在一起生成一個傳輸給接收機的輸入信號。接下來，這個信號轉換附加器連接到在天線端口的現有的收發器以提供更好的接收的信號，并且更有效地傳輸信號。

正如上面討論的那樣，智能天線應該是一個自適應性天線陣，而不是一種多波束天線。因此，一個天線陣增益（4個天線6dB）在所有的環境中以及在多徑環境的分集增益中都可以實現。任何類型的分集天線都可以同這種系統一起使用。例如，4個天線可以在現有的PCMCIA卡（這種卡目前一般使用2個天線）上組成兩個雙極化天線。由于智能天線的好處是能夠增加單個天線本身的性能，因此，4個物理天線可以是任何類型的和具有任何性能。

用于信號轉換附加器的一個技術是盲MRC（最高比結合）。這種技術可用于802.11b、802.11g和802.11a。只要在收到信號之后在2 μs之內按照這種算法計算出加權就可以了，因為這是在802.11a/g網絡中分配給天線選擇的時間。這種短暫的加權獲取時間需要使用模擬處理。

重要的是需要指出，在信號轉換附加器中使用模擬處理意味著只有空間處理是可行的。這將導致在數字時空處理方面出現時延擴展的性能降低問題，但是，這種性能降低即使在有嚴重的時延擴展的室內環境中一般也只有幾分貝。使用成本較低的模擬處理意味著有可能使用更多的天線（性能更高的天線）。

雙向性能問題

因為802.11使用時分雙工，如果同一個天線用于傳輸和接收信號，具有同樣的加權，只要有一臺設備中有信號轉換附加器，就能夠在兩個方向都獲得同樣的性能。惟一的要求是頻道不能在接收和傳輸之間變化，每個接收機鏈以及發射機鏈的相對延遲和增益必須是相同的。然而，由于傳輸功率放大器有最大功率限制，在這種限制之下，使用僅用于接收加權的相位就可以達到最佳性能。這種類型的信號轉換附加器是完全符合標準的，在客戶端或者接入點的任何一點采用這種方法都可以改善任何802.11系統的性能。

信號轉換附加器以接收模式運行，在檢測到接收的信號之前調整加權（這時候，加權將被凍結，以便把加權功能對收發器的影響減到最小）。當檢測到數據包的結尾時，加權恢復調整。當檢測到來自收發器的傳輸信號時，接收機將關閉，發射機將打開。

雖然使用的傳輸加權應該是采用單個客戶卡和接入點計算的最后接收加權，但是，在多個客戶的情況下一般都不是這樣。

在這種情況下，需要用MAC信息識別誰傳輸的那個已經計算了加權的信號，并且識別出這個傳輸的信號是發給誰的（也就是說使用了什么加權）。這需要一個加權表以及來自收發器的控制信號。在接入點（沒有電池壽命問題的接入點）的一種替代的方法是使用一個旁路功率放大器，其信號天線傳輸足夠的功率以補償智能天線（較低的客戶傳輸功率）的接收增益。在這種情況下，上行鏈路和下行鏈路能夠提供同樣的傳輸距離（盡管沒有多路徑削減和存在來自接入點的較高的干擾）。

結語

總之，智能天線技術給WLAN帶來的好處能夠迅速融入現有的和未來的采用信號轉換附加器的產品中。擁有一個信號轉換附加器，智能天線投資可以保證全面兼容802.11標準，兼容任何收發器芯片組，實際上可以達到“即插即用”并且可用于訪問接入點和客戶設備。一旦準備就緒，智能天線技術能把傳輸距離提高4倍，數據吞吐量提高100%以上，消除死角和把傳輸過程中的功率消耗減少90%。

把智能天線和信號轉換附加器結合在一起能夠讓你更省錢，效率更高，幫助你把產品更快地推向市場并且為你的客戶提供他們希望WLAN能夠給他們帶來的性能和距離。