谈智能天线在移动通信中的应用

　　 论文关键词：智能天线　移动通信　容量　覆盖
　　论文摘要：介绍了智能天线的基本原理、实现方法及其在移动通信中的应用。
　　最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。近年来,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,智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。此外,随着移动用户数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。经研究发现,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。
　　1　智能天线的基本原理
　　智能天线包括多波束天线阵列和自适应天线阵列,后者是智能天线的主要形式。智能天线技术主要基于自适应天线阵列原理,天线阵收到信号后,通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统,根据一定的算法分析该信号,判断信号及干扰到达的方位角度,将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号,调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向,产生多个独立的波束,自适应地调整其方向图,跟踪信号变化,对干扰方向调零,减弱甚至抵消干扰,从而提高接收信号的载干比,改善无线网基站覆盖质量,增加系统容量。
　　基站使用智能天线,可为用户提供窄定向波束,在一定的方向区域内收发信号。这样既充分利用信号发射功率,又可降低发射信号带来的电磁干扰。智能天线引入空分多址(SDMA)方式,根据信号的空间传播方向不同,区分用户。
　　2　智能天线的实现
　　智能天线阵系统主要包括天线阵列、自适应处理器和波束形成网络。天线阵列是收发射频信号的辐射单元。自适应处理器把有一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度和相位,提供给各辐射单元,用来确定波束形成网络各部分方向图的增益。波束形成网络利用天线阵元产生的方向图,实现智能天线的各种应用。
　　自适应处理器产生的各支路幅度和相位调整系数,是波束形成网络工作的重要依据。自适应处理器包括信号处理器和自适应算法器。信号处理器根据所需进行的信号处理,自适应算法器根据均方误差、信噪比、输出噪声功率等性能量度,用适当的算法调整方向图,形成网络的加权系数,使智能天线阵系统性能达到最优化。
　　最初的智能天线采用复杂的模拟电路,如今采用数字波束形成(DBF)方式,用软件完成算法更新,也可采用数模相结合的处理方法,既保证处理精度,又保证处理速度及灵活性。此外,为了使智能天线具有良好性能,应根据具体的电波传播环境,选择相应的智能算法。采用软件无线电技术使系统具有良好的改善能力,提高系统性能。为了尽量减少对现有系统的改动,也可使用多波束智能天线。多波束天线利用多个指向固定的波束覆盖全方向,虽然不能实现信号最佳接收,但结构简单,便于实现,且无需判定所接收信号的方向。
　　3　智能天线在移动通信中的用途
　　(1)抗衰落
　　在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速,且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。
　　(2)抗干扰
　　用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FD-MA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。
　　(3)增加系统容量
　　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,用多波束板状天线代替普通天线。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,毋需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。
　　未来的智能天线应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容量。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情况下,将基站配置成全向连接,大幅度提高基站容量。
　　当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统,但部分省市模拟系统占用了CDMA频段,必须采用清频手段解决此问题。使用智能天线,可大大改善模拟系统小区复用方式,增加模拟系统容量,即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏,为CDMA系统留出频段。
　　(4)实现移动台定位
　　目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。
　　在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。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。
　　4　智能天线的应用
　　(1)用于FDMA系统
　　据研究,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。
　　(2)用于TDMA系统
　　无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高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。
(3)用于CDMA系统
　　在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,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/更软切换控制;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。
　　(4)用于无线本地环路系统
　　在无线本地环路系统中,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。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。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。
　　(5)用于DECT、PHS等系统
　　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。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建设“移动市话”,期望与蜂窝移动网争夺本地移动用户群。由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。
　　(6)用于第三代移动通信
　　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。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。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。
　　5　智能天线技术的研究动向
　　我国早已将研究智能天线技术列入了国家863-317通信技术主题研究中的个人通信技术分项,许多专家及大学正在进行相关的研究。中国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术,广泛采用了智能天线和软件无线电技术。作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果,足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的。
　　欧洲在进行了基于DECT基站的智能天线技术研究后,继续进行诸如最优波束形成算法、系统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件天线概念,即用户所处环境不同,影响系统性能的主要因素亦不同,可通过软件采用相应的算法。
　　美国的Metawave公司对用于FDMA、CD-MA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发;ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统;美国德州大学建立了智能天线试验环境;加拿大McMaster大学也对算法进行了研究。
　　当前对智能天线的研究包括智能天线的接收准则及自适应算法;宽带信号波束的高速波束成形处理;用于移动台的智能天线技术;智能天线实现中的硬件技术;智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。
　　通过智能天线进行空分多址,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。
　　传统的全向或者定向天线效果并不理想,主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知识,尽管可以在系统建成后,采取某些优化措施改进系统性能,但由于种种原因,这种优化的余地不大,而且工程量很大。与之相比,智能天线的优越性在于自身可以分析到达天线阵列的信号,灵活、优化地使用波束,减少干扰和被干扰的机会。这就是自适应天线阵列的智能化,它体现了自适应、自优化和自选择的概念,对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。