淺談移動(dòng)通信中的智能天線技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例

1、淺談移動(dòng)通信中的智能天線技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例    【摘 要】本文淺述了移動(dòng)通信中傳統(tǒng)天線的局限性、多波束智能天線的基本情況、自適應(yīng)天線陣、智能天線的發(fā)展概況及智能天線的應(yīng)用實(shí)例，并簡(jiǎn)述了它們?cè)谌粘＞S護(hù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用。 【關(guān)鍵詞】移動(dòng)通信；智能天線 1.傳統(tǒng)天線的局限性 近年來(lái)，隨著通信需求的不斷發(fā)展，智能天線技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它幫助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商達(dá)到了2個(gè)極具價(jià)值的目的：提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。在GPRS、EDGE和3G網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。與話音業(yè)務(wù)一樣，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要達(dá)到規(guī)定的傳輸速率同樣需要一定質(zhì)

2、量的無(wú)線信號(hào)，這就取決于網(wǎng)絡(luò)的載干比（C/I）。載干比過(guò)低將嚴(yán)重影響傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量；而在GSM網(wǎng)絡(luò)的中后期，系統(tǒng)容量不斷增加，小區(qū)不斷分裂，而隨之增加的干擾則阻礙了系統(tǒng)容量的進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)的全向天線和定向天線已不能滿足需要。智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有效的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收，充分利用信號(hào)的有效發(fā)射功率，降低信號(hào)全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染和相互干擾，從而提高了載干比，而載干比提高了，就可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的網(wǎng)絡(luò)容量。 干擾是蜂窩系統(tǒng)性能和容量限制的重要因素，它引起串音、通話丟失或通話信號(hào)跌落并使用戶心煩意亂，最重要的是干

3、擾限制了經(jīng)營(yíng)商可復(fù)用頻率的緊密度，因此也限制了從固定射頻頻譜中提取通信承載容量的程度。干擾可來(lái)自另一移動(dòng)終端、在同一頻率工作的其它蜂窩站址、或泄入分配頻譜的帶外射頻能量。蜂窩干擾最通常的種類有同信道干擾和相鄰信道干擾。同信道干擾是由使用同一頻率的非相鄰蜂窩的發(fā)射引起的。這種干擾在接近蜂窩邊界時(shí)最明顯，此時(shí)與使用相同頻率的鄰近蜂窩的物理分隔處于最低程度。相鄰信道干擾是由使用相鄰頻率的鄰近蜂窩對(duì)用戶信道的漏泄而造成的。在相鄰信道，用戶在極靠近電話用戶接收機(jī)處工作時(shí)，或者用戶信號(hào)大大弱于相鄰信道用戶的信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。載干比是通話質(zhì)量的重要標(biāo)志，對(duì)用戶而言，較高的C/I比就是較低的干擾、更少的掉

4、話以及改善的音頻質(zhì)量；對(duì)經(jīng)營(yíng)商而言，較高的C/I比可以使信號(hào)距離延伸以及采用更為緊密的頻率復(fù)用方式，因此增加了整個(gè)系統(tǒng)的容量。 2.多波束智能天線 在介紹智能天線前，先簡(jiǎn)單介紹下空間分集接受技術(shù)，有利于理解。 由于傳播環(huán)境的惡劣，無(wú)線信號(hào)會(huì)產(chǎn)生深度衰落和多普勒頻移等，使接收電平下降到熱噪聲電平附近，相位亦隨時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。對(duì)此，我們可以采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。分集天線有空間分集、方向分集、極化分集和場(chǎng)成分分集等?？臻g分集是利用多副接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d/2（為工作

5、波長(zhǎng)），以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)，如圖1所示。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。該技術(shù)在模擬頻分移動(dòng)通信系統(tǒng)（FDMA）、數(shù)字時(shí)分系統(tǒng)（TDMA）及碼分系統(tǒng)（CDMA）中都有應(yīng)用。 智能天線是一個(gè)天線陣列，如圖2所示。它由N個(gè)天線單元組成，每個(gè)天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，智能天線可以分為2類：多波束

6、天線和自適應(yīng)天線陣。 多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度隨陣元數(shù)目而定。隨著用戶在小區(qū)中的移動(dòng)，基站相應(yīng)選擇不同的波束，使接收信號(hào)最強(qiáng)。但是由于它的波束不是任意指向的，而只能對(duì)當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配。當(dāng)用戶不在固定波束的中心處，而處于波束邊緣時(shí)，且干擾信號(hào)處于波束中心時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收。但與自適應(yīng)天線陣相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判斷用戶信號(hào)到達(dá)方向以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。更主要的是，上行鏈路的同一波束也可用于下行鏈路，從而在下行鏈路上也能提供增益。但是由于扇形失真，如波束間方向圖的區(qū)別，多波束天線獲得的增益與角度成非均勻

7、分布。它在波束間的區(qū)別有時(shí)會(huì)達(dá)到2dB，還有可能由于多徑或干擾的影響，它們鎖定在錯(cuò)誤的波束上，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法抑制和有用信號(hào)處在同一波束內(nèi)的干擾信號(hào)。多波束天線又稱波束切換天線，實(shí)際上我們可將其看作是介于扇形定向天線與全自適應(yīng)天線間的一種技術(shù)。多波束天線中值得研究的有以下內(nèi)容：如何劃分空域，即確定波束的問(wèn)題，包括數(shù)目和形狀；挑選波束的準(zhǔn)則；波束跟蹤的實(shí)現(xiàn)，主要指的是實(shí)現(xiàn)快速搜索算法等；切換波束與自適應(yīng)波束成型的理論關(guān)系等。 3.自適應(yīng)天線陣 自適應(yīng)天線陣（Adaptive Antenna Array），最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事方面，主要用來(lái)完成空間濾波和定位，如相控陣?yán)走_(dá)就是一種較簡(jiǎn)單的自適應(yīng)天

8、線陣。自適應(yīng)天線是通過(guò)反饋控制方式連續(xù)調(diào)整本身方向圖的天線陣，其方向圖與變形蟲(chóng)相似，沒(méi)有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。一般采用416個(gè)天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1/2波長(zhǎng)，間距過(guò)大則各接收信號(hào)相關(guān)程度降低，間距過(guò)小則會(huì)在方向圖形成不必要的副瓣。智能天線采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束，提供空間信道。由于自適應(yīng)天線能形成不同的天線方向圖，并且可以用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新，自適應(yīng)地調(diào)整方向圖，可以在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下，增加系統(tǒng)靈活性，所以又被稱為軟件天線。自適應(yīng)天線陣的缺點(diǎn)是算法較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢 自適應(yīng)天線研究的核心是自適應(yīng)算法，目前

9、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。非盲算法是指需借助參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則，比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則（Zero Forcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無(wú)需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋算法（Decision Feedback）是一類較特殊的盲算法，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信

10、號(hào)間有較小差錯(cuò)。盲算法一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見(jiàn)的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非盲算法相對(duì)盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源，將兩者結(jié)合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做一方面可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻符不會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。 需要注意的是，智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，但當(dāng)用戶沒(méi)有發(fā)射，僅處于接收狀態(tài)時(shí)，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)（空閑狀態(tài)），基站是不可能知道該

11、用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射（如系統(tǒng)中的同步、廣播、尋呼等物理信道），即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來(lái)，對(duì)全向信道來(lái)說(shuō)，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。 4.智能天線的應(yīng)用實(shí)例 目前已經(jīng)有一些智能天線投入了商用，如上海聯(lián)通使用了美國(guó)Metawave公司的SpotLight GSM智能天線系統(tǒng)，取得了良好的效果。SpotLight GSM天線屬于多波束智能天線，它用4個(gè)30°天線代替一個(gè)120°扇面天線。系統(tǒng)依靠專利的最佳波束選擇算法轉(zhuǎn)換發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時(shí)隙在一指定的30°波束內(nèi)而不是整個(gè)120°

12、扇面中作下行線發(fā)射，所以同信道干擾在鄰近蜂窩中大大減少。同樣，對(duì)接收同信道干擾的開(kāi)放波束也有效地從120°減到30°。這樣，相對(duì)于單一120°扇面天線，30°天線有效地降低了4倍的同信道干擾，理論上相當(dāng)于6dB的C/I改善。這個(gè)增益使得通信信道的上行（手機(jī)-基站）和下行（基站-手機(jī)）都得到了改善。在上行方面，安裝了智能天線系統(tǒng)的小區(qū)的載干比得到了增加；而在下行方面，原有的那些可視范圍內(nèi)的同頻小區(qū)的載干比得到了增加。如果要保持原有的C/I值，則可以采用更密集的頻率復(fù)用方式，從而提高了系統(tǒng)容量。SpotLight GSM執(zhí)行波束轉(zhuǎn)換，無(wú)須與基站的額外通信，所

13、以SpotLight GSM系統(tǒng)的安裝不增加基站通信負(fù)荷。事實(shí)上，由于無(wú)效試呼以及干擾或不良覆蓋引起的重?fù)軠p少，基站處理器的負(fù)荷也降低了。此外，在測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)在使用了智能天線的小區(qū)中，不僅小區(qū)中的網(wǎng)絡(luò)容量和質(zhì)量都得到有效地提高，小區(qū)中手機(jī)的平均接收功率和發(fā)射功率都下降了23dB，尤其是手機(jī)的發(fā)射功率，下降為原來(lái)的54%，而手機(jī)以滿功率發(fā)射的比率也從22%下降到8%。SpotLight GSM智能天線通過(guò)降低手機(jī)的收發(fā)功率減少了手機(jī)電磁波對(duì)人體的輻射，并通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)量，減少了小區(qū)中所需建立的新基站，因此有“綠色天線”之美稱。 5.總結(jié) 天線作為移動(dòng)通信的重要組成部分，在提高網(wǎng)絡(luò)性能、改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面起著巨大的作用。近年的智能天線更是代表了移動(dòng)通信天線技術(shù)的發(fā)展方向，它已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，但在加快波束賦型響應(yīng)速度及切換等方面還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)： 1W.C.Y.Lee.移動(dòng)蜂窩通訊/模擬和數(shù)字系統(tǒng)M.電子工業(yè)出版社，1996. 2趙榮