淺談智能天線技術

2019-11-03 09:15:55

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供稿：網友

王鳳梧

　　隨著移動用戶數量的快速增加，尤其在我國人口密度較大的城市地區，移動業務運營公司和頻率資源管理部門將面臨頻率資源短缺的巨大挑戰，頻率資源已經成為制約繼續發展的瓶頸，而隨著用戶數量的不斷增加，這個問題會演變得愈來愈嚴重。面對挑戰，人們提出了不同的解決方案，得到比較廣泛認可的有兩種方法：一是移動運營公司調整基礎網絡的構成，增加基站數量和小區數量。這種方法需要相對巨大的基建投資，同時帶來的干擾問題也比較突出；二是擴大頻譜帶寬，這種方法需要較高的頻率資源成本，況且頻率資源是有限的，頻譜帶寬不可能無限擴展。基于這樣的現實，智能無線技術也就應運而生了。智能無線技術最大的好處就是可以大大增加現有無線網絡的容量，且所需的經濟成本比較合理。

　　1．基本原理

　　智能無線技術的基本原理是使用自適應天線陣列系統，優化空中無線接口的容量，從而擴大基站覆蓋范圍，提高信號質量。此外，也可以利用波束切換（switchedbeam)技術和扇區整形(sectorshaping)技術。自適應天線陣列系統的設計目的就是要克服傳統的蜂窩系統的最大弱點：蜂窩系統需要盡可能保持全向信號的覆蓋模式。因為傳統的基站以全向方式發布射頻廣播信號，這樣原始射頻信號的能量只有很少一部分能夠到達所要尋找的用戶，射頻廣播信號的大部分能量都浪費了，更糟糕的情況是，可能形成干擾信號，減弱其他用戶的信號質量。當網絡容量不斷擴大，用戶數量增加，用戶間的干擾也會增加，信干比不斷劣化，直至引發掉話現象。在這種情況下，單純提高信號的傳輸功率，會得到事與愿違的效果，因為發射功率增高同時也使相應的干擾增加。那么，是否能夠將發射功率的能量盡可能地集中發射到所要尋找的用戶呢？自適應天線陣列系統就是一個選擇。通常自適應天線陣列系統包含4－8個天線，利用無線資源管理算法控制發射射頻信號能量，動態地集中發射給所要尋找的用戶，同時避免射頻信號干擾網絡中的其他用戶，這樣就大大提高了信干比。

　　2．頻域、時間和空間

　　自適應智能無線技術利用了空分復用接入(spatial division multiple access) 技術。就是說，同一小區內的用戶處于相當鄰近的狀態時，也能使用相同的頻率資源和時間資源，自適應智能無線技術使基站能夠與用戶建立獨立的虛擬天線連接，生成即時定義的空域信道。使用空域信道，原來定義的處于特定時域內某一頻率上的無線信道可以在本小區內再多次利用，結果，大大提高了小區的容量。由于數字信號處理器(DSP)芯片的性價比在不斷提高，這種空分的信道復用接入技術具有很好的經濟性。業界專家普遍認為這種空分復用接入技術是提高無線信道性能的好方法。還有很重要的一點需注意，空分復用接入技術與廣泛使用的CDMA和TDMA復用接入技術是兼容的，網絡系統可以獲得不同的接入技術帶來的好處。

　　3．智能無線技術的優點

　　讓我們分別從運營公司，用戶和頻譜資源管理部門的角度看看智能無線技術的優點。對運營公司的最大好處是提高無線網絡的容量。原因上面已經講過，采用空分接入技術減少了用戶間的互相干擾。在日本，可以看到很多這方面的實例，有的運營公司采用了這項技術，網絡容量甚至提高了六倍；這一技術同樣也適用于3G網絡，在某些國家的WCDMA 網絡中，利用智能無線技術將城區的無線網絡容量提高了3倍，在郊區甚至提高了6倍。提高無線網絡容量對運營公司重要，對我國尤其重要，因為我國大城市的人口密度一般都很高。在提高無線網絡容量的同時，覆蓋范圍也有相應的改善。由于使用了智能無線技術，提高了小區的信號質量，減少了鄰近小區的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。根據試驗數據，如果在WCDMA系統中使用智能無線技術，城區覆蓋范圍可以擴大1倍，郊區擴大了3倍。智能無線技術的干擾緩解機制還有好處：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶終端，基站和用戶終端僅僅需要較小的發射功率就能夠達到同樣的信號質量水平。盡管智能無線技術要求配置多個天線，因此增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發射功率有較大的減少，功放器的單價大大下降；由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高昂，所以使用多個低功率放大器反而大大節約了投資，同時還提高了整個功放子系統的可靠性。

　　新技術還會改善公司的財務狀況，網絡容量增加，覆蓋范圍改善，發射功率減小，干擾減小，你為用戶提供了超值服務，用戶滿意有助于實現企業的利潤最大化。網絡性能好也是服務的特色，是創造更多業務收入的重要因素。另外，使用智能無線技術，達到同樣的覆蓋范圍只需較少的小區站址，降低了基建費用。根據空中接口的實際情況，有些移動運營公司甚至做到了減少70％的基站設置，極大地節省了基建投資；基站減少了，調整基站覆蓋范圍，網絡優化等技術工作量大大減少，網絡建設周期縮短，又加快了基建投資的回收速度。對普通用戶的好處是通信質量提高。各小區容量增加，通信中的掉話幾率減少，網絡忙信號減少，話音質量改善，數據傳輸速率也得到提高。智能無線技術不要求高發射功率，手機電池重量減輕。對政府部門，全世界都面臨頻率資源緊張的挑戰。智能無線技術提供了一種復用頻譜容量，優化利用頻率資源的手段，可能有助于解決人口密度高的大城市中無線頻率資源緊張與容量要求的矛盾。

　　4．實現方法

　　在蜂窩網絡建設的初期，提供最大覆蓋范圍是一個基本要求，并且實現最大覆蓋范圍的解決方案還應該有足夠的靈活性，在網絡容量增長時滿足容量的需求。4路上行分集和每條路徑下行分集就是一種比較成熟的智能無線技術。4路上行分集允許基站接收機高效利用收到的多路徑信號，再加上空間分集和極化分集的使用，進一步改善接收性能，實現最佳的覆蓋。4路上行信號可以來自于4個單獨的天線，或2個雙極化天線，或1個智能天線（內置4個天線單元）。采用此方法，平均增益比2路分集會提高2.5-3dB,大大改善了基站的覆蓋范圍，網絡建設的站址數量減少30％。

　　在使用上行分集的同時，如果實施下行分集就可以提高網絡容量。有關下行分集，3GPP也定義了開環和閉環下行分集方法。這樣算下來，估計容量增益會提高75％。

----《通信世界》