智能天線在3G以及beyond3G中的應(yīng)用

2019-11-03 09:16:19

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

段勇楊大成

　　段勇，北京郵電大學(xué)無(wú)線通信中心研究生，2001年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。目前主要研究方向?yàn)橹悄芴炀€技術(shù)。

　　楊大成，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院無(wú)線中心主任，北京郵電大學(xué)BUPT-QUALCOMM聯(lián)合研究中心中方首席專家，合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。原郵電部移動(dòng)通信研究開(kāi)發(fā)中心副主任，中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。

　　智能天線大大地提高了CDMA系統(tǒng)的性能和覆蓋，可以在很大程度上降低干擾從而提高系統(tǒng)容量，成為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。但在實(shí)際使用中，必須解決好智能天線帶來(lái)的各種問(wèn)題，并盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。

一、介紹

　　第三代移動(dòng)通信，以及后三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出是為了在提供話音服務(wù)的同時(shí)，也提供高質(zhì)量的多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)。高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，要求多用戶干擾的進(jìn)一步減少?gòu)亩岣咭苿?dòng)通信系統(tǒng)的容量。同時(shí)，由于頻帶資源的限制，所以必須采用一些新的技術(shù)來(lái)提高頻帶利用率。智能天線就是能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的技術(shù)之一。

　　眾所周知，CDMA無(wú)線通信系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)，多用戶干擾的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能，降低了接收端的Ec/Ic和Eb/Nt，從而限制了系統(tǒng)中的用戶數(shù)。減小這種多用戶干擾或多徑干擾的一種方法就是小區(qū)的扇區(qū)化，但這并不能從根本上解決問(wèn)題。而我們可以考慮使用智能天線來(lái)解決這一問(wèn)題。

　　智能天線的主要思想就是應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。與其他日漸深入和成熟的干擾消除技術(shù)相比，智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究更加方興未艾和潛力無(wú)窮。

二、應(yīng)用智能天線的CDMA系統(tǒng)

　　在這里，假設(shè)在cdma2000系統(tǒng)中，智能天線系統(tǒng)被應(yīng)用在前向和反向的業(yè)務(wù)信道上，對(duì)于導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道和快速尋呼信道的信號(hào)則使用120度的全向扇區(qū)天線進(jìn)行傳輸[2]?？梢钥隙ǎ绕鹑蛏葏^(qū)天線，這種使用較窄的波束寬度的智能天線能最大限度的降低其他用戶的業(yè)務(wù)信道對(duì)目標(biāo)用戶業(yè)務(wù)信道的干擾。我們知道在CDMA系統(tǒng)中，假設(shè)基站接收到的某特定用戶的業(yè)務(wù)信道的性能可以用其導(dǎo)頻信道的來(lái)表示[3]，即：

　　那么，當(dāng)考慮使用智能天線的時(shí)候有[4]：

　　在這里，Ｐi代表第i個(gè)基站所發(fā)射出來(lái)的總功率，Li是第i個(gè)基站到該用戶的路徑損耗，NoW是熱噪聲功率，M是對(duì)該用戶能產(chǎn)生影響的基站數(shù)目。Sp是基站發(fā)射的總功率中導(dǎo)頻信道所占的比例，同樣，是開(kāi)銷信道總共所占的比例。它們定義如下：

　　智能天線增益是一個(gè)比值，該值從量上說(shuō)明了智能天線能在多大程度上減少干擾，值將隨著智能天線的某些物理特性變化而變化。其定義如下：

　　為了體現(xiàn)出智能天線對(duì)Ｅc/Ic的影響，參數(shù)要乘上業(yè)務(wù)信道的功率比值，即其他用戶的（

）值。

　　在無(wú)線通信系統(tǒng)中，若在基站端采用了多天線接收技術(shù)，則基站所接收到的信號(hào)是各天線單元和對(duì)應(yīng)的接收機(jī)接收到的信號(hào)之和。在進(jìn)一步對(duì)多天線的接收信號(hào)處理時(shí)如果采用最大比合并，在沒(méi)有多徑的情況下，則總的接收信號(hào)將增加10lgN dB，N為天線數(shù)量。如果存在多徑，則接收效果會(huì)隨著多徑傳播條件和波束賦形算法而改變，但即便如此，接收信號(hào)的增益也應(yīng)該在10lgN dB上下。

　　進(jìn)一步，可以看到當(dāng)接收端性能改善以后，在接收到同樣的時(shí)，該用戶所對(duì)應(yīng)的傳輸質(zhì)量將改善，即該用戶的FER減小。我們可以定義系統(tǒng)對(duì)該用戶的吞吐量為[4]：

　　Through=Rdata(1-FER)（6）

　　從而，可以看出智能天線可以提高目標(biāo)用戶的吞吐量。

三、問(wèn)題分析

　　從上面的分析可以看出，智能天線對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其是對(duì)TDD的無(wú)線通信系統(tǒng)（如TD-SCDMA，PHS，WLL等）的性能改善大有裨益，能大大提高網(wǎng)絡(luò)容量和小區(qū)的覆蓋范圍以及目標(biāo)用戶的吞吐量。但是，在另一方面，智能天線也帶來(lái)了很多實(shí)際的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，必須揚(yáng)長(zhǎng)避短，在產(chǎn)品和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上解決好這些問(wèn)題。

　　在TDD的無(wú)線通信系統(tǒng)中使用智能天線時(shí)，我們根據(jù)電磁理論中的互易原理，即在短時(shí)間內(nèi)相同的無(wú)線信道的性能一般不會(huì)產(chǎn)生急劇的變化，直接使用上行波束的賦形系數(shù)來(lái)對(duì)下行波束賦形。但對(duì)實(shí)際的無(wú)線基站，這幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊恳粭l通路的無(wú)線收發(fā)信機(jī)的性能將隨時(shí)間、工作電平和環(huán)境條件等因素變化，所以必須對(duì)智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，否則下行波束賦形將會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)中斷通信。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的[6]。

　　在即將到來(lái)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，F(xiàn)DD（WCDMA、cdma2000等）將會(huì)成為主流技術(shù)。與TDD系統(tǒng)不同，F(xiàn)DD系統(tǒng)由于存在上下行兩路間的頻差，使上下行無(wú)線信道的性能差異很大，所以對(duì)于FDD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如何根據(jù)上行鏈路的信息來(lái)估測(cè)下行鏈路，從而進(jìn)行下行鏈路的波束賦形是自適應(yīng)智能天線技術(shù)能否應(yīng)用于FDD系統(tǒng)的關(guān)鍵。從現(xiàn)在的研究來(lái)看，有多種解決方案可行，如波束綜合方法和DOA檢測(cè)等等[8]。由此看出如何更好的發(fā)揮自適應(yīng)智能天線技術(shù)在FDD系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)也是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，這是自適應(yīng)智能天線的主要思想。但在用戶處于空閑狀態(tài)的時(shí)候，不會(huì)向基站發(fā)射上行信號(hào)，基站就不可能知道該用戶所處的方位，這個(gè)時(shí)候只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射（如導(dǎo)頻、同步、尋呼等信道）。而同時(shí)，一個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼信道又會(huì)采用不同的定向波束發(fā)射，所以基站必須提供全向和定向的賦形波束。這樣，對(duì)全信道而言，將要求高得多的發(fā)射功率。這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到的[6]。

　　目前，智能天線算法的復(fù)雜性使其在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)存在著一定的問(wèn)題。在實(shí)際的應(yīng)用中，智能天線技術(shù)不能解決時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片的多徑干擾，也無(wú)法克服高速移動(dòng)多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。所以，在多徑嚴(yán)重的高速移動(dòng)環(huán)境中，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能有更好的效果。這些數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(cè)、干擾抵消及Rake接收等。目前智能天線和聯(lián)合檢測(cè)或干擾抵消的結(jié)合已有實(shí)用算法，而和Rake接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。而另一方面，這些過(guò)于復(fù)雜的結(jié)合算法在實(shí)際接收機(jī)中如何應(yīng)用、效果如何都是有待研究的[6]。

　　對(duì)系統(tǒng)級(jí)而言[7]，智能天線也將帶來(lái)不小的變革。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，智能天線的引入降低了系統(tǒng)對(duì)功率控制的要求。同時(shí)，由于上行獲得了附加的信噪比增益，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，就要采用其他措施平衡上下行鏈路的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)算。而同一種智能天線結(jié)構(gòu)和算法在不同的信道環(huán)境、不同的干擾分布條件下有不同的性能，所以為了獲得最大性能增益，在基站選址、智能天線方案選取時(shí)最好能根據(jù)實(shí)際傳播條件、預(yù)期的業(yè)務(wù)量、分布和移動(dòng)性等進(jìn)行。此外，切換算法、資源管理流程以及為避免波束沖撞而進(jìn)行的色碼分配、小區(qū)內(nèi)切等等都是系統(tǒng)級(jí)研究必須考慮的問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

　　目前，國(guó)際研究領(lǐng)域已將智能天線作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在TDD系統(tǒng)，尤其在FDD系統(tǒng)中智能天線的應(yīng)用成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)對(duì)智能天線基站的開(kāi)發(fā)也在緊鑼密鼓的進(jìn)行。相信在未來(lái)的3G以及beyond 3G中，智能天線能為我們提供一個(gè)領(lǐng)先的技術(shù)平臺(tái)，從而推動(dòng)移動(dòng)通信的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Lal C.Godora. application of antenna arrays to mobile communication,PartⅠ:Performance imPRovement, feasibility, and system considerations”.Proc IEEE, 1997, Vol. 85：pp1031-1060

[2] TR 46.1.“Wideband Packet-CDMA RTT Proposal”. January,1999

[3] Jhong Sam Lee, Leonard E.Miller. “CDMA system Engineering Handbook”

[4] Hoyoung Choi, JaeSEOng Bae, Sangho lee and Sangjun Lee. “Simulation results for Coverage and Performance Improvements for CDMA2000 1X Networking using Smart Antenna system”. VTC2002,：pp1574-1578

[5] J.C.Liberti and T.S.Rappaport.“Analytical Results for Capacity Improvement in CDMA”. IEEE Trans.on Veh. Tech., August 1994, Vol.43,No.3

[6] 李世鶴.“智能天線：打通3G”. 通信產(chǎn)業(yè)報(bào)

[7] 杜志敏.“碼分多址系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)研究”：[學(xué)位論文]. 北京：北京郵電大學(xué)，2001

[8] “智能天線技術(shù)系列講座：自適應(yīng)智能天線能用于FDD系統(tǒng)嗎？”. 期刊校園－愛(ài)瑞通信新境界

----《中國(guó)移動(dòng)通信》