智能天線開辟移動通信新紀(jì)元

2019-11-03 09:29:09

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供稿：網(wǎng)友

何英
　　智能天線綜合了幾種干擾控制技術(shù)，有助于運營商更好地利用其不多的射頻（RF）頻譜、現(xiàn)有蜂窩站址與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。智能天線以一系列高增益、窄波束的天線取代現(xiàn)有基站天線。這種天線陣能改善對來自手機信號的接收，同時干擾比120°天線或全向天線小得多。

　　智能天線的設(shè)計吸收了復(fù)雜的波束轉(zhuǎn)換算法和RF信號處理軟件。對每次呼叫，軟件算法決定保持最佳質(zhì)量信號的幾個波束，而系統(tǒng)持續(xù)不斷更新其波束選擇，從而保證用戶在通話時長內(nèi)獲得最佳質(zhì)量。

　　智能天線的起源和技術(shù)特征

　　智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣智能天線。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。

　　近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，智能天線技術(shù)因此開始在移動通信中得到應(yīng)用。另一方面移動通信用戶數(shù)增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴充容量的需要。不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，通過在基站使用全向收發(fā)智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。不同于傳統(tǒng)的時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA）方式，智能天線引入了第四維多址方式———空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。

　　智能天線相當(dāng)于空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智能天線將在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)的性能：（1）擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；（2）增加系統(tǒng)容量；（3）提高頻譜利用效率；（4）降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。

　　智能天線可以通過模擬電路方式實現(xiàn)：首先根據(jù)天線方向圖確定饋源的激勵系數(shù)，然后確定饋源的饋電網(wǎng)絡(luò)即波束形成網(wǎng)絡(luò)。由于饋電布線呈矩陣狀，實現(xiàn)很復(fù)雜，而且，隨著陣元數(shù)目的增加，更增加了電路的復(fù)雜度。為此，未來移動通信智能天線采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束成形，即所謂數(shù)字波束形成DBF天線。使用軟件設(shè)計完成自適應(yīng)算法的更新，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。

　　智能天線分為兩大類：多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應(yīng)陣天線。

　　多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在固定波束的中心處，當(dāng)用戶位于波束邊緣，干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號的最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)陣天線相比，多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。

　　自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1/2波長。若陣元間距過大，則接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖上形成不必要的柵瓣，故一般取半波長。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)陣天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向天線，完成用戶信號的接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。

　　優(yōu)化GSM移動通信網(wǎng)的利器

　　智能天線幫助GSM蜂窩運營商盡量有效地使用他們的RF頻譜的有限配額。用智能天線系統(tǒng)取得的性能增益主要來源于系統(tǒng)提供的載波－干擾比的顯著提高。干擾是影響蜂窩系統(tǒng)性能和容量限度的重要因素。它引起串音、通話丟失或通話信號跌落，并使用戶心煩意亂。最重要的是干擾限制了經(jīng)營商可復(fù)用頻率的緊密度，因此也限制了從固定RF頻譜中提取通信承載容量的程度。干擾可來自另一移動終端、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是同信道和相鄰信道干擾。同信道干擾是使用同一組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最明顯，此時與使用相同頻率的鄰近蜂窩的物理分隔處于最低程度。相鄰信道干擾是使用相鄰頻率的鄰近蜂窩對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處工作時，或者用戶信號大大弱于相鄰信道用戶的信號時會發(fā)生這種情況。

　　載波－干擾比是通話質(zhì)量的重要標(biāo)志，是移動電話信號（載波信號）和干擾信號之間比例的量度。對用戶較高的C/I比就是更少的掉話以及改善的音頻質(zhì)量；對經(jīng)營商較高的C/I比是信號距離延伸以及采用更為緊密的頻率復(fù)用方式，因此增加了整個系統(tǒng)的容量。智能天線系統(tǒng)的另一主要優(yōu)點是控制每一個30°波束功率的能力，以便達到最佳蜂窩站址模式。

　　通過蜂窩腳印的定形可控制因附近站址溢出而造成的噪聲和解決難以對付的覆蓋問題。在蜂窩站址間轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)或更改切換邊界亦可增加網(wǎng)絡(luò)容量。

　　權(quán)威測試結(jié)果表明，窄波束天線與全向或三扇面模擬天線系統(tǒng)相比，在音頻質(zhì)量和C/I方面有顯著的改進。

　　智能天線系統(tǒng)可以用4個30°天線代替一個120°扇面天線。系統(tǒng)依靠最佳波束選擇算法轉(zhuǎn)換、發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時隙在一指定的30°波束內(nèi)而不是在整個120°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，對接收同信道干擾的開放波束也有效地從120°減到30°。改善C/I是增加GSM網(wǎng)絡(luò)容量和提高其質(zhì)量的關(guān)鍵。對比模擬網(wǎng)，如GSM一類的數(shù)字蜂窩技術(shù)的容量有了明顯的增加，因為頻率復(fù)用增加了（或者蜂窩間隔縮小了），可以比模擬系統(tǒng)更低的C/I提供等效質(zhì)量的業(yè)務(wù)。

　　在GSM系統(tǒng)中通過交織相應(yīng)于話音、數(shù)據(jù)和信令的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，最多八個GSM移動站可共用同一載波頻率。每個站分配4.6ms時長的連續(xù)重復(fù)幀內(nèi)的一個時隙。在標(biāo)準(zhǔn)GSM網(wǎng)中，與每個頻率相應(yīng)的射頻能量在整個120°扇面發(fā)射。智能天線系統(tǒng)中的一個天線，僅僅與每一時隙中工作的移動站通信，從而限制了射頻能量。因此，射頻能量受到時間和空間的控制。這是減少產(chǎn)生干擾和接收干擾的根本。

　　誘人的發(fā)展前景

　　美國、日本和歐洲的一些國家非常重視未來移動通信中智能天線的作用，已經(jīng)開展了大量的理論分析和研究。我國也早已將研究智能天線技術(shù)列入國家863－317通信技術(shù)主題研究中的個人通信技術(shù)分項，許多專家及大學(xué)正在進行相關(guān)的研究。在連續(xù)獲得ITU和3GPP通過的我國自主研發(fā)的TD－SCDMA技術(shù)體制中，就廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術(shù)。

　　歐洲進行了基于DECT基站的智能天線技術(shù)的初步研究，于1995年初開始現(xiàn)場試驗。實驗系統(tǒng)驗證了智能天線的功能，在兩個用戶、四個空間信道（包括上行和下行鏈路）下，試驗系統(tǒng)比特差錯率（BER）優(yōu)于10－3。實驗評測了采用MUSIC算法判別用戶信號方向的能力。同時，通過現(xiàn)場測試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。在此基礎(chǔ)上又繼續(xù)進行最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評估、多用戶檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時空信道特性估計、微蜂窩優(yōu)化與現(xiàn)場試驗等研究。

　　日本某研究所制作了基于波束空間處理方式的波束轉(zhuǎn)換智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后，進行快速付氏變換（FFT）處理，形成正交波束后，提出了基于智能天線的軟件無線概念：用戶所處環(huán)境不同，影響系統(tǒng)性能的主要因素亦不同，可通過軟件采用相應(yīng)的算法。

　　美國的Metawave公司對用于FDMA、CDMA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進行了大量研究開發(fā)；ArrayComm公司也研制了用于無線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；美國得州大學(xué)建立了智能天線試驗環(huán)境；加拿大McMaster大學(xué)研究開發(fā)了4元陣列天線。

　　在無線電通信領(lǐng)域，智能天線有誘人的前景。智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會；提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念，對當(dāng)前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動作用。智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但要實現(xiàn)理想的智能的天線，還有待于許多問題的研究解決。對智能天線的研究值得關(guān)注的有以下內(nèi)容：智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法；寬帶信號波束的高速波束成形處理；用于移動臺的智能天線技術(shù)；智能天線實現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測試平臺及軟件無線電等方面。

摘自《人民郵電報》2003.2.13

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