智能天線在第3代移動通信中的應用研究

　　在向第3代移動通信系統(tǒng)(3G)發(fā)展過程中，迅速增加的業(yè)務量和有限的頻譜資源之間的矛盾日益突出。運營商迫切希望提高系統(tǒng)的頻譜利用率從而提供更大的容量，智能天線正是解決這個矛盾的核心技術(shù)之一。從智能天線原理入手，結(jié)合實際應用中的復雜度、使用成本等因素，重點介紹了智能天線在3G系統(tǒng)中的應用，并詳細分析了它的優(yōu)勢和存在的問題。最后針對國內(nèi)移動通信市場的現(xiàn)狀，得出結(jié)論：在即將到來的第3代移動通信系統(tǒng)中，智能天線必將出現(xiàn)美好的應用前景。 
　　關(guān)鍵詞 第3代移動通信 智能天線 自適應算法 
　　隨著移動通信的蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量迅速增加，頻譜資源越來越緊張，如何利用現(xiàn)有頻譜資源進一步擴展容量已成為移動通信發(fā)展的關(guān)鍵問題。智能天線技術(shù)能夠降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，因此受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。 
　　1、智能天線原理概述 
　　智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進行合并輸出。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理。同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對較復雜，每個天線后接的是一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)(結(jié)構(gòu)上與時域有限沖擊響應均衡器相同)。自適應或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應算法進行自適應更新調(diào)整。 
　　智能天線的基本原理是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶，在接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制，在發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶的。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)，智能天線引入第4種多址方式：空分多址(SDMA)，即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空分？碼分多址(SD-CDMA)。智能天線與傳統(tǒng)天線概念有本質(zhì)的區(qū)別，其理論支撐是信號統(tǒng)計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應天線和高分辨陣列信號處理。 
　　2、智能天線在3G系統(tǒng)中的應用 
　　歐、日、美等國非常重視智能天線技術(shù)在未來移動通信方案中的地位與作用，已經(jīng)開展了大量的理論分析研究，同時也建立了一些技術(shù)試驗平臺。歐洲通信委員會(CEC)在RACE(researchintoadvancedcommunication in europe)計劃中實施了第一階段智能天線技術(shù)研究，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。日本的ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。而美國的ArrayComm公司和中國電信科學研究院信威公司也研制出應用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。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，許多專家及大學正在進行相關(guān)的研究。 
　　2.1在WCDMA和CDMA2000中的應用 
　　第3代系統(tǒng)被設(shè)計為一個可以提供相當高速的數(shù)據(jù)業(yè)務的系統(tǒng)。但是，它們還會像第2代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標準化組織已經(jīng)認識到智能天線在改善這個矛盾方面所起的作用，并且在即將出臺的3G標準中制訂了相關(guān)的條款。如WCDMA和CDMA2000都允許在上行和下行鏈路為每個移動用戶分配專門的導頻信道，但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。 
　　對于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。 
　　2.2在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應用 
　　TD-SCDMA(時分同步的碼分多址)智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性(無線環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。 
　　TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使用DSP(數(shù)字信號處理器)使主瓣自適應地指向移動臺方向，就可達到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復用，使頻譜效率得以顯著地提高。 
　　由于每個用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過DSP控制用戶的方向測量使上述要求可以實現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200次，每用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。 
　　TDD(時分雙工)模式的TD-SCDMA的進一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2個方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的，使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。 
　　3、對系統(tǒng)性能的改善及需解決的問題 
　　3.1智能天線對系統(tǒng)性能的改善 
　　智能天線可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。具體體現(xiàn)在下列方面： 
　　1)提高頻譜利用率。采用智能天線代替普通天線，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，降低運營商成本。 
　　2)迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。智能天線應能允許任一無線信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)容量。 
　　3)抑制干擾信號。智能天線對來自各個方向的波束進行空間濾波。它通過對各天線元的激勵進行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點對準干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性。對于軟容量的CDMA系統(tǒng)，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。 
　　4)抗衰落。高頻無線通信的主要問題是信號的衰落，普通全向天線或定向天線都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應地構(gòu)成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。 
　　5)實現(xiàn)移動臺定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。通過此方法，用2個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)，因此移動臺定位的實現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務是目前移動運營商提升ARPU(averagerevenueperuser)值、加強自身競爭力的必然手段。 
　　3.2在實際應用中需要解決的問題 
　　智能天線技術(shù)對無線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統(tǒng)時，必須考慮所帶來的問題，并在標準和產(chǎn)品設(shè)計上解決這些問題。 
　　3.2.1全向波束和賦形波束 
　　上述智能天線的功能主要是由自適應的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發(fā)射(如系統(tǒng)中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計時所必須考慮的。 
　　3.2.2智能天線的校準 
　　在使用智能天線時，必須具有對智能天線進行實時自動校準的技術(shù)。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進行實時自動校準，則下行波束賦形將受嚴重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。 
　　3.2.3智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合 
　　目前，在智能天線算法的復雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(jointdetection)、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實用的算法，而和Rake接收機的結(jié)合算法還在研究中。 
　　3.2.4設(shè)備復雜性的考慮 
　　顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復雜性。此復雜性主要是基帶數(shù)字信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增。現(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復雜性已對微電子技術(shù)提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6？16之間。 
　　4、結(jié)論 
　　考慮到國內(nèi)不同的移動通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對即將得到3G牌照的各個運營商來說，將會采用不同的3G標準和不同的演進道路，但智能天線將是運營商共同的選擇。 
　　對于原本就沒有建設(shè)2G移動通信網(wǎng)絡(luò)的運營商來說，建設(shè)全新的網(wǎng)絡(luò)非常適宜。如果選擇建設(shè)TD-SCDMA系統(tǒng)，作為其核心技術(shù)，智能天線憑借其提高系統(tǒng)容量、減小移動臺發(fā)射功率等方面的優(yōu)勢，將會有效地降低運營商的投資并提高其經(jīng)濟收益。而對于已經(jīng)建設(shè)GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò)的運營商，分別過渡到WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)將是最佳選擇。對這些運營商而言，智能天線雖然只作為一種推薦配置，但是它可以顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量，由于我國大城市的人口密度一般都很高，因而這一優(yōu)勢對我國的運營商尤其重要。與此同時，由于智能天線技術(shù)的使用，提高了小區(qū)的信號質(zhì)量，減少了鄰近小區(qū)的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。而智能天線技術(shù)的干擾緩解機制對系統(tǒng)也有改善：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(fā)射功率就能夠達到同樣的信號質(zhì)量水平。盡管智能天線技術(shù)要求配置多個天線，增加了功率放大器的數(shù)量，但更重要的是，功率放大器的發(fā)射功率有較大的減少，功率放大器的單價大大下降；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(jié)約了投資，同時還提高了整個功放子系統(tǒng)的可靠性。 
　　綜上所述，在即將到來的第3代移動通信系統(tǒng)中，大部分運營商都將采用智能天線技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能和容量，有充分的理由相信，智能天線必將出現(xiàn)美好的應用前景。 
 
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