智能天線在第3代移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究

　　在向第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)發(fā)展過程中，迅速增加的業(yè)務(wù)量和有限的頻譜資源之間的矛盾日益突出。運(yùn)營(yíng)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(gè)矛盾的核心技術(shù)之一。從智能天線原理入手，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度、使用成本等因素，重點(diǎn)介紹了智能天線在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用，并詳細(xì)分析了它的優(yōu)勢(shì)和存在的問題。最后針對(duì)國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信市場(chǎng)的現(xiàn)狀，得出結(jié)論：在即將到來(lái)的第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線必將出現(xiàn)美好的應(yīng)用前景。 
　　關(guān)鍵詞 第3代移動(dòng)通信 智能天線 自適應(yīng)算法 
　　隨著移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量迅速增加，頻譜資源越來(lái)越緊張，如何利用現(xiàn)有頻譜資源進(jìn)一步擴(kuò)展容量已成為移動(dòng)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(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)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(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)較復(fù)雜，每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)(結(jié)構(gòu)上與時(shí)域有限沖擊響應(yīng)均衡器相同)。自適應(yīng)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(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。 
　　智能天線的基本原理是：天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶，在接收模式下，來(lái)自窄波束之外的信號(hào)被抑制，在發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大，同時(shí)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(lái)區(qū)分不同用戶的。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時(shí)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(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)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(shí)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(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)理論、信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理。 
　　2、智能天線在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用 
　　歐、日、美等國(guó)非常重視智能天線技術(shù)在未來(lái)移動(dòng)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(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(researchintoadvancedcommunication in europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，由德國(guó)、英國(guó)、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(guó)的ArrayComm公司和中國(guó)電信科學(xué)研究院信威公司也研制出應(yīng)用于無(wú)線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。我國(guó)也早已將研究智能天線技術(shù)列入國(guó)家863-317通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。 
　　2.1在WCDMA和CDMA2000中的應(yīng)用 
　　第3代系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一個(gè)可以提供相當(dāng)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。但是，它們還會(huì)像第2代系統(tǒng)那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到智能天線在改善這個(gè)矛盾方面所起的作用，并且在即將出臺(tái)的3G標(biāo)準(zhǔn)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(gè)移動(dòng)用戶分配專門的導(dǎo)頻信道，但是將要求使用智能天線系統(tǒng)。 
　　對(duì)于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當(dāng)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(yīng)用 
　　TD-SCDMA(時(shí)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(wú)線路徑的對(duì)稱性(無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。 
　　TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個(gè)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(duì)應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)使主瓣自適應(yīng)地指向移動(dòng)臺(tái)方向，就可達(dá)到提高信號(hào)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(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。 
　　由于每個(gè)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(dú)立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個(gè)別的用戶。通過DSP控制用戶的方向測(cè)量使上述要求可以實(shí)現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達(dá)角進(jìn)行測(cè)量。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于無(wú)線子幀的長(zhǎng)度是5ms，則至少每秒可測(cè)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(shí)分雙工)模式的TD-SCDMA的進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)是用戶信號(hào)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(gè)方向中的傳輸條件是相同的或者說是對(duì)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(duì)系統(tǒng)性能的改善及需解決的問題 
　　3.1智能天線對(duì)系統(tǒng)性能的改善 
　　智能天線可以明顯改善無(wú)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(fù)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(yùn)營(yíng)商成本。 
　　2)迅速解決稠密市區(qū)容量瓶頸。智能天線應(yīng)能允許任一無(wú)線信道與任一波束配對(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴(yán)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量。 
　　3)抑制干擾信號(hào)。智能天線對(duì)來(lái)自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過對(duì)各天線元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖，將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)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(duì)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(wú)線通信的主要問題是信號(hào)的衰落，普通全向天線或定向天線都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用智能天線控制接收方向，自適應(yīng)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(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。 
　　5)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向。通過此方法，用2個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提升ARPU(averagerevenueperuser)值、加強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然手段。 
　　3.2在實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問題 
　　智能天線技術(shù)對(duì)無(wú)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(shí)，必須考慮所帶來(lái)的問題，并在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來(lái)實(shí)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(hào)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)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(dòng)時(shí)(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(jìn)行發(fā)射(如系統(tǒng)中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個(gè)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(lái)，對(duì)全向信道來(lái)說，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。 
　　3.2.2智能天線的校準(zhǔn) 
　　在使用智能天線時(shí)，必須具有對(duì)智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的技術(shù)。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時(shí)是根據(jù)電磁場(chǎng)理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來(lái)進(jìn)行下行波束賦形。但對(duì)實(shí)際無(wú)線基站，每一條通路的無(wú)線收發(fā)信機(jī)不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢(shì)，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(fù)雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實(shí)用的智能天線算法還不能解決時(shí)延超過一個(gè)碼片寬度的多徑干擾，也無(wú)法克服高速移動(dòng)多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動(dòng)環(huán)境下，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，才可能達(dá)到最佳的效果。這些數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(cè)(jointdetection)、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)用的算法，而和Rake接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。 
　　3.2.4設(shè)備復(fù)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(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字信號(hào)處理的量將成幾何級(jí)數(shù)遞增�，F(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(fù)雜性已對(duì)微電子技術(shù)提出了越來(lái)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(guó)內(nèi)不同的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對(duì)即將得到3G牌照的各個(gè)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說，將會(huì)采用不同的3G標(biāo)準(zhǔn)和不同的演進(jìn)道路，但智能天線將是運(yùn)營(yíng)商共同的選擇。 
　　對(duì)于原本就沒有建設(shè)2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商來(lái)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(dòng)臺(tái)發(fā)射功率等方面的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)有效地降低運(yùn)營(yíng)商的投資并提高其經(jīng)濟(jì)收益。而對(duì)于已經(jīng)建設(shè)GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商，分別過渡到WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)將是最佳選擇。對(duì)這些運(yùn)營(yíng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量，由于我國(guó)大城市的人口密度一般都很高，因而這一優(yōu)勢(shì)對(duì)我國(guó)的運(yùn)營(yíng)商尤其重要。與此同時(shí)，由于智能天線技術(shù)的使用，提高了小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量，減少了鄰近小區(qū)的干擾，因此也擴(kuò)大了覆蓋范圍。而智能天線技術(shù)的干擾緩解機(jī)制對(duì)系統(tǒng)也有改善：由于整體噪聲水平的降低，信號(hào)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(dá)到同樣的信號(hào)質(zhì)量水平。盡管智能天線技術(shù)要求配置多個(gè)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(jià)大大下降；由于大功率寬帶放大器制造工藝復(fù)雜，成本高昂，所以使用多個(gè)低功率放大器反而大大節(jié)約了投資，同時(shí)還提高了整個(gè)功放子系統(tǒng)的可靠性。 
　　綜上所述，在即將到來(lái)的第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，大部分運(yùn)營(yíng)商都將采用智能天線技術(shù)來(lái)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(yīng)用前景。 
 
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