智能天線技術(shù)的應用

智能天線技術(shù)的應用

摘要本文首先介紹了智能天線的概念，以及它在提高無線系統(tǒng)能力（容量、覆蓋和新業(yè)務等）方面的應用價值。在此基礎上，文章的第二部分對智能天線的工作原理和技術(shù)的發(fā)展情況進行了描述，最后對智能天線技術(shù)在3G各種通信制式中的應用進行了重點討論。

　　關(guān)鍵詞智能天線WCDMAcdma2000TD-CDMA

　　1引言

　　移動通信迅速發(fā)展給系統(tǒng)帶來的容量壓力，使得如何高效率的利用無線頻譜受到了廣泛的重視，智能天線技術(shù)被認為是目前進一步提高頻譜利用率的最有效的方法之一。本文首先介紹了智能天線的概念，以及它在提高無線系統(tǒng)能力（容量、覆蓋和新業(yè)務等）方面的應用價值。在此基礎上，文章的第二部分對智能天線的工作原理和技術(shù)的發(fā)展情況進行了描述。由于目前3G是我國在通信系統(tǒng)應用研究方面的重點，因此本文的后續(xù)部分對智能天線技術(shù)在3G各種通信制式中的應用進行了重點討論。除了TD-SCDMA已經(jīng)將智能天線的應用列入標準化以外，文章中引用了一些在FDD情況下應用智能天線的研究和現(xiàn)場試驗結(jié)果，說明了該技術(shù)在WCDMA和cdma2000的應用前景。

　　2智能天線簡介

　　隨著移動通信的迅速發(fā)展，越來越多的業(yè)務將通過無線電波的方式來進行，有限的頻譜資源面對著越來越高的容量需求的壓力。對于第二代移動通信系統(tǒng)GSM，在我國的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)了容量供應困難的現(xiàn)象，小區(qū)蜂窩的半徑已經(jīng)很小，而目前作為應用研究重點的3G以及它的業(yè)務模式無疑將對網(wǎng)絡容量有更高的要求。高速的數(shù)據(jù)業(yè)務將作為3G網(wǎng)絡服務的一個主要特點，這使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在3G系統(tǒng)中實現(xiàn)與第二代系統(tǒng)明顯的差別服務，充分體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務能力上的優(yōu)勢，網(wǎng)絡容量將是網(wǎng)絡的運營者必須重點考慮的問題。就目前的情況而言，智能天線技術(shù)將是提高網(wǎng)絡容量最有效的方法之一，尤其對于3G中以自干擾為主要干擾形式的通信系統(tǒng)。

　　天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號情況實時進行自適應變化的天線稱為智能天線。與普通天線以射頻部分為主不同，智能天線包括射頻部分以及信號處理和控制部分。同時，由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對于智能天線的研究主要集中在基站側(cè)，我們下面討論的智能天線也指的是在基站上的應用。

　　目前，基站普遍使用的是全向天線或者扇區(qū)天線，這些天線具有固定的天線方向圖形式，而智能天線將具有根據(jù)信號情況實時變化的方向圖特性（見圖1）。

　　如圖1所示，在使用扇區(qū)天線的系統(tǒng)中，對于在同一扇區(qū)中的終端，基站使用相同的方向圖特性進行通信，這時系統(tǒng)依靠頻率、時間和碼字的不同來避免相互間的干擾。而在使用智能天線的系統(tǒng)中，系統(tǒng)將能夠以更小的刻度區(qū)別用戶位置的不同，并且形成有針對性的方向圖，由此最大化有用信號、最小化干擾信號，在頻率、時間和碼字的基礎上，提高了系統(tǒng)從空間上區(qū)別用戶的能力。這相當于在頻率和時間的基礎上擴展了一個新的維度，能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量以及與之相關(guān)的其它方面的能力（例如覆蓋、獲取用戶位置信息等）。

　　3 智能天線的工作原理與發(fā)展情況

　　天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對于全向天線來說，它的方向圖是一個圓；對于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個元素的加權(quán)參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實時地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應的方向圖的設備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號、抑制干擾信號為目的，例如將大增益的主瓣對準有用信號，而在其它方向的干擾信號上使用小增益的副瓣。圖2為一個智能天線結(jié)構(gòu)的示例圖。

　　智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關(guān)于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。

　　由于移動通信中無線信號的復雜性，所以這種根據(jù)通信情況實時調(diào)整天線特性的工作方式對算法的準確程度、運算量以及能夠?qū)崟r完成運算的硬件設備都有很高的要求。這決定了智能天線的發(fā)展是一個分階段的、逐步完善的過程，目前通常將這種過程分為以下三個階段（見圖3）：

　　●第一階段：開關(guān)波束轉(zhuǎn)換。在天線端預先定義一些波瓣較窄的波束，根據(jù)信號的來波方向?qū)崟r確定發(fā)送和接收所使用的波束，達到將最大天線增益方向?qū)视行盘枺档桶l(fā)送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區(qū)天線和智能天線之間，實現(xiàn)運算較為簡單，但是性能也比較有限。

　　●第二階段：自適應（最強）信號方向。根據(jù)接收信號的最強到達方向，自適應地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，形成對準該方向的接收和發(fā)送天線方向圖。這是動態(tài)自適應波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開關(guān)波束轉(zhuǎn)換，同時算法也較為復雜，但是還未達到最優(yōu)的狀態(tài)。

　　●第三階段：自適應最佳通信方式。根據(jù)得到的通信情況的信息，實時地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，自適應地形成最大化有用信號、最小化干擾信號的天線特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提高系統(tǒng)無線頻譜的利用率。但是其算法復雜，實時運算量大，同時還需要進一步探尋各種實際情況下的最佳算法。

　　目前，對于智能天線的應用主要集中在第二階段附近，并且由于移動通信的迅速發(fā)展，使得智能天線技術(shù)在包括3G的應用中受到廣泛的重視，解決智能天線在實際應用中的各種問題，以及尋求更加“智能”的自適應算法和實現(xiàn)方案是目前工作的重點和主要內(nèi)容。下面我們討論智能天線技術(shù)在3G各個通信標準中的應用前景，以及相關(guān)的試驗參考結(jié)果。

　　4 智能天線在3G中的應用前景

　　3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術(shù)，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同的用戶，因此接收端各個信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統(tǒng)中的時隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時，在理論分析的基礎上，大量的仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果也證明了：在3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這一對矛盾的基礎上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已經(jīng)得到共識，成為3G網(wǎng)絡規(guī)劃和運營的主要特點。

　　在業(yè)務特性上，3G以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務、視頻電話和能力得到增強的增值業(yè)務作為其對2G系統(tǒng)形成服務優(yōu)勢的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡流量。但是與2G系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務能力上的優(yōu)勢，必須使用新技術(shù)使頻譜利用率得到質(zhì)的提高，智能天線技術(shù)正是目前被認為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標的最有效的方法之一。它通過增加系統(tǒng)SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對空中無線頻譜資源的利用能力。

　　我國提出的TD-SCDMA標準，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時隙間隔相互交錯的上下行信道之間具有較強的相關(guān)性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對下行信道的發(fā)送特性進行準確的調(diào)整，因此TD-SCDMA成為3G標準中最方便于使用智能天線的一個技術(shù)，并且已經(jīng)進行了標準化，將智能天線作為其主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，對于3G中使用FDD方式的WCDMA和cdma2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差（在我國的3G頻率劃分中，主要工作頻段上下行的頻差為190MHz），因此上下行信道之間的相關(guān)性較弱，加上城區(qū)中復雜的無線傳播環(huán)境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行鏈路理想的發(fā)送方案是比較困難的，對算法的復雜度也有更高的要求。但是由于對系統(tǒng)性能改善方面的重要作用，所以關(guān)于FDD系統(tǒng)中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。

　　在英國進行的TSUNAMI Ⅱ項目，在DCS1800系統(tǒng)的基礎上，通過使用8副各自由8個元素構(gòu)成的天線陣列對智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡中的性能情況進行了現(xiàn)場試驗，對各種自適應算法進行了比較，并且發(fā)布了如下的一些試驗結(jié)果：

　　（1）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，當信號到達方向相差10度以上的時候，通過使用智能天線，系統(tǒng)獲得了達到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%；

　　（2）在宏蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，通過使用8元素的智能天線，系統(tǒng)容量增加了300%；

　?。?）微蜂窩的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大部分自適應算法也能夠取得相當?shù)男阅茉鲆妗Ｐ枰獙ξ⒎涓C的情況進行更深入的研究。

　　在此之后的SUNBEAM項目把在DCS1800系統(tǒng)上的試驗結(jié)果進行了擴展，對智能天線在3G WCDMA中的應用進行了研究；與此同時，在美國、日本和韓國等地方也報告了關(guān)于智能天線性能的相關(guān)試驗和研究結(jié)果。

　　5 結(jié)束語

　　移動通信用戶量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向寬帶高速數(shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡容量成為網(wǎng)絡建設，尤其是未來3G網(wǎng)絡建設中需要重點考慮的問題。單純地依靠增加基站（使用微蜂窩增加頻率的復用度），無論從成本和性能表現(xiàn)方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線技術(shù)的引入，將通過增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統(tǒng)對于無線頻譜的利用率。與其它所有的先進技術(shù)一樣，智能天線技術(shù)的發(fā)展也是一個伴隨著算法研究和硬件升級的循序漸進的過程。由于對其重要作用的認識，近年來在世界范圍內(nèi)開展了大量的研究和試驗工作，取得了豐碩的成果，目前基本上已經(jīng)開始了實際的應用階段，實際使用中的各種問題也在逐步得到解決。當前，我國正在對下一代移動通信系統(tǒng)的實際應用能力進行大規(guī)模的研究和試驗，智能天線技術(shù)無疑也將成為討論的熱點之一，希望本文能夠為相關(guān)方面的工作和研究人員提供一定的參考。