智能天線技術(shù)——提高數(shù)字集群網(wǎng)的無線性能

一、目前數(shù)字集群系統(tǒng)的現(xiàn)況

隨著集群通信在我國的迅速發(fā)展，800MHz頻段的600對頻率資源也顯得越來越緊張。針對這一現(xiàn)狀，中國信產(chǎn)部在2001年已下達(dá)正式文件指出，到2005年底，中國不再批準(zhǔn)建設(shè)模擬集群通信系統(tǒng)。同時(shí)，中國信產(chǎn)部也制定出適合中國的數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。目前在我國數(shù)字集群市場上，代表產(chǎn)品有以下幾個(gè)：

1．摩托羅拉公司的TETRA系統(tǒng)和iDEN系統(tǒng)
2．諾基亞公司的TETRA系統(tǒng)
3．中興通訊公司的GoTa系統(tǒng)
4．華為公司的GT800系統(tǒng)

數(shù)字集群系統(tǒng)相對于模擬集群系統(tǒng)，在頻率利用率上有較大的提高。例如TETRA系統(tǒng)，采用1：4的TDMA技術(shù)，把一個(gè)25KHz的物理信道可分為四個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來的四倍。而iDEN系統(tǒng)，采用1：6的TDMA技術(shù)，將一個(gè)物理信道分為六個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來的六倍。

但同時(shí)我們也在實(shí)際應(yīng)用中看到，數(shù)字集群系統(tǒng)的信號覆蓋范圍要比模擬集群系統(tǒng)要小的多。例如，在中等城市地區(qū)，在類似的條件下，模擬集群系統(tǒng)中單個(gè)基站的信號覆蓋，一般有15公里左右。而數(shù)字集群系統(tǒng)中，單個(gè)基站的信號覆蓋，一般5至7公里左右。所以在全國各地，從模擬集群系統(tǒng)轉(zhuǎn)型到數(shù)字集群系統(tǒng)的過程中，經(jīng)常會聽到客戶對數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的認(rèn)可，但同時(shí)又會有對數(shù)字集群系統(tǒng)信號覆蓋范圍減小的顧慮。

對于當(dāng)前國內(nèi)的數(shù)字集群系統(tǒng)，在系統(tǒng)射頻信號的覆蓋方面，基站一般采用全向天線，也有各別系統(tǒng)為擴(kuò)大系統(tǒng)容量、支持更多用戶，需要收縮小區(qū)范圍、降低頻率復(fù)用系數(shù)提高頻率利用率，通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇區(qū)化。例如，同一個(gè)地點(diǎn)安裝三套同樣的基站設(shè)備，而每個(gè)基站使用120度的定向天線，進(jìn)行信號覆蓋，以達(dá)到在市中心提高系統(tǒng)用戶容量的目的。但隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實(shí)是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。提高數(shù)字集群的無線性能，對許多集群用戶而言，有著重要的意義。

二、天線及天饋系統(tǒng)

天線是一種無線設(shè)備，它能有效地輻射或接收無線電電波，并由饋線和收發(fā)設(shè)備聯(lián)系起來，它可以實(shí)現(xiàn)電磁能量從一種介質(zhì)耦合到另外一種介質(zhì)去，例如從同軸線或波導(dǎo)發(fā)射到自由空間。

天線的種類很多，從輻射元來講，可分為線天線和面天線；從輻射的空間覆蓋來講，又可分為全向天線和定向天線。

全向天線

早期的無線通信系統(tǒng)，一般都采用簡單的全向天線，它的接收和發(fā)射在各個(gè)方向上都是相同的。

定向天線

天線的接收和發(fā)射有固定的方向。例如360°的區(qū)域可以均分為三個(gè)120°子區(qū)域，用三個(gè)定向天線分別完成各個(gè)120°范圍內(nèi)的無線覆蓋。

三、智能天線技術(shù)

智能天線是目前發(fā)展迅速的一項(xiàng)新技術(shù)。智能天線是由一系列輻射元組成輻射元陣列，輻射元陣列的信號合成整個(gè)天線的波束圖。智能天線可以根據(jù)有用信號的分布情況，調(diào)整輻射元的信號分配，這樣就使得天線的有用波瓣方向?qū)?zhǔn)有用信號，而將天線的零陷對準(zhǔn)干擾信號。當(dāng)有用信號分布情況變化，天線還可以智能地隨之調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)行匹配。

智能天線的應(yīng)用既提高天線增益又減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

從智能天線采用的設(shè)計(jì)技術(shù)方法來說，智能天線技術(shù)有兩個(gè)主要分支：多波束切換型智能天線技術(shù)和自適應(yīng)天線陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應(yīng)天線陣。

1.多波束切換型智能天線

多波束切換型智能天線技術(shù)與自適應(yīng)天線陣技術(shù)比起，實(shí)現(xiàn)起來要簡單。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度是由陣元數(shù)確定的。波束切換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個(gè)波束同時(shí)給多個(gè)用戶發(fā)送不同的信號，它從幾個(gè)預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強(qiáng)度，當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。

在應(yīng)用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)的系統(tǒng)，最主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)有效的波束選擇方法，利用這種方法能夠快速和精確地對每個(gè)用戶進(jìn)行正確的波束切換，被切換的波束則必須要覆蓋目標(biāo)用戶所在的區(qū)域。

2.自適應(yīng)天線陣智能天線

相比多波束切換型智能天線技術(shù)，自適應(yīng)天線陣技術(shù)就智能的多。它是由一個(gè)由天線陣和實(shí)時(shí)自適應(yīng)信號接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，智能天線通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，用反饋控制方法，通過自動調(diào)整每個(gè)輻射元的幅度和相位，達(dá)到改變天線陣的方向圖的目的。使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而在有用信號方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾的目的。加權(quán)系數(shù)的自動調(diào)整就是波束的形成過程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時(shí)也減少了小區(qū)間干擾。

應(yīng)用自適應(yīng)天線陣技術(shù)，一是要準(zhǔn)確地估計(jì)波達(dá)方向（DOA），一是要找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應(yīng)算法。

2.1 波達(dá)方向（DOA）的估計(jì)

準(zhǔn)確地估計(jì)波達(dá)方向（DOA）是自適應(yīng)天線陣提高系統(tǒng)性能的前提。通過瞬時(shí)在空間上對有用信號的采樣分析，確定有用信號及干擾噪聲的空間位置，并能對有用信號的波達(dá)方向進(jìn)行跟蹤。

2.2 自適應(yīng)算法

對于自適應(yīng)天線陣智能天線的研究，核心是自適應(yīng)算法。通過找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應(yīng)算法，在時(shí)域上得出各個(gè)天線的最優(yōu)加權(quán)。

目前常用的智能天線算法主要有非盲算法和盲算法兩大類型。

智能天線的“智能”作用是由天線陣及與其相連接的數(shù)字信號處理部分共同實(shí)現(xiàn)的。自適應(yīng)天線陣智能天線的系統(tǒng)框圖如下圖。

該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內(nèi)任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設(shè)置零點(diǎn)。

2．性能分析

通過理論推導(dǎo)，該零點(diǎn)處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。當(dāng)使用的智能天線當(dāng)N＝8時(shí)，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB（對接收）和18dB（對發(fā)射）。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。

綜上所述，智能天線解決方案提高了基站接收機(jī)的靈敏度，提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率，降低了系統(tǒng)的干擾，增加了數(shù)字集群系統(tǒng)的容量，改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋。所以，智能天線的采用將顯著降低運(yùn)營成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。并且，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能天線技術(shù)在移動通信上的應(yīng)用也越來越廣泛。隨著移動通信使用的頻率越來越高，而電子器件也越來越小，智能天線技術(shù)不僅僅會應(yīng)用在基站方面，而且也在向終端用戶發(fā)展，開發(fā)出帶有智能天線的新型手機(jī)來。