個人手持式電話系統(tǒng)的天線技術(shù)

摘要本文分析了PHS系統(tǒng)的無線信道對電波傳輸?shù)母鞣N影響，提出了PHS系統(tǒng)中所采用的改善系統(tǒng)性能的天線技術(shù)，并展望了今后PHS系統(tǒng)天線技術(shù)的發(fā)展。

1 前言

PHS是個人便攜電話系統(tǒng)（Personal Handyphone System）的簡稱，又稱為“小靈通”。它工作在1.9GHz的頻段，采用微蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個基站可以覆蓋100-300米范圍。它在我國的發(fā)展已經(jīng)有五年的歷史，自從1998年浙江省余杭市在國內(nèi)首先開通無線市話后，小靈通在全國各地像雨后春筍般地迅猛發(fā)展，由于它能以市話的價格提供移動電話的服務(wù)，因此吸引了大量的用戶，至2002年底用戶量已迅速突破1250萬，2003年極有可能要達到2500萬。但是，作為一種采用無線技術(shù)的個人通信系統(tǒng)，PHS系統(tǒng)的無線信道面臨著各種問題，如多徑傳輸引起的快衰落問題，頻率復(fù)用引進的同頻干擾問題等，這些問題解決的好壞將直接影響PHS網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量，從而對PHS系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

本文分析了PHS系統(tǒng)中使用分集接收、自適應(yīng)天線、智能天線等技術(shù)的基本思路，以及對PHS系統(tǒng)性能的改善。

2 分集接收技術(shù)

PHS屬于低功率系統(tǒng)范疇，基站作用范圍通常在幾十到幾百米以內(nèi)，因此小尺度衰落對基站的影響十分明顯。小遲度衰落是指無線信號在經(jīng)過短時間或短距離傳播后其幅度快速衰落，這種衰落是由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機的信號相互干涉引起的，其三個主要效應(yīng)表現(xiàn)為：

* 經(jīng)過短距或短時傳播后信號強度的急劇變化；

* 在不同多徑信號上，存在著時變的多普勒頻移引起的隨機頻率調(diào)制；

* 多徑傳播時延引起的擴展（回音）。

在PHS系統(tǒng)中，采用分集接收技術(shù)作為抗衰落技術(shù)。分集接收技術(shù)的基本思想是：如果選取了一個信號的兩個或多個獨立的采樣，這些樣本的衰落是不相關(guān)的。這意味著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個樣本低于該值的概率要小得多。M個樣本同時低于一個確定電平的概率是Pm，其中P是單個樣本低于該電平的概率。因而，我們看到由不同樣本適當合并而成的信號比任何一個單個樣本的衰落現(xiàn)象要輕得多。分集技術(shù)的優(yōu)點在于能提高系統(tǒng)性能而不需增加發(fā)射機功率。分集技術(shù)分為空間分集、頻率分集、極化分集等，PHS系統(tǒng)使用的基站天線采用空間分集的方式。

分集接收效果的良好與否，決定于兩種信號衰落的相關(guān)程度，可以用相關(guān)系數(shù)表示，相關(guān)系數(shù)越小，則分集接收的效果越好，相關(guān)系數(shù)越大，則分集接收的效果越差。對于空間分集來說，兩根接收天線相距越遠，相關(guān)系數(shù)就越小，兩根天線同時位于衰落零點的概率越小。采用空間分集方式的天線，其設(shè)計依賴于天線高度與天線間距離的比值H，即H=h/d，對于水平分集天線，H是最優(yōu)經(jīng)驗值是11，這時可獲得最優(yōu)分集增益。而兩天線之間間距應(yīng)為半波長的奇數(shù)倍，并且現(xiàn)有的PHS系統(tǒng)基站天線的距離應(yīng)大于5倍的波長，天線高度與天線間距的最優(yōu)經(jīng)驗值如表1所示：

3 自適應(yīng)天線技術(shù)

PHS是采用微小區(qū)制來組網(wǎng)的，它把整個服務(wù)區(qū)劃為許多個微小區(qū)，這些微小區(qū)有機地組合在一起以滿足整個無線區(qū)移動通信的需求。PHS系統(tǒng)在各小區(qū)內(nèi)采用動態(tài)信道分配技術(shù)，隨著通話建立過程為小區(qū)站自行分配最佳的頻率信道。但是PHS系統(tǒng)的頻率復(fù)用帶來了同頻干擾的問題，同頻干擾的存在使系統(tǒng)的頻率利用率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量的下降。在PHS系統(tǒng)中，若采用自適應(yīng)天線技術(shù)則可降低同頻干擾。

自適應(yīng)天線中不同用戶的信號先通過多工器合成為一路信號，然后將該路信號分為D路（D為天線單元數(shù)），這些信號分別以系數(shù)W1,W2…Wn進行加權(quán)，然后送到各天線單元上。各天線單元上的合成信號波形相同，只是幅度和相位有所不同。

采用自適應(yīng)陣列天線技術(shù)的PHS基站對覆蓋區(qū)域內(nèi)的天線方向圖，可以通過調(diào)整每個天線發(fā)射信號的相位、幅度，使得在通信方向的天線增益最大，而在干擾方向上的天線增益減小，從而減少干擾，載干比（C/I）改善可達10dB。

采用了自適應(yīng)天線技術(shù)后，使得在基站與基站覆蓋相鄰的區(qū)域中場強有明顯高低區(qū)分，手機切換干擾減小，避免了反復(fù)切換掉話的現(xiàn)象。

在日本的實際測試結(jié)果：自適應(yīng)天線基站的頻率利用率比普通型基站高4倍。也就是說在同等頻率干擾程度下，自適應(yīng)天線基站可比普通型基站多3倍的基站密度。自適應(yīng)天線基站的高抗干擾能力使得在高話務(wù)區(qū)比普通型基站更能有效的解決話務(wù)量和頻率沖突的矛盾。

4 發(fā)展的方向；智能天線技術(shù)

90年代以來，移動通信領(lǐng)域出現(xiàn)了一個新的研究熱點——智能天線技術(shù)，它在提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨特的優(yōu)點。日本在PHS系統(tǒng)中的測試表明，采用智能天線可減少基站數(shù)量，由于PHS等系統(tǒng)的通信距離有限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術(shù)，就可以降低成本。

智能天線首先將每個用戶信號分為D路（D為陣列單元數(shù)），然后對每個用戶信號進行分別加權(quán)，產(chǎn)生MxD的信號（M為用戶數(shù)），最后將相應(yīng)的M路信號合為一路送到各個天線單元，由于各天線單元信號都是由M路信號以不同加權(quán)系數(shù)組合而成，因此各天線單元信號的波形是不同的，構(gòu)成了M個信道方向圖。對每個信道，當只有A點信號存在，通過選取W11、W12…W1D進行加權(quán)，可以得到A點的信道方向圖，當只有B點信號存在時，可以選取W21、W22…W2D進行加權(quán)，得到B點的信道方向圖，當兩個信號同時存在時，由場的疊加原理可知，智能天線的功率方向圖為兩個信道方向圖的疊加，從而保證兩個用戶信號共用一個傳統(tǒng)的信道，實現(xiàn)空分復(fù)用。

智能天線系統(tǒng)中，各信道波束是互不相關(guān)的，能夠獨立的調(diào)整各信道波束區(qū)分別跟蹤信號，所能產(chǎn)生的信道波束與天線單元陣列數(shù)無關(guān)，每個用戶信號對應(yīng)一套（D個）加權(quán)器，從而可以滿足增加系統(tǒng)容量，抑制干擾的要求。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號方向的不同，將不同的信號區(qū)分開，從而對傳統(tǒng)信道進行空分復(fù)用，成倍地提高系統(tǒng)容量。

5 結(jié)束語

綜上所述，分集接收與自適應(yīng)天線作為兩種比較成熟的天線技術(shù)，在PHS系統(tǒng)中得到了廣泛的運用，并且取得了良好的效果。而智能天線作為一種全新的天線技術(shù)，目前處在研制階段，它是進一步提高移動通信系統(tǒng)容量及質(zhì)量的最大希望所在，其前景是光明的，但是困難和問題也很多，值得我們進一步研究與開發(fā)。