智能天線(xiàn)技術(shù)的應用

智能天線(xiàn)技術(shù)的應用

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

　　關(guān)鍵詞智能天線(xiàn)WCDMAcdma2000TD-CDMA

　　1引言

　　移動(dòng)通信迅速發(fā)展給系統帶來(lái)的容量壓力，使得如何高效率的利用無(wú)線(xiàn)頻譜受到了廣泛的重視，智能天線(xiàn)技術(shù)被認為是目前進(jìn)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(xiàn)的概念，以及它在提高無(wú)線(xiàn)系統能力（容量、覆蓋和新業(yè)務(wù)等）方面的應用價(jià)值。在此基礎上，文章的第二部分對智能天線(xiàn)的工作原理和技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了描述。由于目前3G是我國在通信系統應用研究方面的重點(diǎn)，因此本文的后續部分對智能天線(xiàn)技術(shù)在3G各種通信制式中的應用進(jìn)行了重點(diǎn)討論。除了TD-SCDMA已經(jīng)將智能天線(xiàn)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(xiàn)的研究和現場(chǎng)試驗結果，說(shuō)明了該技術(shù)在WCDMA和cdma2000的應用前景。

　　2智能天線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的業(yè)務(wù)將通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波的方式來(lái)進(jìn)行，有限的頻譜資源面對著(zhù)越來(lái)越高的容量需求的壓力。對于第二代移動(dòng)通信系統GSM，在我國的一些大城市已經(jīng)出現了容量供應困難的現象，小區蜂窩的半徑已經(jīng)很小，而目前作為應用研究重點(diǎn)的3G以及它的業(yè)務(wù)模式無(wú)疑將對網(wǎng)絡(luò )容量有更高的要求。高速的數據業(yè)務(wù)將作為3G網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的一個(gè)主要特點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò )數據流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在3G系統中實(shí)現與第二代系統明顯的差別服務(wù)，充分體現3G系統在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò )容量將是網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)者必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。就目前的情況而言，智能天線(xiàn)技術(shù)將是提高網(wǎng)絡(luò )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。

　　天線(xiàn)方向圖的增益特性能夠根據信號情況實(shí)時(shí)進(jìn)行自適應變化的天線(xiàn)稱(chēng)為智能天線(xiàn)。與普通天線(xiàn)以射頻部分為主不同，智能天線(xiàn)包括射頻部分以及信號處理和控制部分。同時(shí)，由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對于智能天線(xiàn)的研究主要集中在基站側，我們下面討論的智能天線(xiàn)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(xiàn)或者扇區天線(xiàn)，這些天線(xiàn)具有固定的天線(xiàn)方向圖形式，而智能天線(xiàn)將具有根據信號情況實(shí)時(shí)變化的方向圖特性（見(jiàn)圖1）。

　　如圖1所示，在使用扇區天線(xiàn)的系統中，對于在同一扇區中的終端，基站使用相同的方向圖特性進(jìn)行通信，這時(shí)系統依靠頻率、時(shí)間和碼字的不同來(lái)避免相互間的干擾。而在使用智能天線(xiàn)的系統中，系統將能夠以更小的刻度區別用戶(hù)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(shí)間和碼字的基礎上，提高了系統從空間上區別用戶(hù)的能力。這相當于在頻率和時(shí)間的基礎上擴展了一個(gè)新的維度，能夠很大程度地提高系統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(hù)位置信息等）。

　　3 智能天線(xiàn)的工作原理與發(fā)展情況

　　天線(xiàn)的方向圖表示的是空間角度與天線(xiàn)增益的關(guān)系，對于全向天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的方向圖是一個(gè)圓；對于陣列天線(xiàn)，可以通過(guò)調整陣列中各個(gè)元素的加權參數來(lái)形成更具方向性的天線(xiàn)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(xiàn)正是一種能夠根據通信的情況，實(shí)時(shí)地調整陣列天線(xiàn)各元素的參數，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(gè)智能天線(xiàn)結構的示例圖。

　　智能天線(xiàn)包括射頻天線(xiàn)陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部分根據得到的關(guān)于通信情況的信息，實(shí)時(shí)地控制天線(xiàn)陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無(wú)線(xiàn)信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí)，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(dòng)通信中無(wú)線(xiàn)信號的復雜性，所以這種根據通信情況實(shí)時(shí)調整天線(xiàn)特性的工作方式對算法的準確程度、運算量以及能夠實(shí)時(shí)完成運算的硬件設備都有很高的要求。這決定了智能天線(xiàn)的發(fā)展是一個(gè)分階段的、逐步完善的過(guò)程，目前通常將這種過(guò)程分為以下三個(gè)階段（見(jiàn)圖3）：

　　●第一階段：開(kāi)關(guān)波束轉換。在天線(xiàn)端預先定義一些波瓣較窄的波束，根據信號的來(lái)波方向實(shí)時(shí)確定發(fā)送和接收所使用的波束，達到將最大天線(xiàn)增益方向對準有效信號，降低發(fā)送和接收過(guò)程中的干擾的目的。這種方法位于扇區天線(xiàn)和智能天線(xiàn)之間，實(shí)現運算較為簡(jiǎn)單，但是性能也比較有限。

　　●第二階段：自適應（最強）信號方向。根據接收信號的最強到達方向，自適應地調整天線(xiàn)陣列的參數，形成對準該方向的接收和發(fā)送天線(xiàn)方向圖。這是動(dòng)態(tài)自適應波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開(kāi)關(guān)波束轉換，同時(shí)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。根據得到的通信情況的信息，實(shí)時(shí)地調整天線(xiàn)陣列的參數，自適應地形成最大化有用信號、最小化干擾信號的天線(xiàn)特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線(xiàn)的工作方式，能夠很大程度地提高系統無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率。但是其算法復雜，實(shí)時(shí)運算量大，同時(shí)還需要進(jìn)一步探尋各種實(shí)際情況下的最佳算法。

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

　　4 智能天線(xiàn)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(lái)區分不同的用戶(hù)，因此接收端各個(gè)信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統中的時(shí)隙偏差等問(wèn)題都可能在系統內用戶(hù)之間形成一定程度的干擾。同時(shí)，在理論分析的基礎上，大量的仿真和現場(chǎng)試驗結果也證明了：在3G通信系統中，網(wǎng)內干擾將超過(guò)系統固有的熱噪聲，成為制約系統性能的主要因素。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(wèn)題已經(jīng)得到共識，成為3G網(wǎng)絡(luò )規劃和運營(yíng)的主要特點(diǎn)。

　　在業(yè)務(wù)特性上，3G以高速的數據業(yè)務(wù)、視頻電話(huà)和能力得到增強的增值業(yè)務(wù)作為其對2G系統形成服務(wù)優(yōu)勢的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡(luò )流量。但是與2G系統一樣，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3G系統在業(yè)務(wù)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(xiàn)技術(shù)正是目前被認為是能夠實(shí)現這一目標的最有效的方法之一。它通過(guò)增加系統SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統中容量與網(wǎng)內干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統對空中無(wú)線(xiàn)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(shí)隙間隔相互交錯的上下行信道之間具有較強的相關(guān)性，這樣比較容易根據上行信道的接收情況對下行信道的發(fā)送特性進(jìn)行準確的調整，因此TD-SCDMA成為3G標準中最方便于使用智能天線(xiàn)的一個(gè)技術(shù)，并且已經(jīng)進(jìn)行了標準化，將智能天線(xiàn)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，加上城區中復雜的無(wú)線(xiàn)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。但是由于對系統性能改善方面的重要作用，所以關(guān)于FDD系統中智能天線(xiàn)的使用也在不斷研究和嘗試中。

　　在英國進(jìn)行的TSUNAMI Ⅱ項目，在DCS1800系統的基礎上，通過(guò)使用8副各自由8個(gè)元素構成的天線(xiàn)陣列對智能天線(xiàn)在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡(luò )中的性能情況進(jìn)行了現場(chǎng)試驗，對各種自適應算法進(jìn)行了比較，并且發(fā)布了如下的一些試驗結果：

　?。?）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò )結構中，當信號到達方向相差10度以上的時(shí)候，通過(guò)使用智能天線(xiàn)，系統獲得了達到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%；

　?。?）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò )結構中，通過(guò)使用8元素的智能天線(xiàn)，系統容量增加了300%；

　?。?）微蜂窩的網(wǎng)絡(luò )結構下智能天線(xiàn)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的性能增益。需要對微蜂窩的情況進(jìn)行更深入的研究。

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

　　5 結束語(yǔ)

　　移動(dòng)通信用戶(hù)量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語(yǔ)音通信向寬帶高速數據通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò )容量成為網(wǎng)絡(luò )建設，尤其是未來(lái)3G網(wǎng)絡(luò )建設中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。單純地依靠增加基站（使用微蜂窩增加頻率的復用度），無(wú)論從成本和性能表現方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線(xiàn)技術(shù)的引入，將通過(guò)增加系統在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統對于無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率。與其它所有的先進(jìn)技術(shù)一樣，智能天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也是一個(gè)伴隨著(zhù)算法研究和硬件升級的循序漸進(jìn)的過(guò)程。由于對其重要作用的認識，近年來(lái)在世界范圍內開(kāi)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(kāi)始了實(shí)際的應用階段，實(shí)際使用中的各種問(wèn)題也在逐步得到解決。當前，我國正在對下一代移動(dòng)通信系統的實(shí)際應用能力進(jìn)行大規模的研究和試驗，智能天線(xiàn)技術(shù)無(wú)疑也將成為討論的熱點(diǎn)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。