智能天線(xiàn)技術(shù)在GSM網(wǎng)絡(luò )中的應用

一、智能天線(xiàn)應用背景

　　最初的智能天線(xiàn)技術(shù)主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來(lái)完成空間濾波和定位等。近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)通信的發(fā)展及對移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線(xiàn)理論等方面的研究逐漸深入，現代數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可能，天線(xiàn)系統的可靠性與靈活程度不斷提高。

智能天線(xiàn)技術(shù)可用于具有復雜電波傳播的移動(dòng)通信環(huán)境。智能天線(xiàn)的原理是將無(wú)線(xiàn)電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準用戶(hù)信號到達方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時(shí)，智能天線(xiàn)技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號空間特征的差異，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線(xiàn)可滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò )擴容的需要。實(shí)際上，它使通信資源不再局限于時(shí)間域、頻率域或碼域而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。第三代移動(dòng)通信標準組織已經(jīng)認識到智能天線(xiàn)在降低網(wǎng)絡(luò )干擾方面的重要作用，因此，在3G標準如WCDMA和cdma2000中，支持智能天線(xiàn)的條款已經(jīng)出現，智能天線(xiàn)已成為3G的重要組成部分。

目前除了極少數的國家有正式的3G商用網(wǎng)，我國和大多數地區3G仍然處于試驗網(wǎng)的階段，預計未來(lái)兩到三年內GSM網(wǎng)絡(luò )仍然是移動(dòng)話(huà)務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò )。在中國大中城市GSM網(wǎng)的用戶(hù)數以每年約20%比例增加，在部分熱點(diǎn)地區，每平方公里承載的話(huà)務(wù)量甚至達到了1500erl。GSM網(wǎng)絡(luò )的容量在硬件配置充分的環(huán)境下完全受限于網(wǎng)絡(luò )的頻率資源，在有限的頻寬下，要增加網(wǎng)絡(luò )容量，只能減小頻率復用距離，而頻率復用距離越近，網(wǎng)絡(luò )的干擾越高。

根據目前GSM網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)的經(jīng)驗，在保證使用合適的小區信號的前提下，要保持網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量在客戶(hù)可接受的話(huà)音質(zhì)量（清晰無(wú)雜音）范圍內，則必須按照載干比在18dB以上進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規劃。無(wú)論是按照傳統的4/12頻率復用方式還是利用MRP或1*3頻率復用方式，在現有頻寬下均最多按照12dB的載干比進(jìn)行頻率規劃，剩余的載干比只能依靠動(dòng)態(tài)功率控制、跳頻、不連續發(fā)射等功能的增益進(jìn)行補償。降低網(wǎng)絡(luò )的干擾水平、提高系統的載干比在GSM高速增長(cháng)期，特別是在GPRS業(yè)務(wù)正式商用后顯得非常重要，因此不少GSM生產(chǎn)廠(chǎng)商和運營(yíng)商都在考慮將3G標準中的智能天線(xiàn)用于GSM網(wǎng)絡(luò )中，一些廠(chǎng)商如愛(ài)立信、麥得威等公司在話(huà)務(wù)高的局部區域開(kāi)展了相應的研究和試驗，并取得了較理想的效果。

　　二、智能天線(xiàn)的原理

　　具有高增益、窄波束相位陣列天線(xiàn)的智能切換天線(xiàn)正在替代傳統的扇區天線(xiàn)。一個(gè)多波束的天線(xiàn)面板包括了4個(gè)30?(或者22.5?)的波束，因而接收信號時(shí)能夠接收到比標準扇區天線(xiàn)更少的干擾信號，故而提高接收信號的質(zhì)量。根據理論計算，一個(gè)包括4個(gè)可切換的窄波束天線(xiàn)的平均C/I值可比傳統的3-扇區天線(xiàn)系統增加6dB。

智能天線(xiàn)系統以時(shí)隙為基礎連續地進(jìn)行波束選擇，以確保用戶(hù)在通話(huà)過(guò)程中的話(huà)音質(zhì)量。

用于試驗的智能天線(xiàn)有兩部分組成，即一根多波束陣列天線(xiàn)和一根雙極化天線(xiàn)，這兩部分可整體封裝在一個(gè)天線(xiàn)平板中也可以分開(kāi)使用。多波束陣列天線(xiàn)是一個(gè)由6?8天線(xiàn)陣源的天線(xiàn)陣列形成的4個(gè)水平3dB波瓣寬度22.5?多波束陣列天線(xiàn)，一般稱(chēng)其為窄波束天線(xiàn)，其主要功能是發(fā)射話(huà)務(wù)信道的信號（TCH）和接收上行信號；雙極化天線(xiàn)包含2個(gè)水平3dB波瓣寬度90?天線(xiàn)，一般稱(chēng)其為寬波束天線(xiàn)，其功能是發(fā)射控制信道的信號（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。

　　三、智能天線(xiàn)在GSM網(wǎng)絡(luò )中的應用實(shí)例

　　1．引入智能天線(xiàn)的小區選擇

　　由于智能天線(xiàn)引入時(shí)需對網(wǎng)絡(luò )做相應的硬件改造，同時(shí)考慮到其價(jià)格，在目前的GSM網(wǎng)絡(luò )中比較適合的策略是在局部站點(diǎn)引入智能天線(xiàn)。引入智能天線(xiàn)的目的主要在于利用其特點(diǎn)降低網(wǎng)內的頻率干擾，因此建議引入智能天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)基站選擇那些站點(diǎn)位置高、對其他小區干擾嚴重的站點(diǎn)。如深圳的試驗站點(diǎn)選擇了市區的一個(gè)小區，該站點(diǎn)比周?chē)军c(diǎn)的高度高出約10米、與周?chē)军c(diǎn)平均站距為500米，在該小區覆蓋區域存在較多的信號重疊覆蓋。

　　2．道路測試中下行干擾的改善

　　為了更明顯地對比引入智能天線(xiàn)前后對下行干擾的情況，在試驗過(guò)程中，我們人為地將與試驗小區方向正對的小區頻率改為與試驗小區同頻。理論上，智能天線(xiàn)將下行信號強度集中在有話(huà)務(wù)的區域，因此會(huì )降低對其他小區的干擾，其中（a）為使用普通定向天線(xiàn)的小區覆蓋情況，(b)為使用智能天線(xiàn)的小區覆蓋情況。

　?。?/span>1）下行信號強度的比較

　　在實(shí)際應用中通過(guò)對比智能天線(xiàn)引入前后的下行信號強度的變化，可評估其對下行干擾的改善，智能天線(xiàn)通過(guò)減少下行場(chǎng)強達到降低對其他小區干擾的目的。在試驗中針對智能天線(xiàn)不同波束方向在忙時(shí)（10：00-12：00）進(jìn)行了持續的場(chǎng)強測試（超過(guò)15分鐘）。

信號場(chǎng)強降低程度在1.4-8.1dbm間變化，信號強度變化不同的原因，一方面是天線(xiàn)的扇形覆蓋，另一方面是話(huà)務(wù)在不同波束方向的分布不同。

　?。?/span>2）載干比的對比測量

　　由于原網(wǎng)絡(luò )中頻率復用距離很遠，同頻干擾很小，為了加強對比效果我們將與試驗小區方向正對的鄰小區改為同頻小區（這種情況在目前的扇區天線(xiàn)下是會(huì )引起嚴重質(zhì)差應盡量避免的）。選中的鄰小區是最可能受到試驗小區干擾的，特別是在該區域的一條主干道上，選中的小區為服務(wù)小區，試驗小區為第一鄰區。選擇主干道上的7個(gè)點(diǎn)為C/I的測試點(diǎn)，利用TEMSinvestgation測試頻點(diǎn)1的C/I值，對比更換智能天線(xiàn)前后的C/I值。

更換天線(xiàn)前后，干擾信號強度變化曲線(xiàn)規律一致，說(shuō)明更換前后的無(wú)線(xiàn)環(huán)境是類(lèi)似的。對比更換前后的干擾小區信號強度，應用智能天線(xiàn)后下行干擾最大可降低3.3dB，相當于降低了53%的下行干擾。測試點(diǎn)1、2、3的下行干擾沒(méi)有改善，估計是由于測試點(diǎn)周?chē)凶钃跻饻y試點(diǎn)收到較多的反射信號。

　　3．統計指標的對比

　　在試驗期間，我們對比掉話(huà)率、SQI（話(huà)音質(zhì)量指示）、話(huà)務(wù)掉話(huà)比等各項指標并進(jìn)行了總體觀(guān)察，發(fā)現應用了智能天線(xiàn)后，試驗小區及周?chē)徯^話(huà)務(wù)質(zhì)量有了一定的改善。

（1）話(huà)音信道掉話(huà)率指標的前后對比如。

使用智能天線(xiàn)后，小區集的掉話(huà)率指標有一定提升，使用了智能天線(xiàn)后，平均掉話(huà)率從0.46%下降為0.41%。

（2）SQI指標情況

以SQI為“好”的等級比例在應用智能天線(xiàn)前后的變化為例，整個(gè)小區集的SQIGOOD比例從85.71%上升到了87.94%，這表明在應用智能天線(xiàn)后用戶(hù)可以享受到更好的語(yǔ)音質(zhì)量。

（3）話(huà)務(wù)掉話(huà)比是可以較全面地衡量網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量變化的一個(gè)指標，在應用智能天線(xiàn)前后，話(huà)務(wù)掉話(huà)比也有明顯提升，從105.22分鐘提高到128.24分鐘，即兩個(gè)連續掉話(huà)的時(shí)間間隔擴展了23分鐘。

　　4．上行干擾的改善

　　理論上，由于智能天線(xiàn)是多波束的天線(xiàn)，因而接收信號時(shí)能夠將接收的多徑信號進(jìn)行最大比例合路計算得到比標準扇區天線(xiàn)更少的干擾信號，故而提高接收信號的質(zhì)量，達到改善上行干擾的目的。與下行干擾的改善不同的是，應用智能天線(xiàn)后只改善應用了智能天線(xiàn)的小區，而下行干擾的改善是針對整個(gè)區域的小區。

上行干擾的指標由統計人員通過(guò)OSS的上行質(zhì)量統計、手機發(fā)射功率變化、話(huà)務(wù)統計指標三個(gè)方面進(jìn)行分析。

　?。?/span>1）OSS統計的上行質(zhì)量統計

在愛(ài)立信系統中，可通過(guò)BTS收集上行信號的質(zhì)量得知，應用智能天線(xiàn)后小區的上行質(zhì)量有所提高。

　?。?/span>2）OSS統計的手機功率變化

由于在系統中已應用了上行的功率控制，因此手機的發(fā)射功率一直根據BTS測量到的上行信號強度和上行質(zhì)量情況來(lái)調節的，手機的發(fā)射功率越小，說(shuō)明上行的信號強度和信號質(zhì)量越好，在上行信號強度無(wú)明顯的情況下，手機的發(fā)射功率與上行信號質(zhì)量就有一定的對應關(guān)系。愛(ài)立信的OSS統計中有針對手機發(fā)射功率的統計，應用智能天線(xiàn)后手機滿(mǎn)功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機平均發(fā)射功率減少了2.7dB，相當于在空中手機發(fā)射功率降低了46%，這對上行干擾的改善是很大的。

　?。?/span>3）上行質(zhì)差引起掉話(huà)統計

應用智能天線(xiàn)前后上行質(zhì)差掉話(huà)統計指標也有一定提高，上行質(zhì)差掉話(huà)比例從9.7%下將到了1.6%（上行質(zhì)差掉話(huà)比例是指上行質(zhì)差引起的掉話(huà)占所有掉話(huà)的比例）。應用了智能天線(xiàn)后上行干擾有顯著(zhù)改善。

　　四、小結

　　通過(guò)已開(kāi)展的GSM網(wǎng)絡(luò )中的智能天線(xiàn)應用可見(jiàn)，智能天線(xiàn)可以匹配原網(wǎng)絡(luò )的覆蓋情況，通過(guò)上下行的波束切換進(jìn)行干擾控制。在上行方面，智能天線(xiàn)為試驗小區提供載干比增益，從而提高了試驗小區運營(yíng)質(zhì)量；在下行方面，智能天線(xiàn)減少了對試驗小區的相鄰小區的干擾，其實(shí)質(zhì)是分配了移動(dòng)通信系統工作的空間區域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無(wú)線(xiàn)資源給網(wǎng)絡(luò )(包括試驗小區)帶來(lái)下行載干比增益，通過(guò)改善下行載干比增益提高頻率復用的距離，從而提高了網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)質(zhì)量也提高了網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)容量，為網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)一步擴容奠定了堅實(shí)的基礎。