個(gè)人手持式電話(huà)系統的天線(xiàn)技術(shù)

摘要本文分析了PHS系統的無(wú)線(xiàn)信道對電波傳輸的各種影響，提出了PHS系統中所采用的改善系統性能的天線(xiàn)技術(shù)，并展望了今后PHS系統天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。

1 前言

PHS是個(gè)人便攜電話(huà)系統（Personal Handyphone System）的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)為“小靈通”。它工作在1.9GHz的頻段，采用微蜂窩網(wǎng)絡(luò )結構，每個(gè)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首先開(kāi)通無(wú)線(xiàn)市話(huà)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(huà)的價(jià)格提供移動(dòng)電話(huà)的服務(wù)，因此吸引了大量的用戶(hù)，至2002年底用戶(hù)量已迅速突破1250萬(wàn)，2003年極有可能要達到2500萬(wàn)。但是，作為一種采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的個(gè)人通信系統，PHS系統的無(wú)線(xiàn)信道面臨著(zhù)各種問(wèn)題，如多徑傳輸引起的快衰落問(wèn)題，頻率復用引進(jìn)的同頻干擾問(wèn)題等，這些問(wèn)題解決的好壞將直接影響PHS網(wǎng)絡(luò )的通話(huà)質(zhì)量，從而對PHS系統的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

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

2 分集接收技術(shù)

PHS屬于低功率系統范疇，基站作用范圍通常在幾十到幾百米以?xún)?，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(wú)線(xiàn)信號在經(jīng)過(guò)短時(shí)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(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達接收機的信號相互干涉引起的，其三個(gè)主要效應表現為：

* 經(jīng)過(guò)短距或短時(shí)傳播后信號強度的急劇變化；

* 在不同多徑信號上，存在著(zhù)時(shí)變的多普勒頻移引起的隨機頻率調制；

* 多徑傳播時(shí)延引起的擴展（回音）。

在PHS系統中，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(gè)信號的兩個(gè)或多個(gè)獨立的采樣，這些樣本的衰落是不相關(guān)的。這意味著(zhù)所有樣本同時(shí)低于一個(gè)給定電平的概率比任何一個(gè)樣本低于該值的概率要小得多。M個(gè)樣本同時(shí)低于一個(gè)確定電平的概率是Pm，其中P是單個(gè)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(gè)單個(gè)樣本的衰落現象要輕得多。分集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能提高系統性能而不需增加發(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系統使用的基站天線(xiàn)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)系數表示，相關(guān)系數越小，則分集接收的效果越好，相關(guān)系數越大，則分集接收的效果越差。對于空間分集來(lái)說(shuō)，兩根接收天線(xiàn)相距越遠，相關(guān)系數就越小，兩根天線(xiàn)同時(shí)位于衰落零點(diǎn)的概率越小。采用空間分集方式的天線(xiàn)，其設計依賴(lài)于天線(xiàn)高度與天線(xiàn)間距離的比值H，即H=h/d，對于水平分集天線(xiàn)，H是最優(yōu)經(jīng)驗值是11，這時(shí)可獲得最優(yōu)分集增益。而兩天線(xiàn)之間間距應為半波長(cháng)的奇數倍，并且現有的PHS系統基站天線(xiàn)的距離應大于5倍的波長(cháng)，天線(xiàn)高度與天線(xiàn)間距的最優(yōu)經(jīng)驗值如表1所示：

3 自適應天線(xiàn)技術(shù)

PHS是采用微小區制來(lái)組網(wǎng)的，它把整個(gè)服務(wù)區劃為許多個(gè)微小區，這些微小區有機地組合在一起以滿(mǎn)足整個(gè)無(wú)線(xiàn)區移動(dòng)通信的需求。PHS系統在各小區內采用動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)，隨著(zhù)通話(huà)建立過(guò)程為小區站自行分配最佳的頻率信道。但是PHS系統的頻率復用帶來(lái)了同頻干擾的問(wèn)題，同頻干擾的存在使系統的頻率利用率降低，從而導致系統容量的下降。在PHS系統中，若采用自適應天線(xiàn)技術(shù)則可降低同頻干擾。

自適應天線(xiàn)中不同用戶(hù)的信號先通過(guò)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(xiàn)單元數），這些信號分別以系數W1,W2…Wn進(jìn)行加權，然后送到各天線(xiàn)單元上。各天線(xiàn)單元上的合成信號波形相同，只是幅度和相位有所不同。

采用自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)的PHS基站對覆蓋區域內的天線(xiàn)方向圖，可以通過(guò)調整每個(gè)天線(xiàn)發(fā)射信號的相位、幅度，使得在通信方向的天線(xiàn)增益最大，而在干擾方向上的天線(xiàn)增益減小，從而減少干擾，載干比（C/I）改善可達10dB。

采用了自適應天線(xiàn)技術(shù)后，使得在基站與基站覆蓋相鄰的區域中場(chǎng)強有明顯高低區分，手機切換干擾減小，避免了反復切換掉話(huà)的現象。

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

4 發(fā)展的方向；智能天線(xiàn)技術(shù)

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

智能天線(xiàn)首先將每個(gè)用戶(hù)信號分為D路（D為陣列單元數），然后對每個(gè)用戶(hù)信號進(jìn)行分別加權，產(chǎn)生MxD的信號（M為用戶(hù)數），最后將相應的M路信號合為一路送到各個(gè)天線(xiàn)單元，由于各天線(xiàn)單元信號都是由M路信號以不同加權系數組合而成，因此各天線(xiàn)單元信號的波形是不同的，構成了M個(gè)信道方向圖。對每個(gè)信道，當只有A點(diǎn)信號存在，通過(guò)選取W11、W12…W1D進(jìn)行加權，可以得到A點(diǎn)的信道方向圖，當只有B點(diǎn)信號存在時(shí)，可以選取W21、W22…W2D進(jìn)行加權，得到B點(diǎn)的信道方向圖，當兩個(gè)信號同時(shí)存在時(shí)，由場(chǎng)的疊加原理可知，智能天線(xiàn)的功率方向圖為兩個(gè)信道方向圖的疊加，從而保證兩個(gè)用戶(hù)信號共用一個(gè)傳統的信道，實(shí)現空分復用。

智能天線(xiàn)系統中，各信道波束是互不相關(guān)的，能夠獨立的調整各信道波束區分別跟蹤信號，所能產(chǎn)生的信道波束與天線(xiàn)單元陣列數無(wú)關(guān)，每個(gè)用戶(hù)信號對應一套（D個(gè)）加權器，從而可以滿(mǎn)足增加系統容量，抑制干擾的要求。智能天線(xiàn)的最大魅力在于，它可以利用信號方向的不同，將不同的信號區分開(kāi)，從而對傳統信道進(jìn)行空分復用，成倍地提高系統容量。

5 結束語(yǔ)

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