智能天線(xiàn)在第3代移動(dòng)通信中的應用研究

　　在向第3代移動(dòng)通信系統(3G)發(fā)展過(guò)程中，迅速增加的業(yè)務(wù)量和有限的頻譜資源之間的矛盾日益突出。運營(yíng)商迫切希望提高系統的頻譜利用率從而提供更大的容量，智能天線(xiàn)正是解決這個(gè)矛盾的核心技術(shù)之一。從智能天線(xiàn)原理入手，結合實(shí)際應用中的復雜度、使用成本等因素，重點(diǎn)介紹了智能天線(xiàn)在3G系統中的應用，并詳細分析了它的優(yōu)勢和存在的問(wèn)題。最后針對國內移動(dòng)通信市場(chǎng)的現狀，得出結論：在即將到來(lái)的第3代移動(dòng)通信系統中，智能天線(xiàn)必將出現美好的應用前景。

    關(guān)鍵詞 第3代移動(dòng)通信 智能天線(xiàn) 自適應算法

    隨著(zhù)移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，用戶(hù)數量迅速增加，頻譜資源越來(lái)越緊張，如何利用現有頻譜資源進(jìn)一步擴展容量已成為移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。智能天線(xiàn)技術(shù)能夠降低系統干擾，提高系統容量和頻譜效率，因此受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

    1、智能天線(xiàn)原理概述

    智能天線(xiàn)也叫自適應天線(xiàn)，由多個(gè)天線(xiàn)單元組成，每一個(gè)天線(xiàn)后接一個(gè)復數加權器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。這種結構的智能天線(xiàn)只能完成空域處理。同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線(xiàn)在結構上相對較復雜，每個(gè)天線(xiàn)后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權網(wǎng)絡(luò )(結構上與時(shí)域有限沖擊響應均衡器相同)。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數可以根據一定的自適應算法進(jìn)行自適應更新調整。

    智能天線(xiàn)的基本原理是：天線(xiàn)以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶(hù)，在接收模式下，來(lái)自窄波束之外的信號被抑制，在發(fā)射模式下，能使期望用戶(hù)接收的信號功率最大，同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶(hù)受到的干擾最小。智能天線(xiàn)是利用用戶(hù)空間位置的不同來(lái)區分不同用戶(hù)的。不同于傳統的頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)，智能天線(xiàn)引入第4種多址方式：空分多址(SDMA)，即在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據信號不同的中間傳播路徑而區分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實(shí)現組合的多址方式，例如空分？碼分多址(SD-CDMA)。智能天線(xiàn)與傳統天線(xiàn)概念有本質(zhì)的區別，其理論支撐是信號統計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎是自適應天線(xiàn)和高分辨陣列信號處理。

    2、智能天線(xiàn)在3G系統中的應用

    歐、日、美等國非常重視智能天線(xiàn)技術(shù)在未來(lái)移動(dòng)通信方案中的地位與作用，已經(jīng)開(kāi)展了大量的理論分析研究，同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗平臺。歐洲通信委員會(huì )(CEC)在RACE(researchintoadvancedcommunication in europe)計劃中實(shí)施了第一階段智能天線(xiàn)技術(shù)研究，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。日本的ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線(xiàn)。而美國的ArrayComm公司和中國電信科學(xué)研究院信威公司也研制出應用于無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路(WLL)智能天線(xiàn)系統。我國也早已將研究智能天線(xiàn)技術(shù)列入國家863-317通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項，許多專(zhuān)家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。

    2.1在WCDMA和CDMA2000中的應用

    第3代系統被設計為一個(gè)可以提供相當高速的數據業(yè)務(wù)的系統。但是，它們還會(huì )像第2代系統那樣受到空中信道質(zhì)量的限制。標準化組織已經(jīng)認識到智能天線(xiàn)在改善這個(gè)矛盾方面所起的作用，并且在即將出臺的3G標準中制訂了相關(guān)的條款。如WCDMA和CDMA2000都允許在上行和下行鏈路為每個(gè)移動(dòng)用戶(hù)分配專(zhuān)門(mén)的導頻信道，但是將要求使用智能天線(xiàn)系統。

    對于WCDMA和CDMA2000系統而言，智能天線(xiàn)雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始支持智能天線(xiàn)了。{{分頁(yè)}}

    2.2在TD-SCDMA系統中的應用

    TD-SCDMA(時(shí)分同步的碼分多址)智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對稱(chēng)性(無(wú)線(xiàn)環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線(xiàn)可減少小區間干擾，也可減少小區內干擾。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著(zhù)提高移動(dòng)通信系統的頻譜效率。

    TD-SCDMA系統的智能天線(xiàn)是由8個(gè)天線(xiàn)單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線(xiàn)相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線(xiàn)和對應的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使用DSP(數字信號處理器)使主瓣自適應地指向移動(dòng)臺方向，就可達到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線(xiàn)的上述性能允許更為密集的頻率復用，使頻譜效率得以顯著(zhù)地提高。

    由于每個(gè)用戶(hù)在小區內的位置都是不同的。這一方面要求天線(xiàn)具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統都可以跟蹤個(gè)別的用戶(hù)。通過(guò)DSP控制用戶(hù)的方向測量使上述要求可以實(shí)現。每用戶(hù)的跟蹤通過(guò)到達角進(jìn)行測量。在TD-SCDMA系統中，由于無(wú)線(xiàn)子幀的長(cháng)度是5ms，則至少每秒可測量200次，每用戶(hù)的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過(guò)智能天線(xiàn)的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。

    TDD(時(shí)分雙工)模式的TD-SCDMA的進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶(hù)信號的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行2個(gè)方向中的傳輸條件是相同的或者說(shuō)是對稱(chēng)的，使得智能天線(xiàn)能將小區間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統性能。

    3、對系統性能的改善及需解決的問(wèn)題

    3.1智能天線(xiàn)對系統性能的改善

    智能天線(xiàn)可以明顯改善無(wú)線(xiàn)通信系統的性能，提高系統的容量。具體體現在下列方面：

    1)提高頻譜利用率。采用智能天線(xiàn)代替普通天線(xiàn)，提高小區內頻譜復用率，可以在不新建或盡量少建基站的基礎上增加系統容量，降低運營(yíng)商成本。

    2)迅速解決稠密市區容量瓶頸。智能天線(xiàn)應能允許任一無(wú)線(xiàn)信道與任一波束配對，這樣就可按需分配信道，保證呼叫阻塞嚴重的地區獲得較多信道資源，等效于增加了此類(lèi)地區的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量。

    3)抑制干擾信號。智能天線(xiàn)對來(lái)自各個(gè)方向的波束進(jìn)行空間濾波。它通過(guò)對各天線(xiàn)元的激勵進(jìn)行調整，優(yōu)化天線(xiàn)陣列方向圖，將零點(diǎn)對準干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，改善了系統質(zhì)量，提高了系統可靠性。對于軟容量的CDMA系統，信干比的提高還意味著(zhù)系統容量的提高。

    4)抗衰落。高頻無(wú)線(xiàn)通信的主要問(wèn)題是信號的衰落，普通全向天線(xiàn)或定向天線(xiàn)都會(huì )因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線(xiàn)控制接收方向，自適應地構成波束的方向性，可以使得延遲波方向的增益最小，降低信號衰落的影響。智能天線(xiàn)還可用于分集，減少衰落。

    5)實(shí)現移動(dòng)臺定位。采用智能天線(xiàn)的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。通過(guò)此方法，用2個(gè)基站就可將用戶(hù)終端定位到一個(gè)較小區域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統只能確定移動(dòng)臺所處的小區，因此移動(dòng)臺定位的實(shí)現可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動(dòng)運營(yíng)商提升ARPU(averagerevenueperuser)值、加強自身競爭力的必然手段。 {{分頁(yè)}}

    3.2在實(shí)際應用中需要解決的問(wèn)題

    智能天線(xiàn)技術(shù)對無(wú)線(xiàn)通信，特別是CDMA系統的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線(xiàn)用于CDMA系統時(shí)，必須考慮所帶來(lái)的問(wèn)題，并在標準和產(chǎn)品設計上解決這些問(wèn)題。

    3.2.1全向波束和賦形波束

    上述智能天線(xiàn)的功能主要是由自適應的發(fā)射和接收波束賦形來(lái)實(shí)現的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據基站天線(xiàn)幾何結構、系統的要求和所接收到的用戶(hù)信號。在移動(dòng)通信系統中，智能天線(xiàn)對每個(gè)用戶(hù)的上行信號均采用賦形波束，提高系統性能是非常直接的；但在用戶(hù)沒(méi)有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區域內移動(dòng)時(shí)(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶(hù)所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射(如系統中的pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來(lái)，對全向信道來(lái)說(shuō)，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統設計時(shí)所必須考慮的。

    3.2.2智能天線(xiàn)的校準

    在使用智能天線(xiàn)時(shí)，必須具有對智能天線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準的技術(shù)。在TDD系統中使用智能天線(xiàn)時(shí)是根據電磁場(chǎng)理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數來(lái)進(jìn)行下行波束賦形。但對實(shí)際無(wú)線(xiàn)基站，每一條通路的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準，則下行波束賦形將受?chē)乐赜绊?。這樣，不僅得不到智能天線(xiàn)的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。

    3.2.3智能天線(xiàn)和其他抗干擾技術(shù)的結合

    目前，在智能天線(xiàn)算法的復雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現的可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實(shí)用的智能天線(xiàn)算法還不能解決時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片寬度的多徑干擾，也無(wú)法克服高速移動(dòng)多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動(dòng)環(huán)境下，必須將智能天線(xiàn)和其他抗干擾的數字信號處理技術(shù)結合使用，才可能達到最佳的效果。這些數字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(jointdetection)、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線(xiàn)和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結合已有實(shí)用的算法，而和Rake接收機的結合算法還在研究中。

    3.2.4設備復雜性的考慮

    顯然，智能天線(xiàn)的性能將隨著(zhù)天線(xiàn)陣元數目的增加而增加。但是增加天線(xiàn)陣元的數量，又將增加系統的復雜性。此復雜性主要是基帶數字信號處理的量將成幾何級數遞增?，F在，CDMA系統在向寬帶方向發(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復雜性已對微電子技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，這就限制了天線(xiàn)元的數量不可能太多。按目前的水平，天線(xiàn)元的數量在6？16之間。

    4、結論

    考慮到國內不同的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )現狀，對即將得到3G牌照的各個(gè)運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，將會(huì )采用不同的3G標準和不同的演進(jìn)道路，但智能天線(xiàn)將是運營(yíng)商共同的選擇。

    對于原本就沒(méi)有建設2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，建設全新的網(wǎng)絡(luò )非常適宜。如果選擇建設TD-SCDMA系統，作為其核心技術(shù)，智能天線(xiàn)憑借其提高系統容量、減小移動(dòng)臺發(fā)射功率等方面的優(yōu)勢，將會(huì )有效地降低運營(yíng)商的投資并提高其經(jīng)濟收益。而對于已經(jīng)建設GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)商，分別過(guò)渡到WCDMA和CDMA2000系統將是最佳選擇。對這些運營(yíng)商而言，智能天線(xiàn)雖然只作為一種推薦配置，但是它可以顯著(zhù)提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的容量，由于我國大城市的人口密度一般都很高，因而這一優(yōu)勢對我國的運營(yíng)商尤其重要。與此同時(shí)，由于智能天線(xiàn)技術(shù)的使用，提高了小區的信號質(zhì)量，減少了鄰近小區的干擾，因此也擴大了覆蓋范圍。而智能天線(xiàn)技術(shù)的干擾緩解機制對系統也有改善：由于整體噪聲水平的降低，信號功率能夠集中于特定的用戶(hù)終端，基站和用戶(hù)終端僅僅需要較小的發(fā)射功率就能夠達到同樣的信號質(zhì)量水平。盡管智能天線(xiàn)技術(shù)要求配置多個(gè)天線(xiàn)，增加了功率放大器的數量，但更重要的是，功率放大器的發(fā)射功率有較大的減少，功率放大器的單價(jià)大大下降；由于大功率寬帶放大器制造工藝復雜，成本高昂，所以使用多個(gè)低功率放大器反而大大節約了投資，同時(shí)還提高了整個(gè)功放子系統的可靠性。

　　綜上所述，在即將到來(lái)的第3代移動(dòng)通信系統中，大部分運營(yíng)商都將采用智能天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提高系統的性能和容量，有充分的理由相信，智能天線(xiàn)必將出現美好的應用前景。