第四代移動(dòng)通信系統中的多天線(xiàn)技術(shù)

　　一、引言

　　由于第三代移動(dòng)通信系統（3G）還存在一些不足，包括很難達到較高的通信速率，提供服務(wù)速率的動(dòng)態(tài)范圍不大，不能滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)類(lèi)型要求，以及分配給3G系統的頻率資源已經(jīng)趨于飽和等，于是人們提出了第四代移動(dòng)通信系統（4G）的構想。4G的關(guān)鍵技術(shù)包括：

　?。?）調制和信號傳輸技術(shù)（OFDM）；

　?。?）先進(jìn)的信道編碼方式（Turbo碼和LDPC）；

　?。?）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）；

　?。?）軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)；

　?。?）MIMO和智能天線(xiàn)技術(shù)；

　?。?）基于公共IP網(wǎng)的開(kāi)放結構。

　　研究表明，在基于CDMA技術(shù)的3G中使用多天線(xiàn)技術(shù)能夠有效降低多址干擾，空時(shí)處理能夠極大增加CDMA系統容量。憑在提高頻譜利用率方面的卓越表現，MIMO和智能天線(xiàn)成為4G發(fā)展中炙手可熱的課題。

　　二、智能天線(xiàn)技術(shù)

　　智能天線(xiàn)最初用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域。使用智能天線(xiàn)可以在不顯著(zhù)增加系統復雜程度的情況下滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和擴充容量的需要。

　　1.基本原理和結構

　　智能天線(xiàn)利用數字信號處理技術(shù)，采用先進(jìn)的波束轉換技術(shù)（switched beam technology）和自適應空間數字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），判斷有用信號到達方向（DOA）通過(guò)選擇適當的合并權值，在此方向上形成天線(xiàn)主波束，同時(shí)將低增益旁瓣或零陷對準干擾信號方向。在發(fā)射時(shí)，能使期望用戶(hù)的接收信號功率最大化，同時(shí)使窄波束照射范圍外的非期望用戶(hù)受到的干擾最小，甚至為零。

　　智能天線(xiàn)引入空分多址（SDMA）方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶(hù)仍可以根據信號空間傳播路徑的不同而區分。實(shí)際應用中，天線(xiàn)陣多采用均勻線(xiàn)陣或均勻圓陣。智能天線(xiàn)系統由天線(xiàn)陣；波束成形成網(wǎng)絡(luò )；自適應算法控制三部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1　典型的智能天線(xiàn)系統

　　2.智能天線(xiàn)的分類(lèi)

　　智能天線(xiàn)主要分為波束轉換智能天線(xiàn)（switched beam antenna）和自適應陣列智能天線(xiàn)（adaptive array antenna）。

　?。?）波束轉換智能天線(xiàn) 　　波束轉換智能天線(xiàn)具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，它利用多個(gè)并行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線(xiàn)元的數目而確定（見(jiàn)圖2）。波束轉換系統實(shí)現比較經(jīng)濟，與自適應天線(xiàn)相比結構簡(jiǎn)單，無(wú)需迭代，響應快、魯棒性好。但預先設計好的工作模式有限，窄波束的特性將極大地影響系統性能。

圖2　波束轉換智能天線(xiàn)

　?。?）自適應陣列智能天線(xiàn)

　　自適應陣列智能天線(xiàn)實(shí)時(shí)地對用戶(hù)到達方向（DOA）進(jìn)行估計，在此方向上形成主波束，同時(shí)使旁瓣或零陷對準干擾方向。自適應天線(xiàn)陣列一般采用4～16天線(xiàn)陣元結構，陣元間距為1/2波長(cháng)（若陣元間距過(guò)大會(huì )使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì )在方向圖形成不必要的柵瓣，可能放大噪聲或干擾）。圖3對自適應陣列智能天線(xiàn)與波束轉換智能天線(xiàn)進(jìn)行了比較。

圖3　自適應陣列智能天線(xiàn)（a）與束轉換智能天線(xiàn)（b）的比較