智能天線(xiàn)技術(shù)——提高數字集群網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)性能
加入技術(shù)交流群
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/261517.htm
一、目前數字集群系統的現況
隨著(zhù)集群通信在我國的迅速發(fā)展，800MHz頻段的600對頻率資源也顯得越來(lái)越緊張。針對這一現狀，中國信產(chǎn)部在2001年已下達正式文件指出，到2005年底，中國不再批準建設模擬集群通信系統。同時(shí)，中國信產(chǎn)部也制定出適合中國的數字集群系統標準。目前在我國數字集群市場(chǎng)上，代表產(chǎn)品有以下幾個(gè)：
1．摩托羅拉公司的TETRA系統和iDEN系統
2．諾基亞公司的TETRA系統
3．中興通訊公司的GoTa系統
4．華為公司的GT800系統
數字集群系統相對于模擬集群系統，在頻率利用率上有較大的提高。例如TETRA系統，采用1：4的TDMA技術(shù)，把一個(gè)25KHz的物理信道可分為四個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來(lái)的四倍。而iDEN系統，采用1：6的TDMA技術(shù)，將一個(gè)物理信道分為六個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來(lái)的六倍。
但同時(shí)我們也在實(shí)際應用中看到，數字集群系統的信號覆蓋范圍要比模擬集群系統要小的多。例如，在中等城市地區，在類(lèi)似的條件下，模擬集群系統中單個(gè)基站的信號覆蓋，一般有15公里左右。而數字集群系統中，單個(gè)基站的信號覆蓋，一般5至7公里左右。所以在全國各地，從模擬集群系統轉型到數字集群系統的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到客戶(hù)對數字集群系統技術(shù)進(jìn)步的認可，但同時(shí)又會(huì )有對數字集群系統信號覆蓋范圍減小的顧慮。
對于當前國內的數字集群系統，在系統射頻信號的覆蓋方面，基站一般采用全向天線(xiàn)，也有各別系統為擴大系統容量、支持更多用戶(hù)，需要收縮小區范圍、降低頻率復用系數提高頻率利用率，通常采用的方法是小區分裂和扇區化。例如，同一個(gè)地點(diǎn)安裝三套同樣的基站設備，而每個(gè)基站使用120度的定向天線(xiàn)，進(jìn)行信號覆蓋，以達到在市中心提高系統用戶(hù)容量的目的。但隨之而來(lái)的是干擾增加，原來(lái)被距離（其實(shí)是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。提高數字集群的無(wú)線(xiàn)性能，對許多集群用戶(hù)而言，有著(zhù)重要的意義。
二、天線(xiàn)及天饋系統
天線(xiàn)是一種無(wú)線(xiàn)設備，它能有效地輻射或接收無(wú)線(xiàn)電電波，并由饋線(xiàn)和收發(fā)設備聯(lián)系起來(lái)，它可以實(shí)現電磁能量從一種介質(zhì)耦合到另外一種介質(zhì)去，例如從同軸線(xiàn)或波導發(fā)射到自由空間。
天線(xiàn)的種類(lèi)很多，從輻射元來(lái)講，可分為線(xiàn)天線(xiàn)和面天線(xiàn)；從輻射的空間覆蓋來(lái)講，又可分為全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)。
全向天線(xiàn)
早期的無(wú)線(xiàn)通信系統，一般都采用簡(jiǎn)單的全向天線(xiàn)，它的接收和發(fā)射在各個(gè)方向上都是相同的。
定向天線(xiàn)
天線(xiàn)的接收和發(fā)射有固定的方向。例如360°的區域可以均分為三個(gè)120°子區域，用三個(gè)定向天線(xiàn)分別完成各個(gè)120°范圍內的無(wú)線(xiàn)覆蓋。
三、智能天線(xiàn)技術(shù)
智能天線(xiàn)是目前發(fā)展迅速的一項新技術(shù)。智能天線(xiàn)是由一系列輻射元組成輻射元陣列，輻射元陣列的信號合成整個(gè)天線(xiàn)的波束圖。智能天線(xiàn)可以根據有用信號的分布情況，調整輻射元的信號分配，這樣就使得天線(xiàn)的有用波瓣方向對準有用信號，而將天線(xiàn)的零陷對準干擾信號。當有用信號分布情況變化，天線(xiàn)還可以智能地隨之調整，繼續進(jìn)行匹配。
智能天線(xiàn)的應用既提高天線(xiàn)增益又減少系統干擾兩大目的，從而顯著(zhù)地擴大了系統容量，提高了頻譜利用率。
從智能天線(xiàn)采用的設計技術(shù)方法來(lái)說(shuō)，智能天線(xiàn)技術(shù)有兩個(gè)主要分支：多波束切換型智能天線(xiàn)技術(shù)和自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)多波束天線(xiàn)和自適應天線(xiàn)陣。
1.多波束切換型智能天線(xiàn)
多波束切換型智能天線(xiàn)技術(shù)與自適應天線(xiàn)陣技術(shù)比起，實(shí)現起來(lái)要簡(jiǎn)單。多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度是由陣元數確定的。波束切換天線(xiàn)具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)在同一信道中利用多個(gè)波束同時(shí)給多個(gè)用戶(hù)發(fā)送不同的信號，它從幾個(gè)預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動(dòng)臺越過(guò)扇區時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。
在應用波束轉換技術(shù)的系統，最主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)有效的波束選擇方法，利用這種方法能夠快速和精確地對每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行正確的波束切換，被切換的波束則必須要覆蓋目標用戶(hù)所在的區域。
2.自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)
相比多波束切換型智能天線(xiàn)技術(shù)，自適應天線(xiàn)陣技術(shù)就智能的多。它是由一個(gè)由天線(xiàn)陣和實(shí)時(shí)自適應信號接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統，智能天線(xiàn)通過(guò)自適應算法控制加權，用反饋控制方法，通過(guò)自動(dòng)調整每個(gè)輻射元的幅度和相位，達到改變天線(xiàn)陣的方向圖的目的。使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而在有用信號方向形成主波束，達到抑制干擾的目的。加權系數的自動(dòng)調整就是波束的形成過(guò)程。智能天線(xiàn)波束成型大大降低了多用戶(hù)干擾，同時(shí)也減少了小區間干擾。
應用自適應天線(xiàn)陣技術(shù)，一是要準確地估計波達方向（DOA），一是要找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應算法。
2.1 波達方向（DOA）的估計
準確地估計波達方向（DOA）是自適應天線(xiàn)陣提高系統性能的前提。通過(guò)瞬時(shí)在空間上對有用信號的采樣分析，確定有用信號及干擾噪聲的空間位置，并能對有用信號的波達方向進(jìn)行跟蹤。
2.2 自適應算法
對于自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)的研究，核心是自適應算法。通過(guò)找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應算法，在時(shí)域上得出各個(gè)天線(xiàn)的最優(yōu)加權。
目前常用的智能天線(xiàn)算法主要有非盲算法和盲算法兩大類(lèi)型。
非盲算法：是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優(yōu)的迫零準則）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整勸值，以使智能天線(xiàn)輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有MMSE（最小均方誤差），LMS（最小均方），LS（最小二乘）等。非盲算法的特點(diǎn)：誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統資源。
盲算法：指無(wú)需發(fā)端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法(Decision Feedback)，是一類(lèi)較特殊的盲算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進(jìn)行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實(shí)際傳送的信號間有較小差錯。
盲算法特點(diǎn)：一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無(wú)關(guān)的一些特征，如恒模CM，子空間subspace，有限符號集，循環(huán)平衡等，并調整權值以使輸出滿(mǎn)足這種特性，常見(jiàn)的各種基于梯度的使用不同約束量的算法。
3.智能天線(xiàn)研究的動(dòng)向
在智能天線(xiàn)的研究方面，我國早已將智能天線(xiàn)技術(shù)列入國家863 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。而且，在我國自主開(kāi)發(fā)的的第三代移動(dòng)通信系統TD-SCDMA系統中，智能天線(xiàn)技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和同步碼分多址技術(shù)是該系統的核心技術(shù)。
對于智能天線(xiàn)的研究?jì)热?，大多集中在對智能天線(xiàn)的自適應算法的優(yōu)化、對波達方向的估計，以及對智能天線(xiàn)陣元的幾何排列的優(yōu)化等方面，從本文的參考文獻，也可看到目前國內外許多 大學(xué)及研究所也在智能天線(xiàn)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。
四、用智能天線(xiàn)提高數字集群系統的射頻性能
針對目前我國數字集群通信系統在信號覆蓋方面存在的問(wèn)題，用自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)技術(shù)代替目前常用的全向天線(xiàn)，系統的射頻方面的性能將有所提高。利用智能天線(xiàn)，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當的合并權值，形成正確的天線(xiàn)接收模式，即把天線(xiàn)的主瓣對準有用信號，而將低增益副瓣或是零陷對準主要的干擾信號，從而有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復用因子，而且能夠在多個(gè)方面大大改善通信系統的性能。
簡(jiǎn)而言之，通過(guò)把智能天線(xiàn)技術(shù)引入到目前我國的數字集群系統中，可以有效地提高基站接收機的靈敏度，提高基站發(fā)射機的等效發(fā)射功率，降低系統的干擾，進(jìn)而增加了數字集群系統的容量，改進(jìn)了小區的覆蓋，降低了無(wú)線(xiàn)基站的成本。所以，智能天線(xiàn)的采用將顯著(zhù)降低運營(yíng)成本、提高系統的經(jīng)濟效益。
1．智能天線(xiàn)解決方案
目前，通常采用的自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)結構有兩種：線(xiàn)陣和圓陣。線(xiàn)陣天線(xiàn)即把多個(gè)天線(xiàn)陣元等距離地擺在一條直線(xiàn)上，而圓陣天線(xiàn)則是等距離地分布在圓周上。
例如，可以采用類(lèi)似TD-SCDMA系統的自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)。如下圖，由8個(gè)完全相同的天線(xiàn)陣元均勻地分布在一個(gè)半徑為R的圓上，組成一個(gè)環(huán)形天線(xiàn)。相鄰陣元間距D為半波長(cháng)。
智能天線(xiàn)的“智能”作用是由天線(xiàn)陣及與其相連接的數字信號處理部分共同實(shí)現的。自適應天線(xiàn)陣智能天線(xiàn)的系統框圖如下圖。
該智能天線(xiàn)的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線(xiàn)元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶(hù)的分布，在360°的范圍內任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設置零點(diǎn)。
2．性能分析
通過(guò)理論推導，該零點(diǎn)處的天線(xiàn)輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。當使用的智能天線(xiàn)當N＝8時(shí)，比無(wú)方向性的單振子天線(xiàn)的增益分別大9dB（對接收）和18dB（對發(fā)射）。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線(xiàn)的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。
綜上所述，智能天線(xiàn)解決方案提高了基站接收機的靈敏度，提高了基站發(fā)射機的等效發(fā)射功率，降低了系統的干擾，增加了數字集群系統的容量，改進(jìn)了小區的覆蓋。所以，智能天線(xiàn)的采用將顯著(zhù)降低運營(yíng)成本、提高系統的經(jīng)濟效益。并且，隨著(zhù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能天線(xiàn)技術(shù)在移動(dòng)通信上的應用也越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)移動(dòng)通信使用的頻率越來(lái)越高，而電子器件也越來(lái)越小，智能天線(xiàn)技術(shù)不僅僅會(huì )應用在基站方面，而且也在向終端用戶(hù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)出帶有智能天線(xiàn)的新型手機來(lái)。
評論