智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

摘 要: 社會(huì)信息交流需求的急劇增加、個(gè)人移動(dòng)通信的迅速普及和全球移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，對(duì)于移動(dòng)通訊中所要求的信號(hào)傳輸強(qiáng)度也越來越高;覆蓋范圍的增大和傳輸數(shù)據(jù)的增多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸和接收都提出了更高要求，而頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線能很好地解決這方面的問題，因此越來越受到人們廣泛的關(guān)注。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，后來被引入移動(dòng)通信系統(tǒng)。智能天線目前已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于時(shí)分雙工(TDD)中的PHS系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞: 智能天線 移動(dòng)通信 應(yīng)用

1.引言

智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外，在移動(dòng)通信中，復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、多徑衰落、同信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，采用智能天線可以有效地解決這個(gè)問題。

2.我國(guó)智能天線的發(fā)展現(xiàn)趨勢(shì)

我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)研究院所屬于的信威公司已成為開發(fā)出用于WLL的TDD方式S-CDMA產(chǎn)品，并應(yīng)用于我國(guó)提出的TD-SCDMA方案中。該只能天線采用8針元的環(huán)形自適應(yīng)陳列，射頻靈敏度最大可提高9dB。此外，愛立信公司和德國(guó)運(yùn)營(yíng)商也將智能天線應(yīng)用在了GSM基站上。

3.智能天線的優(yōu)點(diǎn)

首先，智能天線可以從多方面來提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線可以從兩個(gè)方面來減少時(shí)延擴(kuò)展和降低多徑衰落。(1)發(fā)射時(shí)，將能量主要聚集到目標(biāo)方向上，這樣在傳播中就可以減少多徑反射數(shù)目，從而減少了時(shí)延擴(kuò)展。(2)接收時(shí)，可以通過分集合并來降低多徑衰落，也可以通過對(duì)各多徑信號(hào)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償使它們相位相同來降低多徑衰落，還可以通過濾掉除主要信號(hào)以外的多徑信號(hào)來降低多徑衰落。其二，CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾。也就是說，降低干擾對(duì)CDMA系統(tǒng)極為重要，所以利用智能天線來降低干擾就可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。其三，在給定頻譜的條件下，智能天線還能通過多波束的形成增加新信道，從而潛在地增加用戶數(shù)并提高頻譜效率。其四，采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向(DOA)。

4.智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

4.1實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位

采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向(DOA)。通過此方法，用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。由于目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)，因此移動(dòng)臺(tái)定位的實(shí)現(xiàn)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(yùn)營(yíng)商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然手段。

4.2提高基站接收機(jī)的靈敏度

如果采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播條件下，則總的接收信號(hào)相對(duì)單個(gè)天線單元將增加10logN(dB)，其中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(shí)(如圖1所示)，此接收靈敏度的改善將由多徑傳播條件及上行波束賦形算法決定，其增加相對(duì)單個(gè)天線單元一般也為10logN(dB)左右。

4.3智能天線在未來3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

智能天線在3G中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面，即基站的收和發(fā)，具體而言就是上行收與下行發(fā)。智能天線的上行收技術(shù)研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自適應(yīng)方式和基于預(yù)波束的波束切換方式。在自適應(yīng)方式中，我們可根據(jù)一定的自適應(yīng)算法，對(duì)空、時(shí)域處理的各組權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行最大限度的匹配，從而實(shí)現(xiàn)任意指向波束的自適應(yīng)接收。

4.4在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能天線也廣泛用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)，在TDD模式的無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，基站對(duì)收到的上行信號(hào)進(jìn)行處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量，進(jìn)行下行波束賦形，達(dá)到最佳接收效果。由于本系統(tǒng)采用TDD方式，可將上行波束賦形數(shù)據(jù)直接用于下行發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下行波束的賦形。天線波束自適應(yīng)賦形改善了接收靈敏度和基站發(fā)射功率，擴(kuò)大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。ArrayComm公司和中國(guó)郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。ArrayComm的WLL系統(tǒng)可以提供15公里的覆蓋和上千用戶的容量。

4.5在MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能天線在MIMO系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用，在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。它的主要結(jié)果如圖a所示。MIMO系統(tǒng)中的空時(shí)處理技術(shù)主要包括波束成形(beamforming)、空時(shí)編碼(space-timecoding)、空間復(fù)用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對(duì)準(zhǔn)期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾，其關(guān)鍵是波束成行權(quán)值的確定。

MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型:最大化數(shù)據(jù)率的發(fā)射方案(空間復(fù)用SDM)和最大化分集增益的發(fā)射方案(空時(shí)編碼STC)。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案主要通過在不同天線發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。空時(shí)編碼的方案是指在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率，它通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度，從而使信號(hào)在接收端獲得分集增益，但空時(shí)編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。

4.6智能天線在TD中的成功應(yīng)用

智能天線技術(shù)在TD-SCDMA系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，成為第三代移動(dòng)通信TDD模式的一大亮點(diǎn)。但是，常規(guī)的智能天線因?yàn)闆]有利用多徑傳播，在高強(qiáng)度多徑分量比較豐富的環(huán)境下抗衰落能力相當(dāng)有限。因此，在未來寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，進(jìn)一步發(fā)展智能天線技術(shù)，充分利用多徑傳播，提高無線傳輸性能成為4G中的關(guān)鍵技術(shù)之一。4G要求能夠?qū)Χ鄠€(gè)網(wǎng)絡(luò)互通建模，靈活處理不同環(huán)境中的混合無線接入技術(shù)的組合，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)環(huán)境中多種接入技術(shù)進(jìn)行智能化管理。在4G系統(tǒng)中智能天線就是強(qiáng)大物理層必須具備的技術(shù)能力。

5.結(jié)語

本文主要論述智能天線的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用，還有智能天線的如何去改善通信系統(tǒng)的性能。改善系統(tǒng)后可以提高通信質(zhì)量，同時(shí)可以降低系統(tǒng)干擾，也就是降低CDMA系統(tǒng)的干擾，來提高系統(tǒng)容量來改變小區(qū)的狀態(tài)。并且可以提高系統(tǒng)的靈敏度。采用智能天線的基站可以獲得接收信號(hào)的空間特征矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向(DOA)。還有在隨著信息時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展，智能天線將會(huì)影響和未來3G和4G系統(tǒng)的發(fā)展，而且智能天線是3G和4G時(shí)代必不可少的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn):

[1]葛利嘉，路鳴.窩通信的空分多址:概念和性能[J].電子學(xué)報(bào)，1999，20，(8):52-62.

[2]向衛(wèi)東，姚彥.智能天線及其在無線通信中的應(yīng)用.無線通信技術(shù)，1999，(2).

[3]桑懷勝，李崢嶸.智能天線的原理、自適應(yīng)波束形成算法的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，(06).

[4]李世鶴.智能天線的原理和實(shí)現(xiàn)[J].電信建設(shè)，2001，(04).