智能天線技術在3G中的應用

　　自適應陣列智能天線(Adaptive Array Antenna), 是一種起源于相控陣雷達的天線技術。自適應陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號處理技術, 通過先進的算法處理, 對基站的接收和發(fā)射波束進行自適應的賦形, 從而達到降低干擾, 增加容量, 擴大覆蓋和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。



　　目前,自適應陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流. 本文主要介紹自適應陣列智能天線在3G中的應用，同時介紹了愛瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技術技術方案。

1、簡介

　　自適應陣列天線技術是近30年中最先進的無線技術之一，而愛瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技術堪稱其中杰出的代表。IntelliCell技術又被稱為完全自適應智能天線解決方案，它利用專利軟件和標準陣列天線，連續(xù)的實時優(yōu)化每一個無線用戶的信道，從而能夠優(yōu)化發(fā)射、減少干擾和降低對頻譜的需求，實現(xiàn)在所有空中接口上極大地提高無線語音與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的容量、覆蓋范圍和傳輸質量的目的。

　　早期人們認為自適應陣列天線技術比較適合運用于時分雙工系統(tǒng)TDD中，如PHS，TD-SCDMA，以及ArrayComm提出的iBURST無線數(shù)據(jù)方案等。隨著技術上的突破，現(xiàn)在業(yè)界也漸漸開始認識到了在FDD技術里的重要性。

　　采用智能天線技術可提高第三代移動通信系統(tǒng)的容量及服務質量，W－CDMA系統(tǒng)就采用自適應天線陣列技術，增加系統(tǒng)容量。在W-CDMA中，自適應陣列天線技術將和多用戶檢測（MUD）一起成為W-CDMA中下階段最重要的技術。目前ArrayComm公司與英國馬可尼公司正在合作開發(fā)具有自適應陣列天線功能的W-CDMA基站. 愛立信宣稱將在其W-CDMA基站中提供自適應陣列智能天線. 郎訊也曾宣布, 其第三代移動通信基站中將采用郎訊自主開發(fā)的IA-BLAST智能天線技術.

　　在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國TD-SCDMA系統(tǒng)是應用智能天線技術的典型范例。TD-SCDMA系統(tǒng)采用TDD方式，使上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗多址干擾等問題。該系統(tǒng)具有精確定位功能，可實現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費。

　　在CDMA2000技術中，3GPP2很可能會放寬輔助導頻（Ancillary Pilots)的使用，這樣就為自適應陣列天線的使用提供了保證。目前CDMA2000中應用智能天線技術也有了進展.CDMA發(fā)展組織CDG已經(jīng)發(fā)布了一個關于智能天線的文件. “智能天線在CDMA系統(tǒng)中的業(yè)務描述, 用戶需求和系統(tǒng)功能”. 由此開始推動智能天線在CDMA系列技術中的應用.



2、IntelliCell智能天線技術在3G系統(tǒng)中的實現(xiàn)原理

　　傳統(tǒng)系統(tǒng)的天線發(fā)射無線射頻信號時具有各向等效性，也即是說，信號向整個小區(qū)均勻發(fā)射信號，這樣大多數(shù)發(fā)射能量被浪費，而且這些能量對其他用戶造成干擾。這在CDMA技術中，這種用戶之間干擾是使系統(tǒng)性能和容量下降的主要原因。在重所周知，W-CDMA和CDMA2000是個自干擾系統(tǒng)，用戶數(shù)量越大，那么用戶間的干擾也就越大，這種用戶間的干擾主要是多重接入干擾MAI（Multiple Access Interference）。同時，信號的廣泛發(fā)射，也會帶來多徑衰落、時延擴展造成的符號間串擾ISI（Inter-Symbol Interference），加劇了多徑衰落的負面影響。

　　IntelliCell自適應智能天線（空間傳輸）技術可以嵌入到無線基站內部的基帶處理部分以及終端設備內，從而使信號接收和發(fā)送得到極大改善。裝備有自適應天線陣列IntelliCell的基站能夠把大部分發(fā)射能量集中給目標用戶，通過凹陷點抑制(Nulling)達到干擾抑制的目的，減少多徑衰落的影響，提高信號增益。在FDD系統(tǒng)中，如W-CDMA和CDMA2000中，凹陷點可以通過算法來拓寬而形成區(qū)域，因而可以使多個用戶方向的干擾得到抑制。

　　目前IntelliCell用于3G系統(tǒng)的解決方案具有下列技術特點：



· 衰落抑制

· 對任何位置的用戶帶來最大處理增益

· 主動干擾抑制

· 上下行同時處理

· 支持廣播控制信道



　　上述技術特點中特別值得一提的是主動干擾抑制。有的智能天線解決方案只能給用戶帶來處理增益，而不能主動進行干擾抑制。這種方式在提升用戶有用信號的同時也能起到干擾抑制的作用，但這種抑制作用被稱為是被動干擾抑制（Passive Interference Mitigation)。而主動干擾則是通過自適應波束賦形，在使主波束對準目標用戶的情況下，使零陷和旁瓣盡可能對準干擾源，這樣就可以有效的降低干擾。這種干擾抑制的方式被稱為主動干擾抑制（Active Interference Mitigation)。

　　使用自適應陣列天線技術能帶來很多好處, 如擴大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，提高系統(tǒng)容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高頻譜利用效率，降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染等。



圖1 IntelliCell基站和傳統(tǒng)基站的區(qū)別



3. IntelliCell智能天線系統(tǒng)結構



圖2 使用IntelliCell 自適應天線陣列的基站結構

　　采用了自適應智能天線之后，射頻部分需要增加多路通道。一般是一個天線陣元對應一個射頻調制解調和功放通道。當然，在W-CDMA中功放可以采用合并式多路功放，這樣可以使系統(tǒng)硬件復雜度和成本有所降低。射頻部分需要考慮的問題是通道一致性，校準（Calibration)和互耦(Coupling)。

　　雖然天線陣列是射頻前端的很重要的設備, 但自適應陣列天線技術最核心的部分還在于基帶處理部分�；鶐�處理部分采用復雜的自適應算法來實現(xiàn)上下行波束賦形。自適應陣列天線的特點在于，波束完全在基帶部分完成。IntelliCell處理器通過自適應處理算法，形成可以加權參數(shù)，在幅度，相位和信號空間到達角等多個指標上進行每秒調整數(shù)百次的調整，從而完成上行處理和下行波束形成。

　　在W-CDMA和CDMA2000基站系統(tǒng)中，IntelliCell 處理器一方面可以從系統(tǒng)原有的信道估計模塊里獲得特征數(shù)據(jù)，同時從Rake接收機的輸出端采樣信號，經(jīng)過已經(jīng)申報專利的自適應算法處理，得出一套根據(jù)無線環(huán)境隨時變化的幅度和相位加權參數(shù)，輸出到空時合并器中，從而完成基帶處理。由于在W-CDMA和CDMA2000中實現(xiàn)的算法運算量巨大，一般會采用專用的ASIC芯片來完成。而在TD-SCDMA中，運算量相對小一些，可以采用目前速度比較快的DSP芯片來實現(xiàn)。



4. 天線陣列的選擇



圖3自適應陣天線陣列的陣元組成方式

　　自適應天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向天線，也可以實現(xiàn)定向天線，完成各種環(huán)境情況下的用戶信號接收和發(fā)送。

　　陣元分布方式有直線型，平面型，圓環(huán)型和立體型。立體型天線陣列由于復雜程度和校準難度以及部署難度較大，所以實用的場合較少。一般來說，直線型和平面型更容易實現(xiàn)基站的定向覆蓋。而且，在基站選址的問題上也更加靈活，直線型和平面型天線陣列可以很容易安置于高大建筑物的側面，也可以安置于桿狀建筑物如電線桿上。而圓環(huán)型天線陣列更適于安置于鐵塔或樓房頂部，這樣更方便提供全向覆蓋。需要指出的是，圓環(huán)型天線陣列的天線校準難度比直線型和平面型要大。



W-CDMA和CDMA2000以及TD-SCDMA系統(tǒng)可以在上述不同的場合里采用直線型，平面型，圓環(huán)型天線陣列。在2001年10月舉辦的北京國際無線通信展覽會上，大唐電信展出的TD-SCDMA基站采用的就是圓型天線。

　　自適應陣天線一般采用4～16天線陣元結構，在FDD中陣元間距1／2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長。而在TDD中, 如美國ArrayComm公司在PHS系統(tǒng)中的自適應陣列天線的陣元間距為5個波長. 間距寬而波束更窄, 而PHS系統(tǒng)中采用TDD模式,因而更容易進行定位處理. 即使旁瓣多但由于用戶和信道都比較少, 因而不會帶來不利的影響.由于這種波束窄的特性，目前自適應陣列天線在TDD技術中，如PHS和ArrayComm公司推出的I-BURST無線數(shù)據(jù)技術中已經(jīng)可以實現(xiàn)空分多址SDMA技術。

　　W-CDMA和CDMA2000基站中，可以采用4天線，8天線甚至12天線陣列。天線陣元數(shù)越多，系統(tǒng)增益也就越高。假設天線陣元數(shù)為M，分集增益為D，根據(jù)理論計算，在下行鏈路可以給系統(tǒng)帶來M*D倍的容量增益，和M*D2/g 倍（g為傳播因子）的覆蓋增益。如果保持下行發(fā)射功率不變，增加陣元數(shù)到M，理論上,下行鏈路可以帶來同樣的容量增益和覆蓋增益。但實際中既要考慮性能的改進，又要考慮成本。陣元數(shù)的增加會使射頻通道相應增加，因此會導致基站成本上升過大。根據(jù)3G設備廠商和運營商的綜合考慮，最早商用的智能天線基站將會是4天線陣列基站。

6、結束語

　　在移動通信技術的發(fā)展中，以自適應陣列天線為代表的智能天線已成為一個最活躍的領域. 智能天線技術對移動通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何技術所難以替代的。

　　目前，國際上已經(jīng)將智能天線技術作為一個三代以后移動通信技術發(fā)展的主要方向之一，一個具有良好應用前景且尚未得到充分開發(fā)的新技術，是第三代移動通信系統(tǒng)中不可缺少的關鍵技術之一。

　　在第三代移動通信系統(tǒng)中，作為TD-SCDMA系統(tǒng)中的關鍵技術之一的智能天線技術能夠使系統(tǒng)在高速運動的信道環(huán)境中達到較好的性能。W-CDMA和CDMA2000中采用自適應陣列天線也即將面市。 智能天線技術已經(jīng)日益成為移動通信中最具有吸引力的技術之一并在以后幾年內發(fā)揮巨大的作用。





摘自《硅谷動力》