智能天線移動通信的新寵

智能天線移動通信的新寵

　　最初的智能天線技術(shù)主要用于軍事抗干擾通信和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移
動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，智能天線開始用于具有復雜電波傳
播環(huán)境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數(shù)迅速增長和人們對通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求
移動通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用
智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。



　　智能天線在移動通信中的功能



　　（1）抗衰落



　　在陸地移動通信中，電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成，隨著移動臺移動及環(huán)境
變化，信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，造成信號衰落。采用全向天線接收所有
方向的信號，或采用定向天線接收某個固定方向的信號，都會因衰落使信號失真較大。如果采用智
能天線控制接收方向，天線自適應地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，減小信號衰
落的影響。



　　智能天線還可用于分集，減少衰落。電波通過不同路徑到達接收天線，其方向角各不相同，利
用多副指向不同的自適應接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理，即可實現(xiàn)角度分集。




　�。�2）抗干擾



　　用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FDMA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比，用12個
30°波束天線陣列組成360°全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站，可減少
移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能。



　　抗干擾應用的實質(zhì)是空間域濾波。智能天線波束具有方向性，可區(qū)別不同入射角的無線電波，
可調(diào)整控制天線陣單元的激勵“權(quán)值”，其調(diào)整方式與具有時域濾波特性的自適應均衡器類似，可
以自適應電波傳播環(huán)境的變化，優(yōu)化天線陣列方向圖，將其“零點”自動對準干擾方向，大大提高
陣列的輸出信噪比，提高系統(tǒng)可靠性。



　�。�3）增加系統(tǒng)容量



　　為了滿足移動通信業(yè)務的巨大需求，應盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)
絡所需的基站數(shù)量，必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù)，用多波
束板狀天線代替普通天線。由于天線波束變窄，提高了天線增益及C／I指標，減少了移動通信系統(tǒng)
的同頻干擾，降低了頻率復用系數(shù)，提高了頻譜利用效率。使用智能天線后，無須增加新的基站就
可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量，擴大系統(tǒng)容量，增強現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施的性能。



　　未來的智能天線應能允許任一無線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(qū)獲得較多信道資源，等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密
市區(qū)容量難題既經(jīng)濟又高效的方案，可在不影響通話質(zhì)量的情況下，將基站配置成全向連接，大幅
度提高基站容量。



　　當前我國正考慮大規(guī)模引入CDMA移動通信系統(tǒng)，但部分省市模擬系統(tǒng)占用了CDMA頻段，必須
采用清頻手段解決此問題。使用智能天線，可大大改善模擬系統(tǒng)小區(qū)復用方式，增加模擬系統(tǒng)容
量，即使清頻也不會導致模擬系統(tǒng)資源匱乏，為CDMA系統(tǒng)留出頻段。



　�。�4）實現(xiàn)移動臺定位



　　目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)，如果增加定位業(yè)務，則可隨時確定持機者
所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡管理者提供很大方便，還可開發(fā)出更多的新業(yè)務。



　　在陸地移動通信中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號，即對每個天線元所連接收機產(chǎn)
生的響應作相應處理，獲得該信號的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向，
即用戶終端的方位。通過此方法，用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。



　　智能天線的應用



　�。�1）用于FDMA系統(tǒng)



　　據(jù)研究，與通常的三扇區(qū)基站相比，C／I值平均提高約8dB，大大改善了基站覆蓋效果；頻率
復用系數(shù)由7改善為4，增加了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡優(yōu)化時，采用智能天線技術(shù)可降低無線掉話率和切
換失敗率。



　　（2）用于TDMA系統(tǒng)



　　無線能量在時間和空間上都受到限制，智能波束切換規(guī)則可提高C／I指標。據(jù)研究，用4個
30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線，C／I可提高6dB，提高了服務質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng)C／I比最小的
前提下，提高頻率復用系數(shù)，增加了系統(tǒng)容量。



　�。�3）用于CDMA系統(tǒng)



　　在CDMA系統(tǒng)中，智能天線可進行話務均衡，將高話務扇區(qū)的部分話務量轉(zhuǎn)移到容量資源未充
分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟／硬切換控制；智能天線的空間
域濾波可改善遠近效應，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。




　　（4）用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)



　　在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，基站對收到的上行信號進行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行
上行波束賦形，達到最佳接收效果。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，實現(xiàn)對下行波束的賦形。天線波束賦形等效于提高天線增益，改善了接收靈敏度和基
站發(fā)射功率，擴大了通信距離，并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。



　�。�5）用于DECT、PHS等系統(tǒng)



　　DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移動通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進行智能天線實驗時，
采用和評估了多種自適應算法，并驗證了智能天線的功能。日本在PHS系統(tǒng)中的測試表明，采用智
能天線可減少基站數(shù)量。近期受移動“本地通”業(yè)務的啟發(fā)，我國一些地方提出利用PHS等技術(shù)建
設(shè)“移動市話”，期望與蜂窩移動通信網(wǎng)爭奪本地移動通信用戶群。由于PHS等系統(tǒng)的通信距離有
限，需要建立很多基站，若采用智能天線技術(shù)，則可降低成本。



　�。�6）用于第三代移動通信



　　采用智能天線技術(shù)可提高第三代移動通信系統(tǒng)的容量及服務質(zhì)量，W－CDMA系統(tǒng)就采用自適應
天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國SCDMA系統(tǒng)是應用智能天線技術(shù)的
典型范例。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。



智能天線技術(shù)的研究動向



　　我國早已將研究智能天線技術(shù)列入國家863－317通信技術(shù)主題研究中的個人通信技術(shù)分項，
許多專家及大學正在進行相關(guān)的研究。



　　我國的第三代移動通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術(shù)。
作為系統(tǒng)根基的SCDMA－WLL的現(xiàn)場運行結(jié)果，足以證明基于TD－SCDMA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)
是可行和成熟的。



　　歐洲在進行了基于DECT基站的智能天線技術(shù)研究后，繼續(xù)進行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)
性能評估等研究。日本某研究所提出了基于智能天線的軟件無線概念，即用戶所處環(huán)境不同，影響
系統(tǒng)性能的主要因素亦不同，可通過軟件采用相應的算法。



　　美國的Metawave公司對用于FDMA、CDMA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進行了大量研究開發(fā)；
ArrayComm公司也研制了用于無線本地環(huán)路的智能天線系統(tǒng)；美國德州大學建立了智能天線試驗環(huán)
境；加拿大McMaster大學也對算法進行了研究。



　　當前對智能天線的研究包括智能天線的接收準則及自適應算法；寬帶信號波束的高速波束成形
處理；用于移動臺的智能天線技術(shù)；智能天線實現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測試平臺及軟件無線
電技術(shù)研究等方面。



　　通過智能天線進行空分多址，將基站天線的收發(fā)限定在一定的方向角范圍內(nèi)，其實質(zhì)是分配移
動通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無線資源。



　　傳統(tǒng)的全向或者定向天線效果并不理想，主要是由于空間資源分割是基于設(shè)計人員的經(jīng)驗知
識，盡管可以在系統(tǒng)建成后，采取某些優(yōu)化措施改進系統(tǒng)性能，但由于種種原因，這種優(yōu)化的余地
不大，而且工程量很大。與之相比，智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈
活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會。這就是自適應天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適
應、自優(yōu)化和自選擇的概念，對當前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動作用。