智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用（寇新忠）
摘要介紹了智能天線的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞  智能天線  移動(dòng)通信  容量  覆蓋
    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(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)
移動(dòng)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(fù)雜電波
傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。此外，隨著移動(dòng)用戶數(shù)迅速增長和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移
動(dòng)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(fù)雜度的情況下，使用智
能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。
1智能天線的基本原理
    智能無線包括多波束天線陣列和自適應(yīng)天線陣列，后者是智能天線的主要形式。智能天線技
術(shù)主要基于自適應(yīng)天線陣列原理，天線陣收到信號(hào)后，通過由處理器和權(quán)值調(diào)整算法組成的反饋控
制系統(tǒng)，根據(jù)一定的算法分析該信號(hào)，判斷信號(hào)及干擾到達(dá)的方位角度，將計(jì)算分析所得的信號(hào)作
為天線陣元的激勵(lì)信號(hào)，調(diào)整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應(yīng)及其它參數(shù)。利用天線陣列的
波束合成和指向，產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束，自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖，跟蹤信號(hào)變化，對(duì)干擾方向調(diào)
零，減弱甚至抵消干擾，從而提高接收信號(hào)的載于比，改善無線網(wǎng)基站覆蓋質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量。
    基站使用智能天線，可為用戶提供窄定向波束，在一定的方向區(qū)域內(nèi)收發(fā)信號(hào)。這樣既充分
利用信號(hào)發(fā)射功率，又可降低發(fā)射信號(hào)帶來的電磁干擾。智能天線引入空分多址（SDMA）方式，
根據(jù)信號(hào)的空間傳播方向不同，區(qū)分用戶。
2智能天線的實(shí)現(xiàn)
    智能天線陣系統(tǒng)主要包括天線陣列。自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)。天線陣列是收發(fā)射頻信
號(hào)的輻射單元。自適應(yīng)處理器把有一定規(guī)律的激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與各波束相對(duì)應(yīng)的幅度和相位，提供
給各輻射單元，用來確定波束形成網(wǎng)絡(luò)各部分方向圖的增益。波束形成網(wǎng)絡(luò)利用天線陣元產(chǎn)生的方
向圖，實(shí)現(xiàn)智能天線的各種應(yīng)用。
    自適應(yīng)處理器產(chǎn)生的各支路幅度和相位調(diào)整系數(shù)，是波束形成網(wǎng)絡(luò)工作的重要依據(jù)。自適應(yīng)
處理器包括信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法器。信號(hào)處理器根據(jù)所需進(jìn)行的信號(hào)處理，自適應(yīng)算法器根據(jù)
均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度，用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕ{(diào)整方向圖，形成網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，
使智能天線陣系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。
    最初的智能天線采用復(fù)雜的模擬電路，如今采用數(shù)字波束形成（DBF）方式，用軟件完成算法
更新，也可采用數(shù)模相結(jié)合的處理方法，既保證處理精度，又保證處理速度及靈活性。此外，為了
使智能天線具有良好性能，應(yīng)根據(jù)具體的電波傳播環(huán)境，選擇相應(yīng)的智能算法。采用軟件無線電技
術(shù)使系統(tǒng)具有良好的改善能力，提高系統(tǒng)性能。
    為了盡量減少對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改動(dòng)，也可使用多波束智能天線。多波束大線利用多個(gè)指向固定
的波束覆蓋全方向，雖然不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收，但結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)，且無需判定所接收信號(hào)
的方向。
3智能天線在移動(dòng)通信中的用途
    （1）抗衰落
    在陸地移動(dòng)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(dòng)臺(tái)移動(dòng)及環(huán)
境變化，信號(hào)瞬時(shí)值及延遲失真的變化非常迅速，且不規(guī)則，造成信號(hào)衰落。采用全向天線接收所
有方向的信號(hào)，或采用定向天線接收某個(gè)固定方向的信號(hào)，都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用
智能天線控制接收方向，天線自適應(yīng)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(hào)
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(dá)接收天線，其方向角各不相同，
利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理，即可實(shí)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FD－MA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比，用12個(gè)
30°波束大線陣列組成 360°全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能無線用于CDMA基站，可減
少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾，改善系統(tǒng)性能。
    抗干擾應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。智能天線波束具有方向性，可區(qū)別不同人射角的無線電
波，可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)“權(quán)值”，其調(diào)整方式與具有時(shí)域?yàn)V波特性的自適應(yīng)均衡器類
似，可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化，優(yōu)化無線陣列方向圖，將其“零點(diǎn)”自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)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(dòng)通信業(yè)務(wù)的巨大需求，應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建
網(wǎng)絡(luò)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無線技術(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(biāo)，減少了移動(dòng)通信系
統(tǒng)的同頻干擾，降低了頻率復(fù)用系數(shù)，提高了頻譜利用效率。使用智能無線后，毋需增加新的基站
就可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量，擴(kuò)大系統(tǒng)容量，增強(qiáng)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。
    未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對(duì)，這樣就可按需分配信道，保證呼叫
阻塞嚴(yán)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(jì)又高效的方案，可在不影響通話質(zhì)量情況下，將基站配置成全向連接，大幅
度提高基站容量。
    當(dāng)前我國正考慮大規(guī)模引入CDMA移動(dòng)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(fù)用方式，增加模擬系統(tǒng)容
量，即使清頻也不會(huì)導(dǎo)致模擬系統(tǒng)資源匾乏，為 CDMA系統(tǒng)留出頻段。
    （4）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位
    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)，如果增加定位業(yè)務(wù)，則可隨時(shí)確定持機(jī)
者所處位置，不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便，還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。
    在陸地移動(dòng)通信中，如果基站采用智能天線陣，一旦收到信號(hào)，即對(duì)每個(gè)天線元所連接收機(jī)
產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理，獲得該信號(hào)的空間特征矢量及矩陣，由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方
向，即用戶終端的方位。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。
4智能天線的應(yīng)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(fù)用系數(shù)由7改善為4，增加了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，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(shí)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(biāo)。據(jù)研究，用4個(gè)
30°天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的120°天線，C／ I可提高6dB，提高了服務(wù)質(zhì)量。在滿足GSM系統(tǒng) C／I比最
小的前提下，提高頻率復(fù)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(jìn)行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的部分話務(wù)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(jìn)行軟／更軟切換控制；智能天線的空
間域?yàn)V波可改善遠(yuǎn)近效應(yīng)，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(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)
行上行波束賦形，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(kuò)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(dòng)通信系統(tǒng)。歐洲在DECT基站中進(jìn)行智能無線實(shí)驗(yàn)時(shí)，
采用和評(píng)估了多種自適應(yīng)算法，并驗(yàn)證了智能無線的功能。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(dòng)“本地通”業(yè)務(wù)的啟發(fā)，我國一些地方提出利用PHS等技術(shù)建
設(shè)“移動(dòng)市話”，期望與蜂窩移動(dòng)網(wǎng)爭奪本地移動(dòng)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(dòng)通信
    采用智能天線技術(shù)可提高第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量，W－CDMA系統(tǒng)就采用自適應(yīng)
無線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我國SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)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(duì)稱，可同時(shí)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(shí)現(xiàn)接力切換，減少信道資
源浪費(fèi)。
5智能天線技術(shù)的研究動(dòng)向
    我國早已將研究智能無線技術(shù)列入了國家863－317通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分
項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。
    中國的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術(shù)，廣泛采用了智能無線和軟件無線電技
術(shù)。作為系統(tǒng)根基的SCDMA－WLL的現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果，足以證明基于TD－SCDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信
系統(tǒng)是可行和成熟的。
    歐洲在進(jìn)行了基于DECT基站的智能天線技術(shù)研究后，繼續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)
性能評(píng)估等研究。日本某研究所提出了基于智能無線的軟件無線概念，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(yīng)的算法。
    美國的Metawave公司對(duì)用于FDMA、CD－MA、TDMA系統(tǒng)的智能無線進(jìn)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(xué)建立了智能天線試驗(yàn)環(huán)
境；加拿大McMaster大學(xué)也對(duì)算法進(jìn)行了研究。
    當(dāng)前對(duì)智能天線的研究包括智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法；寬帶信號(hào)波束的高速波束成
形處理；用于移動(dòng)臺(tái)的智能無線技術(shù)；智能天線實(shí)現(xiàn)中的硬件技術(shù)；智能天線的測試平臺(tái)及軟件無
線電技術(shù)研究等方面。
    通過智能無線進(jìn)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(shí)質(zhì)是分配
移動(dòng)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)知
識(shí)，盡管可以在系統(tǒng)建成后，采取某些優(yōu)化措施改進(jìn)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，智能無線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達(dá)無線陣列的信號(hào)，靈
活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機(jī)會(huì)。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適
應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念，對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動(dòng)作用。
摘自《電信快報(bào)》