通信天線技術(shù)

1、通信天線技術(shù)-與非網(wǎng) 通信天線技術(shù)：I.智能天線技術(shù)及其應(yīng)用 摘要：在移動通信領(lǐng)域，形成了一個新的研究熱點 一 智能天線(Smart Antennas)，本文論述 了智能天線的兩個主要類型和基本特性， 分析了智能天 線的算法，介紹了智能天線研究動向和未來移動通信系 統(tǒng)智能天線應(yīng)用前景。9 0年代以來，陣列處理技術(shù)引入移動通信領(lǐng)域， 很快形成了一個新的研究熱點智能天線 (Smart Antennas) ?智能天線應(yīng)用廣泛，它在提高系 統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的 矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等方面， 都具有獨特的優(yōu)點。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷 達(dá)、聲納、軍事抗

2、干擾通信，用來完成空間濾波和定位 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，現(xiàn)代 數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能 力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可 能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。 智能天線技 術(shù)因此用于具有復(fù)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)，智能天線可將無線電的信號導(dǎo) 向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn) 用戶信號到達(dá)方向DOA（directionofarri val）,旁

3、瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向， 達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信 號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的 差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個 移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用 和信號的傳輸更為有效。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。 實際上它使通信資源不再局限于時間域（TDMA）、頻率域（FDMA）或碼域（CDMA）而拓展到了空 間域，屬于空分多址（SDMA）體制。一、智能天線技術(shù) 智能天線技術(shù)有兩個主要分支。波 束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switched beam techn ology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)

4、（adapt ive spatial digital proce ssing technology），或簡稱波束轉(zhuǎn)換 天線和自適應(yīng)天線陣。天線以多個高增益的動態(tài)窄波束 分別跟蹤多個期望信號，來自窄波束以外的信號被抑 制。但智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益 的窄波束指向期望用戶的物理方向，事實上，在隨機(jī)多徑信道上，移動用戶的物理方向是難以確定的，特別是 在發(fā)射臺至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時，用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。 智能天線波束跟 蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并 跟蹤最佳路徑的變化，充分利用信號的有效的發(fā)送功率 以減小電磁干擾。1波束轉(zhuǎn)換天線 波束轉(zhuǎn)

5、換天線具有有限數(shù)目的、 固定的、預(yù)定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信 道中利用多個波束同時給多個用戶發(fā)送不同的信號，它從幾個預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強(qiáng)度， 當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。 在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì) 量。為保證波束轉(zhuǎn)換天線共享同一信道的各移動用戶只 接收到發(fā)給自己的信號而不發(fā)生串話， 要求基站天線陣 產(chǎn)生多個波束來分別照射不同用戶，特別地，在每個波 束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。 每個波束的方向 是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數(shù)而變化。對于移 動用戶，基站選擇不同的對應(yīng)波束，使接收的信號強(qiáng)度 最大。但用戶信號未必在固

6、定波束中心，當(dāng)使用者是在 波束邊緣，干擾信號在波束的中央，接收效果最差。因 此，與自適應(yīng)天線陣比較，波束轉(zhuǎn)換天線不能實現(xiàn)最佳 的信號接收。由于扇形失真，波束轉(zhuǎn)換天線增益在方位 角上不均勻分布。但波束轉(zhuǎn)換天線有結(jié)構(gòu)簡單和不需要 判斷用戶信號方向（DOA）的優(yōu)勢。主要用于模擬 通信系統(tǒng)。2自適應(yīng)天線陣融入自適應(yīng)數(shù)字處理技術(shù)的智能 天線是利用數(shù)字信號處理的算法去測量不同波束的信 號強(qiáng)度，因而能動態(tài)地改變波束使天線的傳輸功率集 中。應(yīng)用空間處理技術(shù)（spatialprocessing technolo gy）可以增強(qiáng)信號能 力，使多個用戶共同使用一個信道。自適應(yīng)天線陣結(jié)構(gòu) 框圖如圖1所示T0是相鄰的抽

7、頭之間的延遲，Wn m是n天線第m個抽頭因子。每個天線后接一個延時抽 頭加權(quán)網(wǎng)，可自適應(yīng)的調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這樣一來同時具 有時域和空域處理能力。自適應(yīng)天線陣是一個由天線陣 和實時自適應(yīng)信號接收處理器所組成的一個閉環(huán)反饋 控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動調(diào)準(zhǔn)天線陣的方向 圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而且 可以使有用信號得到加強(qiáng)，從而達(dá)到抗干擾的目的。由 自適應(yīng)天線陣接收到的信號被加權(quán)和合并， 取得最佳的 信噪比系數(shù)。采用M個陣元自適應(yīng)天線，理論上，自適 應(yīng)天線陣的價值是能產(chǎn)生（M-1）倍天線放大，可帶 來10lgM的SNR改善，消除扇形失真的影響，并 且它的（M-1）倍分集增益相關(guān)性

8、是足夠低的。對相同的通信質(zhì)量要求，移動臺的發(fā)射功率可減小101g Mo這不但表明可以延長移動臺電池壽命或可采用體積 更小的電池，也意味著基站可以和信號微弱的用戶建立 正常的通信鏈路。對基站發(fā)射而言，總功率被分配到M 個陣元，又由于采用DBF(DigitalBeam-Forming)可以使所需總功率下降，因此， 每個陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進(jìn)而可使用低功率 器件。采用自適應(yīng)抽頭時延線天線陣對信號接收、均衡 和測試很有幫助。對每一接收天線加上若干抽頭延時 線，然后送入智能處理器，則可以對多徑信號進(jìn)行最佳 接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站的接收信號的 信噪比得到很大程度的提高，降低了系統(tǒng)的誤

9、碼率。通 常采用4 16 天線陣元結(jié)構(gòu)，相鄰陣元間距一般取 為接收信號中心頻率波長的 1/2 。陣元間距過大， 降低接收信號相關(guān)度；陣元間距過小，將在方向圖引起 不必要的波瓣，因此陣元半波長間距通常是優(yōu)選的。天 線陣元配置方式包含直線的型，環(huán)型和平面的型，自適 應(yīng)天線是智能天線的主要的型式。自適應(yīng)天線完成用戶 信號接收和發(fā)送可認(rèn)為是全向天線。它采用數(shù)字信號處 理技術(shù)識別用戶信號的DOA，或者是主波束方向。根 據(jù)不同空間用戶信號傳播方向，提供不同空間通道，有 效克服對系統(tǒng)干擾。自適應(yīng)天線主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)。二、智能天線算法智能天線系統(tǒng)的核心是智能的算法， 智能的算法決定瞬時響應(yīng)速率和電路實現(xiàn)的

10、復(fù)雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。通過 算法自動調(diào)整加權(quán)值得到所需空間和頻率濾波器的作 用。目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和 盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號 （導(dǎo)頻序 列或?qū)ьl信道）的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么， 進(jìn)行算法處理時要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則（比 如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則zeroforcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值， 以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)， 常用的相關(guān)準(zhǔn) 則有M MSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方） 和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的 導(dǎo)頻信號，判決反饋算法（Decision

11、Feedback ）是一類較特殊的算法， 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(yīng)確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。三、智能天線技術(shù)的研究動向 美國，日本和歐洲等國 非常重視未來移動通信中智能天線的作用，已經(jīng)開展了 大量的理論分析和研究。我國也早已將研究智能天線技 術(shù)列入國家863317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(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研 究。在連續(xù)獲得ITU和3GPP通過的我國自主研發(fā) 的TD-SCDMA技術(shù)體制中， 就廣泛采用了智能天 線和軟件無線電技術(shù)。歐洲進(jìn)行了基于DECT基站的 智能天線技術(shù)初步研究，于1 9 9 5年初開始現(xiàn)場

12、試 驗。實驗系統(tǒng)驗證了智能天線的功能，在兩個用戶四個 空間信道（包括上行和下行鏈路）下，試驗系統(tǒng)比特差 錯率（BER） 優(yōu)于10 -3。實驗評測了采用MUS IC算法判別用戶信號方向的能力，同時，通過現(xiàn)場測 試，表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用，而像 市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。在此基礎(chǔ)上又繼 續(xù)進(jìn)行諸如最優(yōu)波束形成算法、系統(tǒng)性能評估、多用戶 檢測與自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、時空信道特性估計及微蜂窩優(yōu) 化與現(xiàn)場試驗等研究。日本某研究所制作了基于波束空 間處理方式的波束轉(zhuǎn)換智能天線。天線陣元布局為間距 半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1 .54 5GHz。陣元組件接收信號在模數(shù)變換后，

13、進(jìn)行快速 付氏變換（FFT ）處理，形成正交波束后，分別采用恒 模（CMA ）算法或最大比值合并分集算法，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(yīng)的算 法。美國的Metawave公司對用于FDMA、CDMA、TDMA系統(tǒng)的智能天線進(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 驗環(huán)境；加拿大McMaster大學(xué)研究開發(fā)了4元 陣列天線，采用恒模(CMA )算法四、智能天線對系統(tǒng)的改善和主要用途智能天線潛在的性能效益表現(xiàn)在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時 延擴(kuò)展

14、、支持高數(shù)據(jù)速率、抑制干擾、減少遠(yuǎn)近效應(yīng)、 減小中斷概率、改善BER ( Bit Error Ra te )性能、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜效率、支持靈活 有效的越區(qū)切換、擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、靈活的小區(qū)管理、 延長移動臺電池壽命、以及維護(hù)和運營成本較低，等等。 1 改善系統(tǒng)性能采用智能天線技術(shù)可提高第三代移 動通信系統(tǒng)的容量及服務(wù)質(zhì)量， W-CDMA系統(tǒng)就采 用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。我國SCDM A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 擾等冋題。該系統(tǒng)具有精確定位功能，可實現(xiàn)接力切

15、換， 減少信道資源浪費；歐洲在DECT基站中進(jìn)行智能天 線實驗時，采用和評估了多種自適應(yīng)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。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；無線本地環(huán)路系統(tǒng)的基站對收到的上行信 號進(jìn)行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進(jìn)行上行波 束賦形，達(dá)到最佳接收效果。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；F DMA系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)，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

16、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，采用智能天線技術(shù)可降低無線掉話率和 切換失敗率.TDMA系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)可提高C /I指標(biāo)。據(jù)研究，用4個3 0天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的12 0天線，C/I可提咼6dB，提咼了服務(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；CDMA系統(tǒng)系統(tǒng)采用智能天 線技術(shù)，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/硬切換控制；智能天 線的空間域濾波可改善遠(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。

17、2 提高頻譜利用效率容量和頻譜利用率的問題是發(fā) 展移動通信根本性的問題。智能天線通過空分多址，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。對于給定的 頻譜帶寬，系統(tǒng)容量愈大，頻譜利用率愈高。因此，增 加系統(tǒng)容量與提高頻譜效率一致。為了滿足移動通信業(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天線技術(shù)， 用自適應(yīng)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)，減少了移動通信系統(tǒng)的同

18、頻 干擾，降低了頻率復(fù)用系數(shù)，提高了頻譜利用效率。使 用智能天線后，無須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，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)量的情況下，將基站 配置成全向連接，大幅度提高基站容量。五、結(jié)論在無線電通信領(lǐng)域，智能天線有誘人的前景。 智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達(dá)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(jī) 會。提高了頻率

19、的利用率，改善了系統(tǒng)性能。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，對當(dāng)前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推 動作用。智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但要 實現(xiàn)理想的智能的天線，還需要許多問題有待研究解 決。智能天線研究值得關(guān)注的有以下內(nèi)容：智能天線的 接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)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。n . phs系統(tǒng)中的天線技術(shù)本文分析了 PHS系統(tǒng)的無線信道對電波傳輸?shù)母鞣N影 響，提出了 PHS系統(tǒng)中所采用的改善系統(tǒng)性能的天線 技術(shù)，并展望了今后PHS系

20、統(tǒng)天線技術(shù)的發(fā)展。1前言 PHS是個人便攜電話系統(tǒng)( Personal Hand phone System)的簡稱，又稱為“小靈通”。它工作在 1.9GHz的頻段，采用微蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個基站可以 覆蓋100-300米范圍。它在我國的發(fā)展已經(jīng)有五年的歷 史，自從1998年浙江省余杭市在國內(nèi)首先開通無線市 話后，小靈通在全國各地像雨后春筍般地迅猛發(fā)展，由 于它能以市話的價格提供移動電話的服務(wù)，因此吸引了 大量的用戶，至2002年底用戶量已迅速突破1250萬， 2003年極有可能要達(dá)到2500萬。但是，作為一種采用 無線技術(shù)的個人通信系統(tǒng)，PHS系統(tǒng)的無線信道面臨著 各種問題，如多徑傳輸引起的快衰

21、落問題， 頻率復(fù)用引 進(jìn)的同頻干擾問題等，這些問題解決的好壞將直接影響 PHS網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量，從而對 PHS系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生巨 大的影響。本文分析了 PHS系統(tǒng)中使用分集接收、自適 應(yīng)天線、智能天線等技術(shù)的基本思路，以及對PHS系統(tǒng) 性能的改善。2分集接收技術(shù)PHS屬于低功率系統(tǒng)范疇，基站作用 范圍通常在幾十到幾百米以內(nèi)，因此小尺度衰落對基站 的影響十分明顯。小遲度衰落是指無線信號在經(jīng)過短時 間或短距離傳播后其幅度快速衰落， 這種衰落是由于同 一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播， 以微小的時間差到 達(dá)接收機(jī)的信號相互干涉引起的，其三個主要效應(yīng)表現(xiàn) 為：*經(jīng)過短距或短時傳播后信號強(qiáng)度的急劇變化；*在不

22、同多徑信號上，存在著時變的多普勒頻移引起的隨 機(jī)頻率調(diào)制；*多徑傳播時延引起的擴(kuò)展（回音）。在 PHS系統(tǒng)中，采用分集接收技術(shù)作為抗衰落技術(shù)。分集 接收技術(shù)的基本思想是：如果選取了一個信號的兩個或 多個獨立的采樣，這些樣本的衰落是不相關(guān)的。這意味 著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個 樣本低于該值的概率要小得多。M個樣本同時低于一個 確定電平的概率是Pm其中p是單個樣本低于該電平的 概率。因而，我們看到由不同樣本適當(dāng)合并而成的信號 比任何一個單個樣本的衰落現(xiàn)象要輕得多。分集技術(shù)的 優(yōu)點在于能提高系統(tǒng)性能而不需增加發(fā)射機(jī)功率。分集 技術(shù)分為空間分集、頻率分集、極化分集等，PHS系統(tǒng) 使

23、用的基站天線采用空間分集的方式。分集接收效果的 良好與否，決定于兩種信號衰落的相關(guān)程度，可以用相 關(guān)系數(shù)表示，相關(guān)系數(shù)越小，則分集接收的效果越好， 相關(guān)系數(shù)越大，則分集接收的效果越差。對于空間分集 來說，兩根接收天線相距越遠(yuǎn)，相關(guān)系數(shù)就越小，兩根 天線同時位于衰落零點的概率越小。采用空間分集方式 的天線，其設(shè)計依賴于天線高度與天線間距離的比值H, 即H=h/d，對于水平分集天線，H的最優(yōu)經(jīng)驗值是11, 這時可獲得最優(yōu)分集增益。而兩天線之間間距應(yīng)為半波 長的奇數(shù)倍，并且現(xiàn)有的PHS系統(tǒng)基站天線的距離應(yīng)大 于5倍的波長，天線高度與天線間距的最優(yōu)經(jīng)驗值如表 1所示：3自適應(yīng)天線技術(shù)PHS是采用微小區(qū)

24、制來組網(wǎng)的，它 把整個服務(wù)區(qū)劃為許多個微小區(qū)，這些微小區(qū)有機(jī)地組 合在一起以滿足整個無線區(qū)移動通信的需求。PHS系統(tǒng) 在各小區(qū)內(nèi)采用動態(tài)信道分配技術(shù)， 隨著通話建立過程為小區(qū)站自行分配最佳的頻率信道。但是PHS系統(tǒng)的頻率復(fù)用帶來了同頻干擾的問題，同頻干擾的存在使系 統(tǒng)的頻率利用率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量的下降。在 PHS系統(tǒng)中，若采用自適應(yīng)天線技術(shù)則可降低同頻干 擾。自適應(yīng)天線中不同用戶的信號先通過多工器合成為 一路信號，然后將該路信號分為D路（D為天線單元數(shù)）， 這些信號分別以系數(shù) W1,W2Wr進(jìn)行加權(quán)，然后送到各 天線單元上。各天線單元上的合成信號波形相同，只是 幅度和相位有所不同。采用自

25、適應(yīng)陣列天線技術(shù)的PHS基站對覆蓋區(qū)域內(nèi)的天線方向圖， 可以通過調(diào)整每個天 線發(fā)射信號的相位、幅度，使得在通信方向的天線增益 最大，而在干擾方向上的天線增益減小，從而減少干擾， 載干比（C/I ）改善可達(dá)10dBo采用了自適應(yīng)天線技術(shù) 后，使得在基站與基站覆蓋相鄰的區(qū)域中場強(qiáng)有明顯高 低區(qū)分，手機(jī)切換干擾減小，避免了反復(fù)切換掉話的現(xiàn) 象。在日本的實際測試結(jié)果：自適應(yīng)天線基站的頻率利 用率比普通型基站高4倍。也就是說在同等頻率干擾程 度下，自適應(yīng)天線基站可比普通型基站多 3倍的基站密 度。自適應(yīng)天線基站的高抗干擾能力使得在高話務(wù)區(qū)比 普通型基站更能有效的解決話務(wù)量和頻率沖突的矛盾。4發(fā)展的方向；

26、智能天線技術(shù) 90年代以來，移動通信 領(lǐng)域出現(xiàn)了一個新的研究熱點一一智能天線技術(shù)，它在 提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源 不足的矛盾、以及降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等 方面，都具有獨特的優(yōu)點。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，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)，就可以降低成本。智能天線首先將每個用戶 信號分為D路（D為陣列單元數(shù)），然后對每個用戶信 號進(jìn)行分別加權(quán)，產(chǎn)生 MxD的信號（M為用戶數(shù)）， 最后將相應(yīng)的M路信號合為一路送到各個天線單元， 由于各天線單元信號都是由 M路信號以不同加權(quán)系數(shù) 組合而成，

27、因此各天線單元信號的波形是不同的，構(gòu)成 了 M個信道方向圖。對每個信道，當(dāng)只有 A點信號存 在，通過選取 W11、W12W1D進(jìn)行加權(quán)，可以得到 A點的信道方向圖，當(dāng)只有B點信號存在時，可以選取 W21、W22W2D進(jìn)行加權(quán)，得到B點的信道方向圖， 當(dāng)兩個信號同時存在時，由場的疊加原理可知，智能天 線的功率方向圖為兩個信道方向圖的疊加， 從而保證兩 個用戶信號共用一個傳統(tǒng)的信道，實現(xiàn)空分復(fù)用。智能 天線系統(tǒng)中，各信道波束是互不相關(guān)的，能夠獨立的調(diào) 整各信道波束區(qū)分別跟蹤信號，所能產(chǎn)生的信道波束與 天線單元陣列數(shù)無關(guān)，每個用戶信號對應(yīng)一套（D個） 加權(quán)器，從而可以滿足增加系統(tǒng)容量，抑制干擾的要求

28、。智能天線的最大魅力在于，它可以利用信號方向的不 同，將不同的信號區(qū)分開，從而對傳統(tǒng)信道進(jìn)行空分復(fù) 用，成倍地提高系統(tǒng)容量。5結(jié)束語 綜上所述，分集接收與自適應(yīng)天線作為兩種 比較成熟的天線技術(shù)，在 PHS系統(tǒng)中得到了廣泛的運 用，并且取得了良好的效果。而智能天線作為一種全新 的天線技術(shù)，目前處在研制階段，它是進(jìn)一步提高移動 通信系統(tǒng)容量及質(zhì)量的最大希望所在，其前景是光明 的，但是困難和問題也很多，值得我們進(jìn)一步研究與開 發(fā)。皿.TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線技術(shù)智能天線的基本概念近年來，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為 移動通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。智能天線采用空 分多址（SDMA ）技術(shù)，利用信號在

29、傳輸方向上的差別， 將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度 地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、 下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平， 提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同 時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其 它用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也 減少了移動通信信道的多徑效應(yīng)。CDMA系統(tǒng)是個功 率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達(dá)到了提高天線增益和減 少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地擴(kuò)大了系統(tǒng)容量，提 高了頻譜利用率。智能天線在本質(zhì)上是利用多個天線單 元空間的正交性，即空分多址復(fù)用（SDM）功能，來提 高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

30、這樣，TD-SCDM系統(tǒng)充 分利用了 CDMATDMA FD MA和SDM這四種多址方式 的技術(shù)優(yōu)勢，使系統(tǒng)性能最佳化。智能天線的核心在于 數(shù)字信號處理部分，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則，使天線陣產(chǎn)生 定向波束指向用戶，并自動地調(diào)整系數(shù)以實現(xiàn)所需的空 間濾波。智能天線須要解決的兩個關(guān)鍵問題是辨識信號 的方向和數(shù)字賦形的實現(xiàn)。智能天線的工作原理TD SCDMA的智能天線使用一 個環(huán)形天線陣，由8個完全相同的天線元素均勻地分布 在一個半徑為R的圓上所組成。智能天線的功能是由天 線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號處理部分共同完成 的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相 同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，

31、 可同時產(chǎn)生 多個波束，按照通信用戶的分布，在360。的范圍內(nèi)任意 賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地 方設(shè)置零點，該零點處的天線輻射電平要比最大輻射方 向低約40dB。TD SCDMA使用的智能天線當(dāng) N = 8 時，比無方向性的單振子天線的增益分別大 9dB （對接 收）和18dB （對發(fā)射）。每個振子的增益為8dB，則該 天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。 由于基站智能天線的發(fā)射增益要比接收增益大得多，對 于傳輸非對稱的IP等數(shù)據(jù)、下載較大業(yè)務(wù)信息是非常 適合的。智能天線的主要功能根據(jù)以上基本原理，在CDMA系 統(tǒng)（無論是TDD或FDD方式）中，采用智能

32、天線和波 束賦形技術(shù)，能夠在多個方面大大改善通信系統(tǒng)的性 能，概括地講主要有：提高了基站接收機(jī)的靈敏度，提 高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率，降低了系統(tǒng)的干擾， 增加了 CDMA系統(tǒng)的容量，改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋，降低 了無線基站的成本。由于采用智能天線后，應(yīng)用波束賦 形技術(shù)顯著提高了基站的接收靈敏度和等效發(fā)射功率， 能夠大大降低系統(tǒng)內(nèi)部的干擾和相鄰小區(qū)之間的干擾， 從而使系統(tǒng)容量擴(kuò)大一倍以上；同時也可以使業(yè)務(wù)高密 度的市區(qū)和郊區(qū)所要求的基站數(shù)目減少。在業(yè)務(wù)稀少的 鄉(xiāng)村，無線覆蓋范圍將增加一倍， 這也意味著在所覆蓋 的區(qū)域的基站數(shù)目降至通常情況的 1/4。天線增益的提 高也能夠降低高頻功率放大器（HPA

33、）的線性輸出功率。 因為HPA的費用占收發(fā)信機(jī)成本的主要部分。所以， 智能天線的采用將顯著降低運營成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì) 效益。IV .雙極化天線及其下傾技術(shù)目前，在GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)工作中，如何解決GS M網(wǎng)絡(luò)高話務(wù)密度區(qū)的容量和干擾問題， 提高全網(wǎng)的接 通率，降低掉話率和提高通話質(zhì)量， 已經(jīng)成為近期工作 的重點和難點。采用合適的天線技術(shù)將是能夠有效地控 制覆蓋范圍，降低同頻干擾和改善手機(jī)信號的接收效果 的方法之一。一、雙極化天線技術(shù)雙極化天線是一種新型天線技術(shù)， 組合了+45。和一45。兩副極化方向相互正交的天線，同時工作在收發(fā)雙工模式下，每個小區(qū)僅需一副雙 極化天線。當(dāng)全向小區(qū)分裂為三小

34、區(qū)時，最多僅增加一 副天線（原全向小區(qū)在雙工模式為2副天線）。而傳統(tǒng) 的單極化天線，當(dāng)全向小區(qū)分裂為三小區(qū)時，天線數(shù)量 劇增（即使在雙工模式時也至少增加4副），由于天線 之間（RX-TX，TX-TX）的隔離度（ 3 0d B）和空間分集技術(shù)要求天線之間有水平和垂直間隔距 離，這時必須擴(kuò)大安裝天線的平臺，增加了基建投資。 而雙極化天線中，4 5 的極化正交性可以保證+4 5 和一45。兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線 間隔離度要求（30dB），雙極化天線之間的空間間 隔僅需2 03 0cm，因此移動基站可以不必興建鐵 塔，只需要架一根直徑2 0cm的鐵柱，將雙極化天線 按相應(yīng)覆蓋方向固定在鐵柱

35、上即可。特別在選址時，若使用傳統(tǒng)單極化天線，必須考慮天線的架設(shè)安裝問題， 往往由于天線架設(shè)安裝條件（需要興建鐵塔擴(kuò)大天線平 臺）不具備而放棄了最佳站址。如果使用雙極化天線， 由于雙極化天線對架設(shè)安裝要求不高，不需要征地建 塔，節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理。雙極化 天線允許系統(tǒng)采用極化分集接收技術(shù)，其原理是利用土4 5 極化方向之間的不相關(guān)性，兩者之間的不相關(guān)性 程度決定了分集接收的好壞。由于 4 5 為正交極化， 因此可以有效保證分集接收，其極化分集增益約為5d E,比單極化天線通常采用的空間分集提高約2dBo 此外，單極化天線的空間分集接收效果和兩副接收天線 的位置有關(guān)，天線覆蓋正方向為最佳，逐漸向兩邊減弱， 導(dǎo)致小區(qū)實際覆蓋范圍縮小。采用極化分集代替空間分 集技術(shù)，分集增益和天線位置幾乎沒有關(guān)系，覆蓋主方 向和邊緣處的差別很?。ㄔ摬顒e由于反射面寬度導(dǎo)致土4 5 正交效果變差引起），因此可以有效改善邊緣處的 接收效果，保證覆蓋范圍 二、方向性圖下傾技術(shù)為了使信號限制在服務(wù)小