智能天線移動通信

1、智能天線移動通信    論文關鍵詞：智能天線移動通信容量覆蓋 論文摘要：介紹了智能天線的基本原理、實現(xiàn)方法及其在移動通信中的應用。 最初的智能天線技術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、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。 1智能天線的基本原理 智能天線包括多波束天線陣列和

2、自適應天線陣列,后者是智能天線的主要形式。智能天線技術主要基于自適應天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權值調(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,判斷信號及干擾到達的方位角度,將計算分析所得的信號作為天線陣元的激勵信號,調(diào)整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應及其它參數(shù)。利用天線陣列的波束合成和指向,產(chǎn)生多個獨立的波束,自適應地調(diào)整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調(diào)零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號的載干比,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。這樣既充分利用信號發(fā)射功率,又可降低發(fā)射信號帶來

3、的電磁干擾。智能天線引入空分多址(SDMA)方式,根據(jù)信號的空間傳播方向不同,區(qū)分用戶。 2智能天線的實現(xiàn) 智能天線陣系統(tǒng)主要包括天線陣列、自適應處理器和波束形成網(wǎng)絡。天線陣列是收發(fā)射頻信號的輻射單元。自適應處理器把有一定規(guī)律的激勵信號轉(zhuǎn)換成與各波束相對應的幅度和相位,提供給各輻射單元,用來確定波束形成網(wǎng)絡各部分方向圖的增益。波束形成網(wǎng)絡利用天線陣元產(chǎn)生的方向圖,實現(xiàn)智能天線的各種應用。 自適應處理器產(chǎn)生的各支路幅度和相位調(diào)整系數(shù),是波束形成網(wǎng)絡工作的重要依據(jù)。自適應處理器包括信號處理器和自適應算法器。信號處理器根據(jù)所需進行的信號處理,自適應算法器根據(jù)均方誤差、信噪比、輸出噪聲功率等性能量度,

4、用適當?shù)乃惴ㄕ{(diào)整方向圖,形成網(wǎng)絡的加權系數(shù),使智能天線陣系統(tǒng)性能達到最優(yōu)化。 最初的智能天線采用復雜的模擬電路,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,應根據(jù)具體的電波傳播環(huán)境,選擇相應的智能算法。采用軟件無線電技術使系統(tǒng)具有良好的改善能力,提高系統(tǒng)性能。為了盡量減少對現(xiàn)有系統(tǒng)的改動,也可使用多波束智能天線。多波束天線利用多個指向固定的波束覆蓋全方向,雖然不能實現(xiàn)信號最佳接收,但結(jié)構(gòu)簡單,便于實現(xiàn),且無需判定所接收信號的方向。 3智能天線在移動通信中的用途 (1)抗衰落 在陸

5、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FD-MA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)

6、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?？垢蓴_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

7、利用效率。方法之一是采用智能天線技術,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,毋需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)絡基礎設施的性能。 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

8、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

9、個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。 4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C

10、DMA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/更軟切換控制;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

11、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等技術建設“移動市話”,期望與蜂窩移動網(wǎng)爭奪本地移動用戶群。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,則可降低成本。 (6)用于第三代移動通信 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(zhì)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。

12、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。 5智能天線技術的研究動向 我國早已將研究智能天線技術列入了國家863-317通信技術主題研究中的個人通信技術分項,許多專家及大學正在進行相關的研究。中國的第三代移動通信系統(tǒng)基于同步碼分多址技術,廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術。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技術的第三代移動通信系統(tǒng)是可行和成熟的。 歐

13、洲在進行了基于DECT基站的智能天線技術研究后,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天線概念,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、CD-MA、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;智能天線實現(xiàn)中的硬件技術;智能天線的測試平臺及軟件無線電技術研究等方面。 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