無線通訊新變革 智能天線的應(yīng)用

最近幾年來, 隨著全球移動通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展。 對于移動通訊中所要求的信號傳輸強(qiáng)度也越來越高，由于覆蓋范圍的增大和傳輸數(shù)據(jù)的增多，對網(wǎng)絡(luò)的傳輸和接收都提出了更高要求，智能天線能很好的解決這方面的問題，因此智能天線 也越來越受到人們廣泛的關(guān)注。智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域, 后來被引入移動通信系統(tǒng)。智能天線目前已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于時分雙工(TDD)中的PHS系統(tǒng)。雖然在FDD系統(tǒng)里,如GSM、CDMA、W-CDMA以及CDMA2000中應(yīng)用智能天線難度更大, 但由于近年來在技術(shù)方面取得突破, 使得智能天線在FDD中的應(yīng)用成為趨勢而備受關(guān)注。

智能天線通常包括波束轉(zhuǎn)換智能天線(Switched Beam Antenna) 和自適應(yīng)陣列智能天線(Adaptive Array Antenna)。自適應(yīng)陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號處理技術(shù), 通過先進(jìn)的算法處理, 對基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行自適應(yīng)的賦形, 從而達(dá)到降低干擾、增加容量、擴(kuò)大覆蓋和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。目前,自適應(yīng)陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流。

智能天線的特征及優(yōu)勢

智能天線由多個天線單元組成，不同天線單元對信號施以不同的權(quán)值，以形成多個不同方向的波束。每一個天線單元后接一個加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)整。智能天線的基本思想是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶，接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制；發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。具體而言，應(yīng)用智能天線的移動通信系統(tǒng)呈現(xiàn)以下四個方面的特點(diǎn)：形成多個波束，最簡單的情況是基站的智能天線形成多個波束覆蓋整個小區(qū)；形成自適應(yīng)波束，在用戶結(jié)隊移動或沿限定路線（如在高速公路上）移動時尤其有效；形成波束零點(diǎn)，智能天線在其陣列方向圖上形成對準(zhǔn)同頻MS的波束零點(diǎn)有助于減小收發(fā)兩個方向上的同頻干擾；構(gòu)造動態(tài)小區(qū)，使用智能天線可以改變小區(qū)邊界，從而能隨著業(yè)務(wù)需求的變化為每個小區(qū)分配一定數(shù)量的信道，即實(shí)現(xiàn)信道的動態(tài)分配。

智能天線可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的容量。智能天線給移動通信系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢是：擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域，增加通信覆蓋距離；增加系統(tǒng)容量；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。智能天線還可用于分集，減少衰落，實(shí)現(xiàn)移動臺定位，采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達(dá)方向。由于目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū)，因此移動臺定位的實(shí)現(xiàn)可以使許多與位置有關(guān)的新業(yè)務(wù)得以方便地推出，而發(fā)展新業(yè)務(wù)是目前移動運(yùn)營商提升ARPU值、加強(qiáng)自身競爭力的必然手段。

智能天線的應(yīng)用

智能天線的發(fā)展也有四五十年的歷史了，隨著移動通訊技術(shù)及業(yè)務(wù)的發(fā)展，到今天智能天線也取得了長足的發(fā)展，且廣泛應(yīng)用于全球的移動通信之中。

現(xiàn)在的2G移動通信系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛采用了智能天線。PHS、GSM和CDMA可以看做是2G移動通信系統(tǒng), 其中，PHS為時分雙工TDD模式, 即收發(fā)頻率共用，而GSM和CDMA均為FDD模式, 收發(fā)頻率之間要間隔一定的頻率。目前，在PHS中自適應(yīng)陣列天線技術(shù)比較成熟, 應(yīng)用十分泛。PHS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), 可以提高覆蓋, 而且可以降低成本。 在GSM系統(tǒng)中,目前有ArrayComm和愛立信推出了自己的解決方案. ArrayComm在與美國Airnet的合作中推出了具有自適應(yīng)陣列天線功能和軟件無線電功能的GSM基站。愛立信在德國Mannesman公司的GSM的網(wǎng)絡(luò)中曾進(jìn)行過試驗(yàn)。

智能天線也廣泛用于無線本地環(huán)路系統(tǒng)，在TDD模式的無線本地環(huán)路系統(tǒng)中，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)行下行波束賦形，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，實(shí)現(xiàn)對下行波束的賦形。天線波束自適應(yīng)賦形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。ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品采用可變陣元配置，有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。ArrayComm的WLL系統(tǒng)可以提供15公里的覆蓋和上千用戶的容量。

智能天線在MIMO系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用，在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，它的天線以讓因?yàn)榻邮掌饕灿卸喾�天線，因此它可以通過檢測不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個完全不同的數(shù)據(jù)流，從用戶看來相當(dāng)于將數(shù)據(jù)速率提高了一倍。與單獨(dú)的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢，這種MIMO優(yōu)勢的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高信道效率和質(zhì)量。 MIMO系統(tǒng)能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數(shù)，對這一點(diǎn)的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導(dǎo)路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數(shù)據(jù)流。因此MIMO性能與系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關(guān),在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個并行數(shù)據(jù)流的散射和多徑傳播。

在當(dāng)前移動通訊世界里，最為熱門也是廣為人知的第三代移動通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)就是3G了，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。目前ArrayComm與英國馬可尼公司正在合作開發(fā)具有自適應(yīng)陣列天線功能的基站。愛立信宣稱將在其W-CDMA基站中提供自適應(yīng)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(shù)。 

智能天線在我國的應(yīng)用

在第三代移動通信系統(tǒng)中，我國TD-SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)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(shí)現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪費(fèi)。 目前，在CDMA2000中應(yīng)用智能天線技術(shù)也有了進(jìn)展。CDMA發(fā)展組織(CDG)已經(jīng)發(fā)布了一個關(guān)于智能天線的文件，“智能天線在CDMA系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)描述, 用戶需求和系統(tǒng)功能”。由此開始了推動智能天線在CDMA系列技術(shù)中的應(yīng)用。TD-SCDMA技術(shù)是中國在其通信史上第一次提出并被廣泛認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)，是世界上惟一的TDD模式的3G標(biāo)準(zhǔn)，將獨(dú)自享有ITU為TDD模式所分配的3G頻率。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)所具備的技術(shù)優(yōu)勢恰恰符合了中國國情現(xiàn)狀發(fā)展第三代移動通信的要求，是建設(shè)中國3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳方案。

3G系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)可提高其容量及系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，WCDMA系統(tǒng)就采用自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。由我國大唐電信提出并擁有較多的基本專利的TD－SCDMA系統(tǒng)是應(yīng)用智能天線技術(shù)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。TD－SCDMA系統(tǒng)采用了智能天線、聯(lián)合檢測等一系列關(guān)鍵技術(shù)。智能天線用于波束的賦形，從而在基站和用戶之間建立起一條能量相對集中的無線鏈路，大大降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)容量。聯(lián)合檢測充分利用所有用戶的擴(kuò)頻碼、幅度、相位等信息，能同時消除多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）。智能天線和聯(lián)合檢測雖然都能抑制系統(tǒng)干擾，但各有側(cè)重，智能天線在抑制區(qū)間干擾方面的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聯(lián)合檢測，而聯(lián)合檢測在抑制區(qū)內(nèi)干擾方面的能力優(yōu)于智能天線，兩者需要配合使用。同時，智能天線技術(shù)對CDMA移動通信系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有很大的作用。

寫在最后

天線技術(shù)是當(dāng)前移動通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是瓶頸之一，是目前最有活力、最富有挑戰(zhàn)性的學(xué)術(shù)和技術(shù)領(lǐng)域。一方面，對天線的各種要求，如小體積、寬頻帶、多頻段、高方向性及低副瓣等不斷提出；因此新的材料，如陶瓷介質(zhì)材料、超導(dǎo)天線等不斷出現(xiàn)；新的天線形式，如金屬介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)、復(fù)合縫隙陣、各種陣列天線等不斷產(chǎn)生。另一方面，在目前電磁環(huán)境日益惡化的情況下，將空間信號和時間信號處理結(jié)合，采用智能天線和軟件無線電技術(shù)是解決需求和可能矛盾的根本出路。自適應(yīng)天線已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷史，有了長足的進(jìn)步。但是，智能天線的發(fā)展必將在更高層次上、更廣泛的內(nèi)涵上將無線通信帶入新的時代。 隨著技術(shù)的成熟，相信智能天線會為無線通信帶來更高層次的變革。