智能天線技術(shù)在3G中的應(yīng)用

　　自適應(yīng)陣列智能天線(Adaptive Array Antenna), 是一種起源于相控陣?yán)走_(dá)的天線技術(shù)。自適應(yīng)陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù), 通過先進(jìn)的算法處理, 對(duì)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. 本文主要介紹自適應(yīng)陣列智能天線在3G中的應(yīng)用，同時(shí)介紹了愛瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技術(shù)技術(shù)方案。

1、簡(jiǎn)介

　　自適應(yīng)陣列天線技術(shù)是近30年中最先進(jìn)的無線技術(shù)之一，而愛瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技術(shù)堪稱其中杰出的代表。IntelliCell技術(shù)又被稱為完全自適應(yīng)智能天線解決方案，它利用專利軟件和標(biāo)準(zhǔn)陣列天線，連續(xù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化每一個(gè)無線用戶的信道，從而能夠優(yōu)化發(fā)射、減少干擾和降低對(duì)頻譜的需求，實(shí)現(xiàn)在所有空中接口上極大地提高無線語(yǔ)音與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的容量、覆蓋范圍和傳輸質(zhì)量的目的。

　　早期人們認(rèn)為自適應(yīng)陣列天線技術(shù)比較適合運(yùn)用于時(shí)分雙工系統(tǒng)TDD中，如PHS，TD-SCDMA，以及ArrayComm提出的iBURST無線數(shù)據(jù)方案等。隨著技術(shù)上的突破，現(xiàn)在業(yè)界也漸漸開始認(rèn)識(shí)到了在FDD技術(shù)里的重要性。

　　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)天線陣列技術(shù)，增加系統(tǒng)容量。在W-CDMA中，自適應(yīng)陣列天線技術(shù)將和多用戶檢測(cè)（MUD）一起成為W-CDMA中下階段最重要的技術(shù)。目前ArrayComm公司與英國(guó)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W-CDMA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(dòng)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).

　　在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我國(guó)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(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)。

　　在CDMA2000技術(shù)中，3GPP2很可能會(huì)放寬輔助導(dǎo)頻（Ancillary Pilots)的使用，這樣就為自適應(yīng)陣列天線的使用提供了保證。目前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(gè)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”. 由此開始推動(dòng)智能天線在CDMA系列技術(shù)中的應(yīng)用.



2、IntelliCell智能天線技術(shù)在3G系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)原理

　　傳統(tǒng)系統(tǒng)的天線發(fā)射無線射頻信號(hào)時(shí)具有各向等效性，也即是說，信號(hào)向整個(gè)小區(qū)均勻發(fā)射信號(hào)，這樣大多數(shù)發(fā)射能量被浪費(fèi)，而且這些能量對(duì)其他用戶造成干擾。這在CDMA技術(shù)中，這種用戶之間干擾是使系統(tǒng)性能和容量下降的主要原因。在重所周知，W-CDMA和CDMA2000是個(gè)自干擾系統(tǒng)，用戶數(shù)量越大，那么用戶間的干擾也就越大，這種用戶間的干擾主要是多重接入干擾MAI（Multiple Access Interference）。同時(shí)，信號(hào)的廣泛發(fā)射，也會(huì)帶來多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間串?dāng)_ISI（Inter-Symbol Interference），加劇了多徑衰落的負(fù)面影響。

　　IntelliCell自適應(yīng)智能天線（空間傳輸）技術(shù)可以嵌入到無線基站內(nèi)部的基帶處理部分以及終端設(shè)備內(nèi)，從而使信號(hào)接收和發(fā)送得到極大改善。裝備有自適應(yīng)天線陣列IntelliCell的基站能夠把大部分發(fā)射能量集中給目標(biāo)用戶，通過凹陷點(diǎn)抑制(Nulling)達(dá)到干擾抑制的目的，減少多徑衰落的影響，提高信號(hào)增益。在FDD系統(tǒng)中，如W-CDMA和CDMA2000中，凹陷點(diǎn)可以通過算法來拓寬而形成區(qū)域，因而可以使多個(gè)用戶方向的干擾得到抑制。

　　目前IntelliCell用于3G系統(tǒng)的解決方案具有下列技術(shù)特點(diǎn)：



· 衰落抑制

· 對(duì)任何位置的用戶帶來最大處理增益

· 主動(dòng)干擾抑制

· 上下行同時(shí)處理

· 支持廣播控制信道



　　上述技術(shù)特點(diǎn)中特別值得一提的是主動(dòng)干擾抑制。有的智能天線解決方案只能給用戶帶來處理增益，而不能主動(dòng)進(jìn)行干擾抑制。這種方式在提升用戶有用信號(hào)的同時(shí)也能起到干擾抑制的作用，但這種抑制作用被稱為是被動(dòng)干擾抑制（Passive Interference Mitigation)。而主動(dòng)干擾則是通過自適應(yīng)波束賦形，在使主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶的情況下，使零陷和旁瓣盡可能對(duì)準(zhǔn)干擾源，這樣就可以有效的降低干擾。這種干擾抑制的方式被稱為主動(dòng)干擾抑制（Active Interference Mitigation)。

　　使用自適應(yīng)陣列天線技術(shù)能帶來很多好處, 如擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，提高系統(tǒng)容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，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(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染等。



圖1 IntelliCell基站和傳統(tǒng)基站的區(qū)別



3. IntelliCell智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)



圖2 使用IntelliCell 自適應(yīng)天線陣列的基站結(jié)構(gòu)

　　采用了自適應(yīng)智能天線之后，射頻部分需要增加多路通道。一般是一個(gè)天線陣元對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻調(diào)制解調(diào)和功放通道。當(dāng)然，在W-CDMA中功放可以采用合并式多路功放，這樣可以使系統(tǒng)硬件復(fù)雜度和成本有所降低。射頻部分需要考慮的問題是通道一致性，校準(zhǔn)（Calibration)和互耦(Coupling)。

　　雖然天線陣列是射頻前端的很重要的設(shè)備, 但自適應(yīng)陣列天線技術(shù)最核心的部分還在于基帶處理部分�；鶐�處理部分采用復(fù)雜的自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)上下行波束賦形。自適應(yīng)陣列天線的特點(diǎn)在于，波束完全在基帶部分完成。IntelliCell處理器通過自適應(yīng)處理算法，形成可以加權(quán)參數(shù)，在幅度，相位和信號(hào)空間到達(dá)角等多個(gè)指標(biāo)上進(jìn)行每秒調(diào)整數(shù)百次的調(diào)整，從而完成上行處理和下行波束形成。

　　在W-CDMA和CDMA2000基站系統(tǒng)中，IntelliCell 處理器一方面可以從系統(tǒng)原有的信道估計(jì)模塊里獲得特征數(shù)據(jù)，同時(shí)從Rake接收機(jī)的輸出端采樣信號(hào)，經(jīng)過已經(jīng)申報(bào)專利的自適應(yīng)算法處理，得出一套根據(jù)無線環(huán)境隨時(shí)變化的幅度和相位加權(quán)參數(shù)，輸出到空時(shí)合并器中，從而完成基帶處理。由于在W-CDMA和CDMA2000中實(shí)現(xiàn)的算法運(yùn)算量巨大，一般會(huì)采用專用的ASIC芯片來完成。而在TD-SCDMA中，運(yùn)算量相對(duì)小一些，可以采用目前速度比較快的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。



4. 天線陣列的選擇



圖3自適應(yīng)陣天線陣列的陣元組成方式

　　自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實(shí)現(xiàn)全向天線，也可以實(shí)現(xiàn)定向天線，完成各種環(huán)境情況下的用戶信號(hào)接收和發(fā)送。

　　陣元分布方式有直線型，平面型，圓環(huán)型和立體型。立體型天線陣列由于復(fù)雜程度和校準(zhǔn)難度以及部署難度較大，所以實(shí)用的場(chǎng)合較少。一般來說，直線型和平面型更容易實(shí)現(xiàn)基站的定向覆蓋。而且，在基站選址的問題上也更加靈活，直線型和平面型天線陣列可以很容易安置于高大建筑物的側(cè)面，也可以安置于桿狀建筑物如電線桿上。而圓環(huán)型天線陣列更適于安置于鐵塔或樓房頂部，這樣更方便提供全向覆蓋。需要指出的是，圓環(huán)型天線陣列的天線校準(zhǔn)難度比直線型和平面型要大。



W-CDMA和CDMA2000以及TD-SCDMA系統(tǒng)可以在上述不同的場(chǎng)合里采用直線型，平面型，圓環(huán)型天線陣列。在2001年10月舉辦的北京國(guó)際無線通信展覽會(huì)上，大唐電信展出的TD-SCDMA基站采用的就是圓型天線。

　　自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，在FDD中陣元間距1／2波長(zhǎng)，若陣元間距過大，則接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長(zhǎng)。而在TDD中, 如美國(guó)ArrayComm公司在PHS系統(tǒng)中的自適應(yīng)陣列天線的陣元間距為5個(gè)波長(zhǎng). 間距寬而波束更窄, 而PHS系統(tǒng)中采用TDD模式,因而更容易進(jìn)行定位處理. 即使旁瓣多但由于用戶和信道都比較少, 因而不會(huì)帶來不利的影響.由于這種波束窄的特性，目前自適應(yīng)陣列天線在TDD技術(shù)中，如PHS和ArrayComm公司推出的I-BURST無線數(shù)據(jù)技術(shù)中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)空分多址SDMA技術(shù)。

　　W-CDMA和CDMA2000基站中，可以采用4天線，8天線甚至12天線陣列。天線陣元數(shù)越多，系統(tǒng)增益也就越高。假設(shè)天線陣元數(shù)為M，分集增益為D，根據(jù)理論計(jì)算，在下行鏈路可以給系統(tǒng)帶來M*D倍的容量增益，和M*D2/g 倍（g為傳播因子）的覆蓋增益。如果保持下行發(fā)射功率不變，增加陣元數(shù)到M，理論上,下行鏈路可以帶來同樣的容量增益和覆蓋增益。但實(shí)際中既要考慮性能的改進(jìn)，又要考慮成本。陣元數(shù)的增加會(huì)使射頻通道相應(yīng)增加，因此會(huì)導(dǎo)致基站成本上升過大。根據(jù)3G設(shè)備廠商和運(yùn)營(yíng)商的綜合考慮，最早商用的智能天線基站將會(huì)是4天線陣列基站。

6、結(jié)束語(yǔ)

　　在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展中，以自適應(yīng)陣列天線為代表的智能天線已成為一個(gè)最活躍的領(lǐng)域. 智能天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)所難以替代的。

　　目前，國(guó)際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為一個(gè)三代以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，一個(gè)具有良好應(yīng)用前景且尚未得到充分開發(fā)的新技術(shù)，是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，作為TD-SCDMA系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)能夠使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的信道環(huán)境中達(dá)到較好的性能。W-CDMA和CDMA2000中采用自適應(yīng)陣列天線也即將面市。 智能天線技術(shù)已經(jīng)日益成為移動(dòng)通信中最具有吸引力的技術(shù)之一并在以后幾年內(nèi)發(fā)揮巨大的作用。





摘自《硅谷動(dòng)力》