智能天線系統(tǒng)的測(cè)試

戴沛軍
　　目前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí)，歐、美、日等國家非常重視智能天線技術(shù)在未來移動(dòng)通信方案中的地位和作用，已經(jīng)開始了大量的理論分析和研究，已開發(fā)出用于基站的智能天線，同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。本文討論將智能天線系統(tǒng)投入運(yùn)行前所需完成的測(cè)試問題。智能天線測(cè)試對(duì)于用戶利設(shè)計(jì)制造者了解天線在應(yīng)用中的性能和限制是十分重要的。其測(cè)試目的是使人們能明智地選擇費(fèi)用低而性能高的最佳系統(tǒng)。



　　多數(shù)智能天線系統(tǒng)運(yùn)行在專門的多址協(xié)議下，而為同一多址（ＭＡ）協(xié)議設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)需要規(guī)定關(guān)于無線電信道時(shí)空結(jié)構(gòu)的各種設(shè)定值，例如信道時(shí)延，多普勒和角擴(kuò)展以及信道聯(lián)合擴(kuò)展分布。如果滿足了這些設(shè)定值，且天線運(yùn)行在適應(yīng)的多址空中接口環(huán)境下，則在基帶上采用相應(yīng)的信號(hào)處理算法就能增強(qiáng)所希望的信號(hào)，消除（或衰減）噪聲、多徑干擾和共信道干擾等，從而提高系統(tǒng)容量，擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域。



　　任何通信系統(tǒng)的基本原理都是將信號(hào)從發(fā)射機(jī)傳播到接收機(jī)。由于噪聲干擾和散射效應(yīng)，發(fā)射出的信號(hào)是經(jīng)過變形而到達(dá)接收機(jī)的。在無線電通信中，所希望的信號(hào)總是未受保護(hù)地通過單一的傳播路徑（稱為直接路徑或視距傳播）到達(dá)接收機(jī)。發(fā)射的信號(hào)被遠(yuǎn)處或近處目標(biāo)反射后發(fā)生振幅衰減、相位變形和顯著時(shí)延并通過另外的路徑到達(dá)接收機(jī)。



　　多徑效應(yīng)（與其它干擾信號(hào)一起爭奪所希望信號(hào)占用的頻率或時(shí)隙）會(huì)損害無線電傳輸信道，導(dǎo)致接收機(jī)處的錯(cuò)誤判定，產(chǎn)生較大的比特差錯(cuò)率（ＢＥＲ）。這些因素同時(shí)也限制了通信容量和覆蓋范圍的擴(kuò)大。以單一的天線接收機(jī)為基礎(chǔ)的信道均衡和信號(hào)處理方法曾緩解了這些問題，但它卻不能適應(yīng)高數(shù)據(jù)速率的數(shù)字無線電通信高速發(fā)展的需要。



一、智能天線



　　智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分離效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線是提高無線電數(shù)據(jù)通信，包括蜂窩通信、個(gè)人通信和第三代寬帶ＣＤＭＡ系統(tǒng)容量的最佳選擇，可超越由信道復(fù)用和各種調(diào)制技術(shù)所達(dá)到的水平。



　　設(shè)計(jì)制造智能天線系統(tǒng)的主要目標(biāo)就是減少符號(hào)間干擾，消除共信道干擾，減輕鄰信道干擾，提高頻譜利用效率，改善比特差錯(cuò)率，減少通信中斷的概率，提高傳輸效率以及減少跨區(qū)轉(zhuǎn)接率和串音等。通過最佳設(shè)計(jì)取得希望的改善效果，從而提高系統(tǒng)容量、擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，可利用共信道干擾和多徑方向的零位控制，沿用戶信號(hào)直接路徑或直接與多徑方向的波束控制，在分離輸出處提高信號(hào)對(duì)干擾和噪聲比等方法。



二、測(cè)試的重要性



　　從智能天線系統(tǒng)的貢獻(xiàn)來看，設(shè)計(jì)、制造和開發(fā)商對(duì)天線在室內(nèi)外無線電網(wǎng)絡(luò)和在不同結(jié)構(gòu)和多址協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用十分感興趣。而業(yè)務(wù)提供商則希望通過了解智能天線所達(dá)到的性能，正確預(yù)算購買、安裝、綜合、維護(hù)和完善智能天線系統(tǒng)的費(fèi)用，研究利用智能天線的短期與長遠(yuǎn)效益。



　　選擇適用智能天線的兩個(gè)主要因素是天線運(yùn)行的市區(qū)／農(nóng)村環(huán)境和應(yīng)用的多址空中接口（ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ或ＣＤＭＡ）協(xié)議類型。一旦將智能天線應(yīng)用到某一環(huán)境中，并與設(shè)定的傳播條件和通信信道特性匹配得當(dāng)，業(yè)務(wù)提供者則渴望了解這種陣列天線接收機(jī)的結(jié)果和成效（即對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和范圍的擴(kuò)大）。當(dāng)天線被安裝和應(yīng)用后，則希望能有更多的用戶加入同一網(wǎng)絡(luò)，并要求這種網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)比單個(gè)天線接收機(jī)更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)存取。



　　很明顯，對(duì)于任何智能天線系統(tǒng)而言，都有用來確定運(yùn)行環(huán)境的各種參數(shù)和統(tǒng)計(jì)量等的專用適當(dāng)?shù)脑O(shè)定值。在這些設(shè)定值下，智能天線系統(tǒng)被確定處于最佳狀況，其提供的業(yè)務(wù)清晰、費(fèi)用適中且最令人信服。另一方面，則至少存在一項(xiàng)（或更多）的負(fù)設(shè)定值，此時(shí)智能天線系統(tǒng)的業(yè)務(wù)提供存在問題，且頻譜利用效率不高。



　　因此必須對(duì)智能天線系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造的天線所達(dá)到的性能要求。這種測(cè)試首先應(yīng)對(duì)以上討論的所有有效功能進(jìn)行評(píng)估，并評(píng)估天線在相應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境中的工作情況。完善的智能天線測(cè)試應(yīng)能使業(yè)務(wù)提供商通過測(cè)試結(jié)果明智地選擇天線，正確預(yù)算系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，評(píng)估短期與長遠(yuǎn)效益。此外，可據(jù)此為各種基站選擇適當(dāng)?shù)闹悄芴炀�系統(tǒng)，并了解該天線系統(tǒng)的多徑特征和衰減模式是否是容許的。還可使業(yè)務(wù)提供商根據(jù)系統(tǒng)容量設(shè)定適當(dāng)?shù)念l率復(fù)用因數(shù)來消除共信道干擾，根據(jù)智能天線的波束形成和調(diào)零特性確定每個(gè)蜂窩小區(qū)的尺寸。另外，天線設(shè)計(jì)制造者則把測(cè)試結(jié)果作為有效的反饋信息，考慮和調(diào)整產(chǎn)品的性能。



三、波束交換智能天線系統(tǒng)



　　最常用的智能天線系統(tǒng)之一是波束交換智能天線，它通過選擇幾組控制系數(shù)來實(shí)現(xiàn)多波束。掃描接收機(jī)監(jiān)控預(yù)設(shè)信道頻率（或ＴＤＭＡ用的時(shí)隙）上的每一波束的信號(hào)電平。除已建的Ｋ型波束外，具有安排給移動(dòng)單元頻率的最大信號(hào)的波束被交換給對(duì)應(yīng)的基站接收機(jī)。還有為用戶選擇最佳波束的更完善的方法。任何波束都能被交換給任一接收機(jī)，且所有的波束都能與一獨(dú)立的波束聯(lián)合。值得指出的是信道在頻率（時(shí)隙）上是緩慢變化的，在多波束工作中，同一波束工作于所安排頻率（或時(shí)隙）的上行和下行。這種簡單的結(jié)構(gòu)可被添加到現(xiàn)有的基站設(shè)備上。



　　波束交換智能天線系統(tǒng)的主要測(cè)試目標(biāo)是評(píng)估系統(tǒng)，當(dāng)用戶的位置和角擴(kuò)展相對(duì)于固定波束方向和帶寬發(fā)生變化時(shí)的反應(yīng)和性能。信號(hào)到達(dá)時(shí)的多徑和共信道干擾分量可用來干擾接收機(jī)，使系統(tǒng)性能劣化，也可用這些分量來提高系統(tǒng)的性能。在測(cè)試中還可應(yīng)用選擇方案，把不希望的分量落到預(yù)設(shè)的固定波束上，而用等于或大于希望的用戶信號(hào)的增益來接收。也可將這些分量落入波束之間，而用比用戶信號(hào)小的增益和靈敏度來接收。



　　以波束交換為基礎(chǔ)的智能天線系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)證明掃描接收機(jī)交換固定波速之間通信信道的有效途徑，鎖定到干擾上的頻率（波束錯(cuò)誤），多徑環(huán)境的系統(tǒng)交換模式和系統(tǒng)的干擾抑制能力與俯仰角的關(guān)系。對(duì)其測(cè)試還應(yīng)測(cè)定系統(tǒng)是怎樣消除（或改正）衰減與信道擴(kuò)散，如何允許移動(dòng)用戶的大角擴(kuò)展與頻譜擴(kuò)散，如何對(duì)常規(guī)方向周圍的頻譜分布敏感，以及系統(tǒng)性能怎樣依賴于分離單元之間的衰減校正。應(yīng)能簡便地評(píng)估這些性能，并與單一的天線接收機(jī)相比較。



四、結(jié)論



　　智能天線系統(tǒng)投入運(yùn)行前的測(cè)試問題是十分重要的。進(jìn)行這種測(cè)試的主要目的是使業(yè)務(wù)提供商獲得對(duì)智能天線潛能和局限的正確認(rèn)識(shí)。本文主要討論波束交換智能天線系統(tǒng)的測(cè)試問題。值得注意的是，設(shè)置等于、大于或小于制造者設(shè)定的傳播信道來測(cè)試天線是了解智能天線系統(tǒng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量和開拓實(shí)際的性能希望值的關(guān)鍵。




----《通信世界報(bào)》