智能天線在移動通信中的應用

摘 要: 社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及和全球移動通信業(yè)務的迅速發(fā)展，對于移動通訊中所要求的信號傳輸強度也越來越高;覆蓋范圍的增大和傳輸數(shù)據(jù)的增多，對網(wǎng)絡的傳輸和接收都提出了更高要求，而頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線能很好地解決這方面的問題，因此越來越受到人們廣泛的關注。智能天線最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域，后來被引入移動通信系統(tǒng)。智能天線目前已經(jīng)廣泛被應用于時分雙工(TDD)中的PHS系統(tǒng)。

關鍵詞: 智能天線 移動通信 應用

1.引言

智能天線采用空分復用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴展通信容量，并和其他復用技術相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外，在移動通信中，復雜的地形、建筑物結(jié)構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，會產(chǎn)生時延擴散、多徑衰落、同信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴重影響，采用智能天線可以有效地解決這個問題。

2.我國智能天線的發(fā)展現(xiàn)趨勢

我國信息產(chǎn)業(yè)部電信科學研究院所屬于的信威公司已成為開發(fā)出用于WLL的TDD方式S-CDMA產(chǎn)品，并應用于我國提出的TD-SCDMA方案中。該只能天線采用8針元的環(huán)形自適應陳列，射頻靈敏度最大可提高9dB。此外，愛立信公司和德國運營商也將智能天線應用在了GSM基站上。

3.智能天線的優(yōu)點

首先，智能天線可以從多方面來提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線可以從兩個方面來減少時延擴展和降低多徑衰落。(1)發(fā)射時，將能量主要聚集到目標方向上，這樣在傳播中就可以減少多徑反射數(shù)目，從而減少了時延擴展。(2)接收時，可以通過分集合并來降低多徑衰落，也可以通過對各多徑信號進行時延補償使它們相位相同來降低多徑衰落，還可以通過濾掉除主要信號以外的多徑信號來降低多徑衰落。其二，CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾。也就是說，降低干擾對CDMA系統(tǒng)極為重要，所以利用智能天線來降低干擾就可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。其三，在給定頻譜的條件下，智能天線還能通過多波束的形成增加新信道，從而潛在地增加用戶數(shù)并提高頻譜效率。其四，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方向(DOA)。

4.智能天線在移動通信中的應用

4.1實現(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方向(DOA)。通過此方法，用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。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現(xiàn)可以使許多與位置有關的新業(yè)務得以方便地推出而發(fā)展新業(yè)務是目前移動運營商提升ARPU值、加強自身競爭力的必然手段。

4.2提高基站接收機的靈敏度

如果采用最大功率合成算法，在不計多徑傳播條件下，則總的接收信號相對單個天線單元將增加10logN(dB)，其中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(如圖1所示)，此接收靈敏度的改善將由多徑傳播條件及上行波束賦形算法決定，其增加相對單個天線單元一般也為10logN(dB)左右。

4.3智能天線在未來3G網(wǎng)絡中的應用

智能天線在3G中的應用主要體現(xiàn)在2個方面，即基站的收和發(fā)，具體而言就是上行收與下行發(fā)。智能天線的上行收技術研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自適應方式和基于預波束的波束切換方式。在自適應方式中，我們可根據(jù)一定的自適應算法，對空、時域處理的各組權值系數(shù)進行調(diào)整，并與當前傳輸環(huán)境進行最大限度的匹配，從而實現(xiàn)任意指向波束的自適應接收。

4.4在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的應用

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行處理，獲得該信號的空間特征矢量，進行下行波束賦形，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。天線波束自適應賦形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多徑傳播的影響。ArrayComm公司和中國郵電電信科學研究院信威公司研制出應用于無線本地環(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。

4.5在MIMO系統(tǒng)中的應用

智能天線在MIMO系統(tǒng)中也廣泛應用，在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。它的主要結(jié)果如圖a所示。MIMO系統(tǒng)中的空時處理技術主要包括波束成形(beamforming)、空時編碼(space-timecoding)、空間復用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天線中的關鍵技術，通過將主要能量對準期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾，其關鍵是波束成行權值的確定。

MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型:最大化數(shù)據(jù)率的發(fā)射方案(空間復用SDM)和最大化分集增益的發(fā)射方案(空時編碼STC)。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案主要通過在不同天線發(fā)射相互獨立的信號實現(xiàn)空間復用。空時編碼的方案是指在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，它通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得分集增益，但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。

4.6智能天線在TD中的成功應用

智能天線技術在TD-SCDMA系統(tǒng)中的成功應用，成為第三代移動通信TDD模式的一大亮點。但是，常規(guī)的智能天線因為沒有利用多徑傳播，在高強度多徑分量比較豐富的環(huán)境下抗衰落能力相當有限。因此，在未來寬帶無線移動通信系統(tǒng)中，進一步發(fā)展智能天線技術，充分利用多徑傳播，提高無線傳輸性能成為4G中的關鍵技術之一。4G要求能夠?qū)Χ鄠€網(wǎng)絡互通建模，靈活處理不同環(huán)境中的混合無線接入技術的組合，必須實現(xiàn)對異構環(huán)境中多種接入技術進行智能化管理。在4G系統(tǒng)中智能天線就是強大物理層必須具備的技術能力。

5.結(jié)語

本文主要論述智能天線的優(yōu)點與應用，還有智能天線的如何去改善通信系統(tǒng)的性能。改善系統(tǒng)后可以提高通信質(zhì)量，同時可以降低系統(tǒng)干擾，也就是降低CDMA系統(tǒng)的干擾，來提高系統(tǒng)容量來改變小區(qū)的狀態(tài)。并且可以提高系統(tǒng)的靈敏度。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方向(DOA)。還有在隨著信息時代的進一步發(fā)展，智能天線將會影響和未來3G和4G系統(tǒng)的發(fā)展，而且智能天線是3G和4G時代必不可少的技術支持。

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