探讨智能天线在移动通信中的应用

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探讨智能天线在移动通信中的应用

摘 要：智能天线是移动通信领域的研究热点。作为具有测向和波束形成能力的天线阵列技术, 智能天线是提升频谱资源效率、系统容量和通信质量的有效途径之一, 被广泛应用于各类移动通信系统中。文章介绍智能天线的基本概念、工作原理、分类及其在第二代和第三代移动通信系统中的应用。

关键词：智能天线; 软件无线电; 移动通信

0 引言

   随着移动通信产业的高速发展, 用户数量迅速增加, 频谱资源越发紧张, 如何提高现有频谱的使用效率, 扩展网络容量已成为移动通信发展的关键问题。尤其是中国入世后加快了通信行业对外开放步伐, 同世界全面接轨, 使我国的通信行业面临新的机遇和挑战。从国际上 3G 牌照拍卖情况看, 频率资源的投入已成为全球各运营商资金投入成本的重要组成部分。运营商迫切希望提高系统的频谱利用率, 从而提供更大的容量, 智能天线作为解决这个矛盾的核心技术之一, 受到业界的广泛关注。

1 智能天线的基本概念

   智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列, 最初广泛应用于雷达、声纳和军事通信领域。近年来,由于数字信号处理技术的迅速发展、 IC 处理速度的提高和价格的普及, 使其在商用无线通信系统中的应用可能性大幅提高。智能天线主要由天线阵、波束形成单元和自适应控制单元三部分组成。其中天线阵列是收发射频信号的辐射单元, 常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。波束形成单元则将来自每个单元天线的空间感应信号加权相加, 其中的权系数为复数。自适应控制单元是智能天线的核心, 该单元的功能是根据一定算法和优化准则, 主动适应周围电磁环境的变化。它利用数字信号处理技术, 通过满足某一准则的算法来调节各个阵元的加权幅度和相位,动态地产生空间定向波束, 使天线的主波束跟踪用户信号的到达方向, 旁瓣或零辐射方向对准干扰信号的到达方向, 进而达到抑制干扰信号, 提高所需信号信噪比的目的。

   虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备,但自适应阵列天线技术最重要的部分还在于基频(或包括中频) 数字信号处理算法, 算法决定了瞬时响应速率和电路实现的复杂程度, 其好坏将直接影响系统的工作指标。从是否需要参考信号(导频序列或导频信道)的角度来划分, 这些算法可分为盲算法和非盲算法两大类。在多址方式上,智能天线技术突破了传统的三维思维模式, 引入了空分多址( SDMA )方式, 在第四维空间上极大地拓宽了频谱的使用方式。SDMA的主要作用是压制同信道干扰, 可在不影响通信质量的前提下提升系统容量, 或在不改变系统容量的前提下提升通信质量。传统的固定扇形划分通常可提升少许容量或通信质量, 但在引进智能天线后, 改善程度可大幅提高, 其原因是智能天线不仅能有效消除干扰, 同时也能对目标信号提供较大增益。SDMA的终极理想目标是希望能达到每一用户与基地台之间均有一条专属的波束作为上下行链路信道,而不同用户的波束经过特殊设计和处理后,可以避免相互间干扰。

   系统理论与实验模拟证明, 在无线通信系统中采用智能天线技术, 对于系统性能特别是系统容量的改善作用十分显著。

2 智能天线的分类

   根据不同的复杂度和结构, 智能天线可分为波束转换智能天线和自适应阵列智能天线两大类。

2.1 波束转换智能天线

   波束转换天线将传统的一个扇区一个波束变为一个扇区数个波束来覆盖, 每个波束的指向是固定和预定义的, 波束宽度随阵元数目而定。它采用波束切换技术, 随着用户在小区内的移动, 基地台自动选择不同的相应波束, 使接收信号最强。波束转换天线虽然不能实现信号最佳接收, 但结构简单, 便于实现, 且无需判定所接收信号的方向。波束转换天线的波束宽度由天线阵列的口径决定。对于处于主波束外的干扰, 波束转换天线通过控制低的旁瓣电平确保抑制。而对于处于主波束内的干扰, 波束转换天线则无法抑制, 所以它对于主波束内的干扰信号的抑制能力是有限的。由于所需信号的到达方向并不一定固定在主波束中央, 当信号的到达方向随着移动台的移动位于波束边缘, 而干扰信号位于波束中心时, 接收效果最差。此时必须进行波束间切换, 切换至载干比好的波束中。

2.2 自适应阵列智能天线

   自适应阵列智能天线融入了自适应数字处理技术, 在天线阵接收到信号后, 通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统, 根据一定的算法分析该信号, 判断信号及干扰到达的方位角度, 将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号, 调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其他参数。利用天线阵列的波束合成和指向, 产生多个独立的波束, 自适应地调整其方向图, 跟踪信号变化,对干扰方向调零, 减弱甚至抵消干扰, 从而提高接收信号的载干比, 改善无线网基站覆盖质量, 增加系统容量。

   自适应天线阵列通常采用 4-16 天线阵元结构,在FDD中阵元间距 1/2 波长, 若阵元间距过大, 接收信号彼此相关程度降低, 太小则会在方向图中形成不必要的栅瓣, 故一般取半波长。而在TDD中(如美国 ArrayComm 公司在PHS系统中的自适应阵列天线) 阵元间距为 5 个波长,间距宽波束更窄。PHS 系统中采用TDD模式, 因而更容易进行定位处理。即使旁瓣多, 但由于用户和信道都较少, 因而不会带来不利影响。自适应天线阵列的效益虽高, 但因需执行复杂的适应性算法, 实现成本较高。为满足无线通信高频谱效率需求, 自适应天线阵列仍为未来的发展趋势。

3 采用软件无线电实现智能天线

   智能天线需根据通信系统的传输特性和环境,选用不同的算法来调整波束, 甚至改变系统的资源管理状态, 为提高其运用弹性和灵活度, 采用软件无线电( SDR )实现智能天线已成为主流趋势。软件无线电采用开放式架构, 以硬件作为其通用的基本平台, 通过软件完成功能性的重组, 以满足不同环境、多模式、多功能的通信要求, 同时具备可适应性信号处理、组件可程序化的能力。在此概念下, 利用软件控制方式改变硬件特性的通信设备, 均可视为软件无线电系统。软件无线电系统的发展方式类似于软件开发, 系统中各个硬件组件模块可视为功能不同的对象(object ),根据呼叫的不同启动相应的执行程序, 因此可直接通过下载程序代码的方式来置换对象, 即可显现在同一硬件平台上, 可适应性的调整应用架构, 借以提高系统的运用弹性和扩充能力, 提供高效率、高弹性、高适应性的处理能力。因为不对硬件组态进行任何改变, 所以系统具有易维护、易应用的操作环境。

鉴于未来无线通信系统的体制繁多, 为使智能天线能配合系统进行平滑的技术演进, 进而能更弹性地运用于多模系统中, 软件无线电将是未来智能天线研制的重要系统架构。利用软件无线电实现智能天线系统示意如图 1 所示。

   软件无线电系统由不同的硬件模块所构成,其中包括可组态通信系统模块、基频处理单元( 含DSP及FPGA模块) 、数字宽频收发单元(含模拟/数字转换器( ADC )数字/模拟转换器( DAC ) )实时操作系统及智能天线单元等。运用软件无线电系统架构发展智能天线的最大挑战在于各种算法的建立。

4 智能天线在移动通信中的应用

   在实际的移动通信信道传输环境中, 干扰和多径衰落现象异常复杂, 智能天线的使用能有效改善系统的性能, 扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低基站发射功率、节省系统成本、减少信号间干扰和电磁环境污染等。由于智能天线技术是物理层技术, 不会影响系统的高层协议, 因此, 它适用于各种无线接口, 在现有和未来的移动通信系统中将发挥越来越大的作用。

4.1 第二代移动通信系统

   在第二代移动通信系统中, 智能天线技术已得到初步应用。通过在 GSM 网络中的应用可见, 智能天线可以匹配原网络的覆盖情况, 通过上下行的波束切换进行干扰控制, 在采取四天线阵的情况下,频谱的使用效率较传统的可以提高四倍。在 CDMA系统中使用智能天线系统, 通过有选择性的空间传输, 基站的发射功率可以远远低于普通的基站, 从而可减少网络内的射频污染, 降低干扰电平, 提高了网络的运营质量, 也提高了网络的无线容量, 为网络的进一步扩容奠定了坚实的基础。在现有的PHS 商用系统中, 有近十万台基站装备了自适应智能天线系统, 得到了很好的应用。

4.2 第三代移动通信系统

   在第三代移动通信系统中, 我国自主提出TD-SCDMA标准是应用智能天线技术的典型范例, 从某种意义上讲, TD-SCDMA系统就是基于智能天线设计的。智能天线良好的抗多用户干扰性能使其成为系统的关键技术之一, 它对网络性能有着重要的影响。

   TD-SCDMA智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性( 无线环境和传输条件相同)而获得的。此外, 智能天线可减少小区间干扰, 也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。

   目前,常规定向智能天线有8个天线阵元, 单天线阵元的增益是15dBi。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励, 利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图, 使用数字信号处理器( DSP )使主瓣自适应地指向移动台方向, 就可达到提高信号的载干比, 降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用, 使频谱效率显著提高。

   由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性, 另一方面则要求在每一独立的方向, 系统都能跟踪个别用户。通过DSP控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每个用户的跟踪通过到达角进行测量。在TD-SCDMA系统中, 由于无线子帧的长度是5ms ,则至少每秒可测量200次,每个用户的上下行传输发生在相同的方向, 通过智能天线的方向性和跟踪性,可获得其最佳的性能。

   时分双工( TDD)模式的TD-SCDMA的另一优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此在上行和下行两个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的, 使得智能天线能将小区间干扰降至最低, 从而获得最佳的系统性能。

   对第三代移动通信系统另外两个标准WCDMA和CDMA2000系统而言, 智能天线虽然是 推荐配置，但是目前一些WCDMA和CDMA2000 的基站产品已经开始支持智能天线了。

5 结束语

   随着TD-SCDMA 试验网的建设, 智能天线受到业界的普遍重视, 已经有很多原来从事小灵通天线和 GSM 天线制造的企业也陆续把产品开发的重点转移到智能天线上来, 并致力于解决智能天线的小型化、美化以及电调智能天线等应用难题。这一领域厂商投入数量的增加将会为未来的移动通信的产品提供有力支持。我们有理由相信, 在未来的3G以及Beyond 3G 中, 智能天线能为我们提供一个领先的技术平台, 从而推动移动通信的发展。