个人手持式电话系统的天线技术

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      摘要    本文分析了PHS系统的无线信道对电波传输的各种影响,提出了PHS系统中所采用的改善系统性能的天线技术,并展望了今后PHS系统天线技术的发展。

1 前言

PHS是个人便携电话系统(Personal Handyphone System)的简称,又称为“小灵通”。它工作在1.9GHz的频段,采用微蜂窝网络结构,每个基站可以覆盖100-300米范围。它在我国的发展已经有五年的历史,自从1998年浙江省余杭市在国内首先开通无线市话后,小灵通在全国各地像雨后春笋般地迅猛发展,由于它能以市话的价格提供移动电话的服务,因此吸引了大量的用户,至2002年底用户量已迅速突破1250万,2003年极有可能要达到2500万。但是,作为一种采用无线技术的个人通信系统,PHS系统的无线信道面临着各种问题,如多径传输引起的快衰落问题,频率复用引进的同频干扰问题等,这些问题解决的好坏将直接影响PHS网络的通话质量,从而对PHS系统的发展产生巨大的影响。

本文分析了PHS系统中使用分集接收、自适应天线、智能天线等技术的基本思路,以及对PHS系统性能的改善。

2 分集接收技术

PHS属于低功率系统范畴,基站作用范围通常在几十到几百米以内,因此小尺度衰落对基站的影响十分明显。小迟度衰落是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落,这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播,以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的,其三个主要效应表现为:

* 经过短距或短时传播后信号强度的急剧变化;

* 在不同多径信号上,存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制;

* 多径传播时延引起的扩展(回音)。

在PHS系统中,采用分集接收技术作为抗衰落技术。分集接收技术的基本思想是:如果选取了一个信号的两个或多个独立的采样,这些样本的衰落是不相关的。这意味着所有样本同时低于一个给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小得多。M个样本同时低于一个确定电平的概率是Pm,其中P是单个样本低于该电平的概率。因而,我们看到由不同样本适当合并而成的信号比任何一个单个样本的衰落现象要轻得多。分集技术的优点在于能提高系统性能而不需增加发射机功率。分集技术分为空间分集、频率分集、极化分集等,PHS系统使用的基站天线采用空间分集的方式。

分集接收效果的良好与否,决定于两种信号衰落的相关程度,可以用相关系数表示,相关系数越小,则分集接收的效果越好,相关系数越大,则分集接收的效果越差。对于空间分集来说,两根接收天线相距越远,相关系数就越小,两根天线同时位于衰落零点的概率越小。采用空间分集方式的天线,其设计依赖于天线高度与天线间距离的比值H,即H=h/d,对于水平分集天线,H是最优经验值是11,这时可获得最优分集增益。而两天线之间间距应为半波长的奇数倍,并且现有的PHS系统基站天线的距离应大于5倍的波长,天线高度与天线间距的最优经验值如表1所示:

3 自适应天线技术

PHS是采用微小区制来组网的,它把整个服务区划为许多个微小区,这些微小区有机地组合在一起以满足整个无线区移动通信的需求。PHS系统在各小区内采用动态信道分配技术,随着通话建立过程为小区站自行分配最佳的频率信道。但是PHS系统的频率复用带来了同频干扰的问题,同频干扰的存在使系统的频率利用率降低,从而导致系统容量的下降。在PHS系统中,若采用自适应天线技术则可降低同频干扰。

自适应天线中不同用户的信号先通过多工器合成为一路信号,然后将该路信号分为D路(D为天线单元数),这些信号分别以系数W1,W2…Wn进行加权,然后送到各天线单元上。各天线单元上的合成信号波形相同,只是幅度和相位有所不同。

采用自适应阵列天线技术的PHS基站对覆盖区域内的天线方向图,可以通过调整每个天线发射信号的相位、幅度,使得在通信方向的天线增益最大,而在干扰方向上的天线增益减小,从而减少干扰,载干比(C/I)改善可达10dB。

采用了自适应天线技术后,使得在基站与基站覆盖相邻的区域中场强有明显高低区分,手机切换干扰减小,避免了反复切换掉话的现象。

在日本的实际测试结果:自适应天线基站的频率利用率比普通型基站高4倍。也就是说在同等频率干扰程度下,自适应天线基站可比普通型基站多3倍的基站密度。自适应天线基站的高抗干扰能力使得在高话务区比普通型基站更能有效的解决话务量和频率冲突的矛盾。

4 发展的方向;智能天线技术

90年代以来,移动通信领域出现了一个新的研究热点——智能天线技术,它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面,都具有独特的优点。日本在PHS系统中的测试表明,采用智能天线可减少基站数量,由于PHS等系统的通信距离有限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,就可以降低成本。

智能天线首先将每个用户信号分为D路(D为阵列单元数),然后对每个用户信号进行分别加权,产生MxD的信号(M为用户数),最后将相应的M路信号合为一路送到各个天线单元,由于各天线单元信号都是由M路信号以不同加权系数组合而成,因此各天线单元信号的波形是不同的,构成了M个信道方向图。对每个信道,当只有A点信号存在,通过选取W11、W12…W1D进行加权,可以得到A点的信道方向图,当只有B点信号存在时,可以选取W21、W22…W2D进行加权,得到B点的信道方向图,当两个信号同时存在时,由场的叠加原理可知,智能天线的功率方向图为两个信道方向图的叠加,从而保证两个用户信号共用一个传统的信道,实现空分复用。

智能天线系统中,各信道波束是互不相关的,能够独立的调整各信道波束区分别跟踪信号,所能产生的信道波束与天线单元阵列数无关,每个用户信号对应一套(D个)加权器,从而可以满足增加系统容量,抑制干扰的要求。智能天线的最大魅力在于,它可以利用信号方向的不同,将不同的信号区分开,从而对传统信道进行空分复用,成倍地提高系统容量。

5 结束语

综上所述,分集接收与自适应天线作为两种比较成熟的天线技术,在PHS系统中得到了广泛的运用,并且取得了良好的效果。而智能天线作为一种全新的天线技术,目前处在研制阶段,它是进一步提高移动通信系统容量及质量的最大希望所在,其前景是光明的,但是困难和问题也很多,值得我们进一步研究与开发。