智能天线发射新天地

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  在移动通信系统中,无线信号的发射和接收都是依靠天线来完成的。 天线是移动通信基站无线信号的出入口,是基站设备的重要组成部分。

        智能天线是天线技术的发展方向。

  智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳系统中所采用的阵列天线,最初的研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。近年来,随着微计算机和数字信号处理技术的发展,智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一,尤其是在TD-SCDMA系统中获得了广泛应用,并且随着TD-SCDMA技术的不断成熟,逐步被大家认识和熟悉。

     动态跟踪用户

  智能天线的工作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,利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图,通过自适应算法,控制天线波束的方向和形状,将高增益的窄波束对准服务用户方向,零陷对准干扰方向,实现波束赋形,达到定向发射和接收的目的。

  由于智能天线可以自适应的动态跟踪用户,并且能够提供比普通天线更高的增益,因此,智能天线的引入为系统带来了诸多优势。

  智能天线能够对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过将高增益的窄波束对准服务用户方向,零陷对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,降低了系统内的干扰,同时提高了系统的抗干扰能力。此外,智能天线还可以有效对抗多径,改善通信质量,提高系统可靠性。

  在CDMA系统中使用智能天线,将所有扩频码所提供的资源充分利用。同时智能天线的引入使系统资源在原来的频率、时隙、码道上又增加了空间角度,智能天线通过空分技术复用信道,增加了系统容量。

  由于智能天线赋形增益的提高,使得基站和手机发射功率不变的情况下,可以容忍更大的路径损耗,获得更远的覆盖距离,从而提供小区扩展能力。距离的扩展可以减小无线系统初期建网费用。

  频谱利用率的问题是发展移动通信根本性的问题。智能天线通过空分多址,将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内,其实质是分配移动通信系统工作的空间区域,使空间资源之间的交叠最小,干扰最小,合理利用无线资源。此外,使用智能天线减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,进而提高了频谱利用效率。

  采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域,因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便的推出,而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU(每用户平均收入)、加强自身竞争力的必然手段。

  此外,在使用普通天线的无线基站中,发射信号采用的是高功率放大器,而使用了智能天线,波束赋型的增益可以减小对功放的要求,大大降低了基站的发射功率,同时也减少了电磁环境污染。

  历经环境考验

  从理论上讲智能天线的应用可以很大程度改善系统性能,然而在很多方面还存在着不足,面临着挑战。

  从技术角度讲,智能天线技术源于最早应用于雷达、军事对抗等领域的自适应天线技术,主要针对点式信号或者干扰源。其显著的特征是,信号一般都是具有较强的方向性和主径,或者说信号源一般都有显著的方向角,因此采用自适应天线技术可以较好地检测出信号源,同时形成天线波束零陷对准干扰源,从而消除干扰。

  然而移动通信系统所处的无线传播环境远远复杂于前面所说的信号传播环境,一方面,在3G系统中,由于信号一般为宽带信号,因此信号经过信道以后存在频率选择性衰落,产生多径,这样对智能天线的接收产生了较大的影响;另一方面,移动通信系统是典型的多用户系统,而智能天线阵列一般只能同时在干扰方向上形成M-1(M为智能天线阵元数目)个零陷,而在WCDMA、CDMA2000等FDD系统中,即便在一个小区用户的数目往往以数十,甚至数百计,所以,这也是目前只能在TD-SCDMA系统中较为可行的实现智能天线的原因之一。此外,由于移动通信传播环境的多径和时变特性,使得准确快速的DOA估计变得更加困难,而DOA估计的不准确将严重影响网络质量。在理想智能天线的情况下,可以实现系统干扰的最小化,容量最大化;然而由于智能天线的不理想,DOA估计存在一定偏差,此偏差甚至可达几十度,此时可能出现智能天线主瓣对准干扰信号的情况,系统干扰迅速上升,使得系统的容量急剧下降,同时系统覆盖、质量等也将受到严重影响,整体性能恶化。因此,从技术角度来讲,智能天线技术并没有完全适合移动通信系统的要求。

  智能天线发展趋势体现在各个方面,物理层的可重复配置性;不同层之间的优化;多用户分集;实际的性能评估等。

  投入“匹配”产出?

  从市场角度讲,一项新技术的应用,不仅仅要看其所可能带来的改善,更要考虑应用这种新技术的投入产出比。对于FDD系统,由于智能天线是一种全新的多天线系统,如果要在现有网络上使用智能天线,必然需要置换天线阵列,并增加相应的基带信号处理单元,而这也正是基站系统中较为昂贵的器件,因此,应用智能天线技术需要较大的投人,即使在TD-SCDMA中,其昂贵的价格也是网络运营需要考虑的因素之一。

  另一方面,应用智能天线技术以后,由于智能天线所引人的波束成形技术,会改变原有的网络规划和小区划分,需要对网络进行必要的调整,而这种调整将是全局性的,对于系统性能的影响具有很多不确定性,并不一定能够达到预想效果。在TD-SCDMA中,由于智能天线的引入,在网络规划、优化方面与已往的FDD模式产生了很大区别,需要更为深入的研究。

  智能天线作为3G乃至4G待选技术,在带来技术优势的同时,在应用过程中面临的问题也很不容忽视。因此,如何充分有效的利用智能天线的优点而避免其缺点,如何使智能天线技术更适合于移动通信系统,这些方面需要进行更为深入的探讨。

  链接:智能天线在无线网络规划中的应用

  链路预算和容量估算

  智能天线的赋形增益在上行可以等效为增加基站接收灵敏度,在下行可等效为提高基站的EIRP(各向同性全向有效辐射功率),不管在上行还是下行都可以有效扩大覆盖半径。

  干扰分析

  智能天线的引入使得系统上、下行链路的天线增益大大提高,降低了发射功率电平,提高了信号质量,有效地克服了信道传输衰落的影响。

  同时,由于智能天线可以使得天线主瓣直接指向用户,零陷对准干扰,从而减小了与本小区内其它用户之间,以及与相邻小区用户之间的干扰,而且也减少了移动通信信道的多径效应。所以智能天线可以降低干扰,提高用户的信噪比。

  动态信道分配

  由于采用了智能天线对用户进行波束成形后,只有主瓣和较大旁瓣内的用户才会对用户信号产生较大的干扰,也就是智能天线能够把用户从空间上区分开来。

  功率控制

  智能天线的引入对功率控制流程产生了影响。

  分组调度

  分组调度方式中增加了新的一维--空分,因此新的分组调度方式将包括时分、码分和空分三种方式。

  切换控制

  由于采用了智能天线、联合检测以及上行同步技术,使有条件采用接力切换技术,降低了资源消耗。

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