智能天线技术在GSM网络中的应用

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       一、智能天线应用背景

  最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信,用来完成空间滤波和定位等。近年来,随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,现代数字信号处理技术发展迅速,数字信号处理芯片处理能力不断提高,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,天线系统的可靠性与灵活程度不断提高。 

        
智能天线技术可用于具有复杂电波传播的移动通信环境。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOADirectionofArrinal),旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上,它使通信资源不再局限于时间域、频率域或码域而拓展到了空间域,属于空分多址(SDMA)体制。第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用,因此,在3G标准如WCDMAcdma2000中,支持智能天线的条款已经出现,智能天线已成为3G的重要组成部分。

        
目前除了极少数的国家有正式的3G商用网,我国和大多数地区3G仍然处于试验网的阶段,预计未来两到三年内GSM网络仍然是移动话务的主要承载网络。在中国大中城市GSM网的用户数以每年约20%比例增加,在部分热点地区,每平方公里承载的话务量甚至达到了1500erl。GSM网络的容量在硬件配置充分的环境下完全受限于网络的频率资源,在有限的频宽下,要增加网络容量,只能减小频率复用距离,而频率复用距离越近,网络的干扰越高。 

         
根据目前GSM网络运营的经验,在保证使用合适的小区信号的前提下,要保持网络质量在客户可接受的话音质量(清晰无杂音)范围内,则必须按照载干比在18dB以上进行无线网络规划。无论是按照传统的4/12频率复用方式还是利用MRP1*3频率复用方式,在现有频宽下均最多按照12dB的载干比进行频率规划,剩余的载干比只能依靠动态功率控制、跳频、不连续发射等功能的增益进行补偿。降低网络的干扰水平、提高系统的载干比在GSM高速增长期,特别是在GPRS业务正式商用后显得非常重要,因此不少GSM生产厂商和运营商都在考虑将3G标准中的智能天线用于GSM网络中,一些厂商如爱立信、麦得威等公司在话务高的局部区域开展了相应的研究和试验,并取得了较理想的效果。

  二、智能天线的原理

  具有高增益、窄波束相位阵列天线的智能切换天线正在替代传统的扇区天线。一个多波束的天线面板包括了430?(或者22.5?)的波束,因而接收信号时能够接收到比标准扇区天线更少的干扰信号,故而提高接收信号的质量。根据理论计算,一个包括4个可切换的窄波束天线的平均C/I值可比传统的3-扇区天线系统增加6dB 

       
智能天线系统以时隙为基础连续地进行波束选择,以确保用户在通话过程中的话音质量。  

      
用于试验的智能天线有两部分组成,即一根多波束阵列天线和一根双极化天线,这两部分可整体封装在一个天线平板中也可以分开使用。多波束阵列天线是一个由6?8天线阵源的天线阵列形成的4个水平3dB波瓣宽度22.5?多波束阵列天线,一般称其为窄波束天线,其主要功能是发射话务信道的信号(TCH)和接收上行信号;双极化天线包含2个水平3dB波瓣宽度90?天线,一般称其为宽波束天线,其功能是发射控制信道的信号(如:BCCHSDCCHCBCH等等)。

  三、智能天线在GSM网络中的应用实例

  1.引入智能天线的小区选择

  由于智能天线引入时需对网络做相应的硬件改造,同时考虑到其价格,在目前的GSM网络中比较适合的策略是在局部站点引入智能天线。引入智能天线的目的主要在于利用其特点降低网内的频率干扰,因此建议引入智能天线的无线基站选择那些站点位置高、对其他小区干扰严重的站点。如深圳的试验站点选择了市区的一个小区,该站点比周围站点的高度高出约10、与周围站点平均站距为500,在该小区覆盖区域存在较多的信号重叠覆盖。

  2.道路测试中下行干扰的改善

  为了更明显地对比引入智能天线前后对下行干扰的情况,在试验过程中,我们人为地将与试验小区方向正对的小区频率改为与试验小区同频。理论上,智能天线将下行信号强度集中在有话务的区域,因此会降低对其他小区的干扰,其中(a)为使用普通定向天线的小区覆盖情况,(b)为使用智能天线的小区覆盖情况。

  (1)下行信号强度的比较

  在实际应用中通过对比智能天线引入前后的下行信号强度的变化,可评估其对下行干扰的改善,智能天线通过减少下行场强达到降低对其他小区干扰的目的。在试验中针对智能天线不同波束方向在忙时(1000-1200)进行了持续的场强测试(超过15分钟)。

       
信号场强降低程度在1.4-8.1dbm间变化,信号强度变化不同的原因,一方面是天线的扇形覆盖,另一方面是话务在不同波束方向的分布不同。

  (2)载干比的对比测量

  由于原网络中频率复用距离很远,同频干扰很小,为了加强对比效果我们将与试验小区方向正对的邻小区改为同频小区(这种情况在目前的扇区天线下是会引起严重质差应尽量避免的)。选中的邻小区是最可能受到试验小区干扰的,特别是在该区域的一条主干道上,选中的小区为服务小区,试验小区为第一邻区。选择主干道上的7个点为C/I的测试点,利用TEMSinvestgation测试频点1C/I值,对比更换智能天线前后的C/I值。 

        
更换天线前后,干扰信号强度变化曲线规律一致,说明更换前后的无线环境是类似的。对比更换前后的干扰小区信号强度,应用智能天线后下行干扰最大可降低3.3dB,相当于降低了53%的下行干扰。测试点123的下行干扰没有改善,估计是由于测试点周围有阻挡引起测试点收到较多的反射信号。

  3.统计指标的对比

  在试验期间,我们对比掉话率、SQI(话音质量指示)、话务掉话比等各项指标并进行了总体观察,发现应用了智能天线后,试验小区及周围邻小区话务质量有了一定的改善。

     
1)话音信道掉话率指标的前后对比如。  

       
使用智能天线后,小区集的掉话率指标有一定提升,使用了智能天线后,平均掉话率从0.46%下降为0.41%

     
2SQI指标情况

       
SQI的等级比例在应用智能天线前后的变化为例,整个小区集的SQIGOOD比例从85.71%上升到了87.94%,这表明在应用智能天线后用户可以享受到更好的语音质量。

     
3)话务掉话比是可以较全面地衡量网络质量变化的一个指标,在应用智能天线前后,话务掉话比也有明显提升,从105.22分钟提高到128.24分钟,即两个连续掉话的时间间隔扩展了23分钟。

  4.上行干扰的改善

  理论上,由于智能天线是多波束的天线,因而接收信号时能够将接收的多径信号进行最大比例合路计算得到比标准扇区天线更少的干扰信号,故而提高接收信号的质量,达到改善上行干扰的目的。与下行干扰的改善不同的是,应用智能天线后只改善应用了智能天线的小区,而下行干扰的改善是针对整个区域的小区。 

      
上行干扰的指标由统计人员通过OSS的上行质量统计、手机发射功率变化、话务统计指标三个方面进行分析。

  (1OSS统计的上行质量统计 

        
在爱立信系统中,可通过BTS收集上行信号的质量得知,应用智能天线后小区的上行质量有所提高。

  (2OSS统计的手机功率变化 

        
由于在系统中已应用了上行的功率控制,因此手机的发射功率一直根据BTS测量到的上行信号强度和上行质量情况来调节的,手机的发射功率越小,说明上行的信号强度和信号质量越好,在上行信号强度无明显的情况下,手机的发射功率与上行信号质量就有一定的对应关系。爱立信的OSS统计中有针对手机发射功率的统计,应用智能天线后手机满功率(33dB)的比例从40%降低到18%,手机平均发射功率减少了2.7dB,相当于在空中手机发射功率降低了46%,这对上行干扰的改善是很大的。

  (3)上行质差引起掉话统计 

        
应用智能天线前后上行质差掉话统计指标也有一定提高,上行质差掉话比例从9.7%下将到了1.6%(上行质差掉话比例是指上行质差引起的掉话占所有掉话的比例)。应用了智能天线后上行干扰有显著改善。

  四、小结

  通过已开展的GSM网络中的智能天线应用可见,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。在上行方面,智能天线为试验小区提供载干比增益,从而提高了试验小区运营质量;在下行方面,智能天线减少了对试验小区的相邻小区的干扰,其实质是分配了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,合理利用无线资源给网络(包括试验小区)带来下行载干比增益,通过改善下行载干比增益提高频率复用的距离,从而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。
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