智能天线在第3代移动通信中的应用研究

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  摘要 在向第3代移动通信系统(3G)发展过程中,迅速增加的业务量和有限的频谱资源之间的矛盾日益突出。 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,智能天线正是解决这个矛盾的核心技术之一。从智能天线原理入手,结合实际应用中的复杂度、使用成本等因素,重点介绍了智能天线在3G系统中的应用,并详细分析了它的优势和存在的问题。最后针对国内移动通信市场的现状,得出结论:在即将到来的第3代移动通信系统中,智能天线必将出现美好的应用前景。

  关键词 第3代移动通信 智能天线 自适应算法

  随着移动通信的蓬勃发展,用户数量迅速增加,频谱资源越来越紧张,如何利用现有频谱资源进一步扩展容量已成为移动通信发展的关键问题。智能天线技术能够降低系统干扰,提高系统容量和频谱效率,因此受到业界的广泛关注。

1、智能天线原理概述

  智能天线也叫自适应天线,由多个天线单元组成,每一个天线后接一个复数加权器,最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理。同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对较复杂,每个天线后接的是一个延时抽头加权网络(结构上与时域有限冲击响应均衡器相同)。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。

  智能天线的基本原理是:天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,在接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制,在发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户的。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA),智能天线引入第4种多址方式:空分多址(SDMA),即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式,与其他多址方式完全兼容,从而可实现组合的多址方式,例如空分?码分多址(SD-CDMA)。智能天线与传统天线概念有本质的区别,其理论支撑是信号统计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论,其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。

2、智能天线在3G系统中的应用

  欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用,已经开展了大量的理论分析研究,同时也建立了一些技术试验平台。欧洲通信委员会(CEC)在RACE(research into advanced communication in europe)计划中实施了第一阶段智能天线技术研究,由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。日本的ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。而美国的ArrayComm公司和中国电信科学研究院信威公司也研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。我国也早已将研究智能天线技术列入国家863-317通信技术主题研究中的个人通信技术分项,许多专家及大学正在进行相关的研究。

  2.1 在WCDMA和CDMA2000中的应用

  第3代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务的系统。但是,它们还会像第2代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用,并且在即将出台的3G标准中制订了相关的条款。如WCDMA和CDMA2000都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道,但是将要求使用智能天线系统。

  对于WCDMA和CDMA2000系统而言,智能天线虽然是推荐配置,但是当今的一些WCDMA和CDMA2000的基站产品已经开始支持智能天线了。

  2.2 在TD-SCDMA系统中的应用

  TD-SCDMA(时分同步的码分多址)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。

  TD-SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的,直径为25cm。同全方向天线相比,它可获得较高的增益。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DSP(数字信号处理器)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,使频谱效率得以显著地提高。

  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上,系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每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。

  TDD(时分双工)模式的TD-SCDMA的进一步的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2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。

3、对系统性能的改善及需解决的问题

  3.1 智能天线对系统性能的改善

  智能天线可以明显改善无线通信系统的性能,提高系统的容量。具体体现在下列方面:

  1)提高频谱利用率。采用智能天线代替普通天线,提高小区内频谱复用率,可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量,降低运营商成本。

  2)迅速解决稠密市区容量瓶颈。智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量。

  3)抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整,优化天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,改善了系统质量,提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统,信干比的提高还意味着系统容量的提高。

  4)抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落,普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,自适应地构成波束的方向性,可以使得延迟波方向的增益最小,降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。

  5)实现移动台定位。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2个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,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地推出,而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU(average revenue per user)值、加强自身竞争力的必然手段。

  3.2 在实际应用中需要解决的问题

  智能天线技术对无线通信,特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是,在将智能天线用于CDMA系统时,必须考虑所带来的问题,并在标准和产品设计上解决这些问题。

  3.2.1 全向波束和赋形波束

  上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的,而且接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中,智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,提高系统性能是非常直接的;但在用户没有发射、仅处于接收状态下,又是在基站的覆盖区域内移动时(空闲状态),基站不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射(如系统中的pilot、同步、广播、寻呼等物理信道)。一个全向覆盖的基站,其不同码道的发射波束是不同的,即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来,对全向信道来说,将要求高得多的发射功率,这是系统设计时所必须考虑的。

  3.2.2 智能天线的校准

  在使用智能天线时,必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理,直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形。但对实际无线基站,每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的,而且,其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准,则下行波束赋形将受严重影响。这样,不仅得不到智能天线的优势,甚至完全不能通信。

  3.2.3 智能天线和其他抗干扰技术的结合

  目前,在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样,实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰,也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下,必须将智能天线和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用,才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测(jointdetection)、干扰抵消及Rake接收等。目前,智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法,而和Rake接收机的结合算法还在研究中。

  3.2.4 设备复杂性的考虑

  显然,智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量,又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在,CDMA系统在向宽带方向发展,码片速率已经很高,基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求,这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平,天线元的数量在6?16之间。

4、结论

  考虑到国内不同的移动通信网络现状,对即将得到3G牌照的各个运营商来说,将会采用不同的3G标准和不同的演进道路,但智能天线将是运营商共同的选择。

  对于原本就没有建设2G移动通信网络的运营商来说,建设全新的网络非常适宜。如果选择建设TD-SCDMA系统,作为其核心技术,智能天线凭借其提高系统容量、减小移动台发射功率等方面的优势,将会有效地降低运营商的投资并提高其经济收益。而对于已经建设GSM或CDMA网络的运营商,分别过渡到WCDMA和CDMA2000系统将是最佳选择。对这些运营商而言,智能天线虽然只作为一种推荐配置,但是它可以显著提高无线网络的容量,由于我国大城市的人口密度一般都很高,因而这一优势对我国的运营商尤其重要。与此同时,由于智能天线技术的使用,提高了小区的信号质量,减少了邻近小区的干扰,因此也扩大了覆盖范围。而智能天线技术的干扰缓解机制对系统也有改善:由于整体噪声水平的降低,信号功率能够集中于特定的用户终端,基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能天线技术要求配置多个天线,增加了功率放大器的数量,但更重要的是,功率放大器的发射功率有较大的减少,功率放大器的单价大大下降;由于大功率宽带放大器制造工艺复杂,成本高昂,所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资,同时还提高了整个功放子系统的可靠性。

  综上所述,在即将到来的第3代移动通信系统中,大部分运营商都将采用智能天线技术来提高系统的性能和容量,有充分的理由相信,智能天线必将出现美好的应用前景。


作者:李荣 杨峰
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