智能天線技術(shù)改善頻譜使用效率

隨著無線通信業(yè)的高速發(fā)展及無線通信用戶的飛速增長，市場對無線通信技術(shù)的不斷改進(jìn)和更新提出了更高的要求。而如何提高無線頻譜的使用效率則是近些 年來各種新技術(shù)所面臨解決的核心問題。尤其是當(dāng)我國全面進(jìn)入WTO后，移動通信產(chǎn)業(yè)隨著同世界全面接軌，將面臨新的挑戰(zhàn)。目前，頻率資源的投入已成為全球 各運營商資金投入成本的重要組成部分。可以預(yù)言，在我國，頻率資源不再無償使用的日子已為期不遠(yuǎn)了。因此，如何采取新技術(shù)提高有限頻率資源的使用效率已成 為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。全球第一部移動手機(jī)的研發(fā)者，被譽為“世界手機(jī)之父”的馬丁·庫珀先生曾經(jīng)說過“我們并不缺乏頻率，我們?nèi)狈Φ氖穷l率的使用效 率。”近些年來，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，智能天線技術(shù)作為有效解決這一問題的新技術(shù)已成功應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)，并通過對無線數(shù)字信號的高速時空處理， 極大的改善了無線信號的傳輸，成倍地提高了系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，從而極大的改善了頻譜的使用效率。

一、智能天線的原理

智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，后來被引入移動通信系統(tǒng)中。智能天線通常包括波束轉(zhuǎn)換智能天線(Switched Beam Antenna) 和自適應(yīng)陣列智能天線(Adaptive Array Antenna)。自適應(yīng)陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號處理技術(shù)，通過先進(jìn)的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行自適應(yīng)的賦形，從而達(dá)到降低干擾、增加 容量、擴(kuò)大覆蓋和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。目前，自適應(yīng)陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流。

移動通信信道傳輸環(huán)境較惡劣。實際 環(huán)境中的干擾和多徑衰落現(xiàn)象異常復(fù)雜，多徑衰落、時延擴(kuò)展造成的符號間串?dāng)_ISI(Inter-Symbol Interference)、 FDMA TDMA系統(tǒng)(如GSM)由于頻率復(fù)用引入的同信道干擾(CCI，Co-Channel Interference)、CDMA系統(tǒng)中的MAI(Multiple Access Interference)等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。

自適應(yīng)陣列天線技術(shù)是近30年中最先進(jìn)的無線技術(shù)之一，它利用基帶數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁 瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，從而給有用信號帶來最大增益，有效的減少多徑效應(yīng)所帶來的影響，同時達(dá)到對干擾信號刪除和抑制的目的(如圖1所示)。使用 自適應(yīng)陣列天線技術(shù)能帶來很多好處，如擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域、提高系統(tǒng)容量、提高數(shù)據(jù)傳輸速率、提高頻譜利用效率、降低基站發(fā)射功率、節(jié)省系統(tǒng)成本、減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染等。

自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，在FDD中陣元間距1/2波長，若陣元間距過大，則接收信號彼此相關(guān)程度降低;太小則會在方向圖形成不必要的柵 瓣，故一般取半波長。而在TDD中, 如美國ArrayComm公司在PHS系統(tǒng)中的自適應(yīng)陣列天線的陣元間距為5個波長。間距寬而波束更窄，而PHS系統(tǒng)中采用TDD模式,因而更容易進(jìn)行定 位處理。即使旁瓣多，但由于用戶和信道都比較少，因而不會帶來不利的影響。

陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向天線，完成用戶信號接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。

雖然天線陣列是射頻前端的很重要的設(shè)備，但自適應(yīng)陣列天線技術(shù)最重要的部分還在于基帶處理部分?；鶐Р糠謱⒆赃m應(yīng)天線陣接收到的信號進(jìn)行加權(quán)和合并，從而使信號與干擾加噪聲 比最大。基帶處理部分采用復(fù)雜的自適應(yīng)算法。目前已經(jīng)有多種有關(guān)時域和空域的算法提出，如通過時域獲得天線最優(yōu)加權(quán)算法有：最小均方算法(LMS) 、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆(DMI)、遞歸最小均方誤差(RLS)算法、恒模(CM)算法等;通過在空域?qū)︻l譜進(jìn)行分析以獲得信號到達(dá)方位角(DOA) 估計的算法有：多信號分類法(MUSIC)算法、旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號參數(shù)估計法(ESPRIT)算法等。

下圖為自適應(yīng)智能天線實現(xiàn)的簡單原理圖：

二、空分多址技術(shù)(SDMA)的核心——自適應(yīng)天線技術(shù)

近 幾十年來，無線通信經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從固定到移動的重大變革。而就移動通信而言，為了更有效地利用有限的無線頻率資源，時分多址技術(shù)(TDMA)、頻 分多址技術(shù)(FDMA)、碼分多址技術(shù)(CDMA)得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了GSM和CDMA兩大主要的移動通信網(wǎng)絡(luò)。就技術(shù)而言，現(xiàn)有的這 三種多址技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，頻譜的使用效率已經(jīng)發(fā)揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g(shù)(SDMA)則突破了傳統(tǒng)的三維思維模式，在傳統(tǒng)的三維技術(shù)的基礎(chǔ)上， 在第四維空間上極大的拓寬了頻譜的使用方式，使得移動用戶僅僅由于空間位置的不同而復(fù)用同一個傳統(tǒng)的物理信道成為可能。并將移動通信技術(shù)引入了一個更為嶄 新的領(lǐng)域。而實現(xiàn)它的技術(shù)核心則是自適應(yīng)智能天線技術(shù)。

自適應(yīng)智能天線技術(shù)是一種軟件技術(shù)，是當(dāng)今軟件無線電技術(shù)的基礎(chǔ)。它使用了自適應(yīng) 陣列信號處理軟件，對所有用戶的無線信號進(jìn)行高速時空處理從而實時調(diào)整無線信號的傳輸，為每位用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號。即使基站在充滿噪音 和干擾的環(huán)境中，也能監(jiān)測并保持與多個不同的用戶的通信連接,從而實現(xiàn)空分多址(SDMA)的效果。在網(wǎng)絡(luò)中，這種先進(jìn)的基站性能可以用來增加基站覆蓋范 圍，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本，提高系統(tǒng)容量，最終達(dá)到提高頻率使用效率的目的。SDMA可以與任何空間調(diào)制方式或頻段兼容，因此具有巨大的實用價值。

空 分多址的基站組件就是一種先進(jìn)的自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)。自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控其覆蓋的范圍，針對不斷變化的無線環(huán)境(包括移動用戶和干擾信號)，系統(tǒng) 將提供有效的天線發(fā)送和接收模式來跟蹤用戶，為用戶所在的方向提供最大的增益，同時抑制其他用戶的干擾，以適應(yīng)用戶的位置移動。[!--empirenews.page--]

SDMA系統(tǒng)的處理程序如下：

1.系統(tǒng)將首先對來自所有天線中的信號進(jìn)行快照或取樣，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲在內(nèi)存中。

2.計算機(jī)中的SDMA處理器將立即分析樣本，對無線環(huán)境進(jìn)行評估，確認(rèn)用戶、干擾源及其所在的位置。

3.處理器對天線信號的組合方式進(jìn)行計算，力爭最佳地恢復(fù)用戶的信號。借助這種策略，每位用戶的信號接收質(zhì)量將大大提高，而其它用戶的信號或干擾信號則會遭到屏蔽。

4.系統(tǒng)將進(jìn)行模擬計算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。在此基礎(chǔ)上，每位用戶的信號都可以通過單獨的通信信道—空間信道實現(xiàn)高效的傳輸。

5.在上述處理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號，從而使這些信道成為雙向信道。

利 用上述流程，SDMA系統(tǒng)就能夠在一條普通信道上創(chuàng)建大量的頻分、時分或碼分雙向空間信道，每一條信道都可以完全獲得整個陣列的增益和抗干擾功能。從理論 上而言，帶有m個單元的陣列能夠在每條普通信道上支持m條空間信道。但在實際應(yīng)用中支持的信道數(shù)量將略低于這個數(shù)目，具體情況則取決于環(huán)境。由此可 見，SDMA系統(tǒng)可使系統(tǒng)容量成倍增加，使得系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)可以支持更多的用戶，從而成倍地提高頻譜使用效率。

三、自適應(yīng)智能天線技術(shù)提高頻譜使用率

自 適應(yīng)智能天線技術(shù)是一種物理層技術(shù)，它并不影響系統(tǒng)的高層協(xié)議，因此，它適用于各種無線接口。按照對傳統(tǒng)的智能天線的理解，自適應(yīng)智能天線技術(shù)由于其技術(shù) 特點的限制僅適用于TDD系統(tǒng)，而現(xiàn)在隨著這一新技術(shù)的不斷完善，它在FDD系統(tǒng)中的應(yīng)用同樣能達(dá)到理想的效果。實驗及現(xiàn)場測試表明，自適應(yīng)智能天線技術(shù) 能應(yīng)用于PHS，WLL，GSM/GPR/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系統(tǒng)，使系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍都成倍地提高。

在現(xiàn) 有的PHS商用系統(tǒng)中，有近十萬臺基站裝備了自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)，而其中近五萬臺裝備在中國。由于使用了自適應(yīng)智能天線技術(shù)，基站通過上行信息分析每個用 戶及干擾源的位置，為每個用戶波束賦形，以增強(qiáng)用戶的信號增益，同時最大限度地降低對其他用戶的干擾，這樣，網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用模式可以從傳統(tǒng)的(7，3)復(fù) 用，改為(4，3)復(fù)用，甚至(1，3)復(fù)用，頻率的復(fù)用距離可以減小一倍或數(shù)倍，且網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量不變。在此基礎(chǔ)上，SDMA技術(shù)的應(yīng)用，可以使系統(tǒng)增 加多達(dá)一倍的空分信道。系統(tǒng)的總?cè)萘窟_(dá)到數(shù)倍地增加。

對于GSM/GPRS/EDGE系統(tǒng)而言，跳頻技術(shù)的應(yīng)用是傳統(tǒng)的提高系統(tǒng)容量的方 式，但跳頻技術(shù)只能起到平均網(wǎng)絡(luò)干擾的作用，并不能主動地降低網(wǎng)絡(luò)的干擾電平，雖然它也在一定程度上緩解了熱點地區(qū)的容量與頻譜間的矛盾，但它只是對網(wǎng)絡(luò) 容量的一種優(yōu)化調(diào)整，并沒有在根本上改善頻譜的使用效率。而采取自適應(yīng)智能天線技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的調(diào)頻技術(shù)，可以使傳統(tǒng)的跳頻負(fù)載的限制由原來的50%提高 到100%，且頻率的復(fù)用模式可以由原來的(1，3)改為更緊密地(1，1)復(fù)用。網(wǎng)絡(luò)的仿真及現(xiàn)場測試表明，采用自適應(yīng)智能天線技術(shù)后，跳頻負(fù)載提高到 100%后，網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量不低于調(diào)整前。也就是說，頻譜的使用效率較傳統(tǒng)的提高四倍(在采取四天線陣的情況下)。

CDMA系統(tǒng)是一種自 干擾系統(tǒng)，無論IS-95CDMA，WCDMA還是CDMA2000，系統(tǒng)的射頻污染是影響系統(tǒng)容量的重要因素。由于自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)采用有選擇性的空 間傳輸，因此基站發(fā)射的功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通的基站，從而可減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的射頻污染，同時減小功率放大器的規(guī)格。首先，功率可分配到每個單元，然后，由于能 量根據(jù)方向而提供，所以輸送到每個單元的功率就隨之減少。如果陣列部署有10個單元，則每個單元的放大器只需發(fā)射來自相關(guān)天線系統(tǒng)的1%的功率。而且能量 只集中在有效用戶的位置，對其他用戶位置的能量輻射最小，從而最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)空間的射頻污染，降低干擾電平，提高系統(tǒng)容量。

表1及表2是加入自適應(yīng)智能天線技術(shù)后各種無線接口標(biāo)準(zhǔn)下基站的容量及頻譜使用效率。

系統(tǒng)容量增加

GSM/GPRS/EDGE6倍

WCDMA8倍

CDMA20008倍

WLL20倍

PHS9倍

表1 系統(tǒng)容量增加(8天線陣)

四、軟件無線電技術(shù)的雛形

從 自適應(yīng)智能天線技術(shù)的實現(xiàn)原理可以看出，自適應(yīng)智能天線的核心在于基帶的數(shù)字處理部分，它由數(shù)個軟件功能模塊組成。自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)針對不同的通信標(biāo)準(zhǔn) 以及不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的解決方案，基站系統(tǒng)只需通過軟件置換即可實現(xiàn)基站設(shè)備的重新配置，而基站系統(tǒng)的射頻結(jié)構(gòu)及其它硬件結(jié)構(gòu)則不需作任何調(diào)整。這正 是當(dāng)今軟件無線電的概念。雖然現(xiàn)在的自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)硬件平臺的通用性還有一定的限制，但這種限制并不是來源于自適應(yīng)智能天線技術(shù)本身。因此，從自適應(yīng) 智能天線的技術(shù)特點上來看，它已具備了軟件無線電技術(shù)的基本構(gòu)成要件，是軟件無線電技術(shù)的雛形。

結(jié)束語：

自 適應(yīng)智能天線技術(shù)以其技術(shù)的先進(jìn)性正越來越多地被人們所重視，隨著無線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，自適應(yīng)智能天線技術(shù)將可以幫助運營商經(jīng)濟(jì)高效地完成系統(tǒng)的部署，從 而提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。用戶則將是這種技術(shù)的最終受益者，能夠以較低的費用獲得清晰的通話質(zhì)量，而這就將成為通信發(fā)展的原動力，推動通信技術(shù)的不斷發(fā)展。