无线通讯新变革 智能天线的应用

无线通讯新变革 智能天线的应用

最近几年来, 随着全球移动通信业务的迅速发展。 对于移动通讯中所要求的信号传输强度也越来越高，由于覆盖范围的增大和传输数据的增多，对网络的传输和接收都提出了更高要求，智能天线能很好的解决这方面的问题，因此智能天线 也越来越受到人们广泛的关注。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域, 后来被引入移动通信系统。智能天线目前已经广泛被应用于时分双工(TDD)中的PHS系统。虽然在FDD系统里,如GSM、CDMA、W-CDMA以及CDMA2000中应用智能天线难度更大, 但由于近年来在技术方面取得突破, 使得智能天线在FDD中的应用成为趋势而备受关注。
智能天线通常包括波束转换智能天线(Switched Beam Antenna) 和自适应阵列智能天线(Adaptive Array Antenna)。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术, 通过先进的算法处理, 对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形, 从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。目前,自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。
智能天线的特征及优势
智能天线由多个天线单元组成，不同天线单元对信号施以不同的权值，以形成多个不同方向的波束。每一个天线单元后接一个加权器，最后用相加器进行合并输出。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调整。智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制；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。具体而言，应用智能天线的移动通信系统呈现以下四个方面的特点：形成多个波束，最简单的情况是基站的智能天线形成多个波束覆盖整个小区；形成自适应波束，在用户结队移动或沿限定路线如在高速公路上）移动时尤其有效；形成波束零点，智能天线在其阵列方向图上形成对准同频MS的波束零点有助于减小收发两个方向上的同频干扰；构造动态小区，使用智能天线可以改变小区边界，从而能随着业务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道，即实现信道的动态分配。
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。智能天线给移动通信系统带来的优势是：扩大系统的覆盖区域，增加通信覆盖距离；增加系统容量；提高频谱利用效率；降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。智能天线还可用于分集，减少衰落，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。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值、加强自身竞争力的必然手段。
智能天线的应用
智能天线的发展也有四五十年的历史了，随着移动通讯技术及业务的发展，到今天智能天线也取得了长足的发展，且广泛应用于全球的移动通信之中。
现在的2G移动通信系统，已经广泛采用了智能天线。PHS、GSM和CDMA可以看做是2G移动通信系统, 其中，PHS为时分双工TDD模式, 即收发频率共用，而GSM和CDMA均为FDD模式, 收发频率之间要间隔一定的频率。目前，在PHS中自适应阵列天线技术比较成熟, 应用十分泛。PHS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, 可以提高覆盖, 而且可以降低成本。 在GSM系统中,目前有ArrayComm和爱立信推出了自己的解决方案. ArrayComm在与美国Airnet的合作中推出了具有自适应阵列天线功能和软件无线电功能的GSM基站。爱立信在德国Mannesman公司的GSM的网络中曾进行过试验。
智能天线也广泛用于无线本地环路系统，在TDD模式的无线本地环路系统中，基站对收到的上行信号进行处理，获得该信号的空间特征矢量，进行下行波束赋形，达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式，可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号，实现对下行波束的赋形。天线波束自适应赋形改善了接收灵敏度和基站发射功率，扩大了通信距离，并在一定程度上减少了多径传播的影响。ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用。ArrayComm的WLL系统可以提供15公里的覆盖和上千用户的容量。
智能天线在MIMO系统中也广泛应用，在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式。在这种情况下，可以更高效地使用这两条路径，它的天线以让因为接收器也有多幅天线，因此它可以通过检测不同的空间特征把两条流分开来。在这种情况下，发送器可以发送两个完全不同的数据流，从用户看来相当于将数据速率提高了一倍。与单独的MISO或SIMO处理相比，这种方式在最佳状态下具有材料上的优势，这种MIMO优势的取得不需要增加额外的带宽和功率。一般会降低单天线链路性能的多径传输在MIMO方式中反而会提高信道效率和质量。 MIMO系统能够利用多径传播的前提是在传播环境中存在这些空间维数，对这一点的理解非常重要。在图2中，一共有4幅天线，但只有两条主导路径。在这种情况下即使有4幅天线也只能形成两条数据流。因此MIMO性能与系统应用环境中多径的丰富程度密切相关,在许多环境中存在足够多支持多个并行数据流的散射和多径传播。
在当前移动通讯世界里，最为热门也是广为人知的第三代移动通信技术及网络就是3G了，采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，W－CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。目前ArrayComm与英国马可尼公司正在合作开发具有自适应阵列天线功能的基站。爱立信宣称将在其W-CDMA基站中提供自适应阵列智能天线。郎讯也曾宣布, 其第三代移动通信基站中将采用郎讯自主开发的IA-BLAST智能天线技术。 
智能天线在我国的应用
在第三代移动通信系统中，我国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TD-SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。 目前，在CDMA2000中应用智能天线技术也有了进展。CDMA发展组织(CDG)已经发布了一个关于智能天线的文件，“智能天线在CDMA系统中的业务描述, 用户需求和系统功能”。由此开始了推动智能天线在CDMA系列技术中的应用。TD-SCDMA技术是中国在其通信史上第一次提出并被广泛认可的国际标准，是世界上惟一的TDD模式的3G标准，将独自享有ITU为TDD模式所分配的3G频率。TD-SCDMA标准所具备的技术优势恰恰符合了中国国情现状发展第三代移动通信的要求，是建设中国3G网络系统的最佳方案。
3G系统采用智能天线技术可提高其容量及系统服务质量，WCDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。由我国大唐电信提出并拥有较多的基本专利的TD－SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TD－SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。TD－SCDMA系统采用了智能天线、联合检测等一系列关键技术。智能天线用于波束的赋形，从而在基站和用户之间建立起一条能量相对集中的无线链路，大大降低系统干扰，提高系统容量。联合检测充分利用所有用户的扩频码、幅度、相位等信息，能同时消除多址干扰MAI）和码间干扰ISI）。智能天线和联合检测虽然都能抑制系统干扰，但各有侧重，智能天线在抑制区间干扰方面的能力要远远高于联合检测，而联合检测在抑制区内干扰方面的能力优于智能天线，两者需要配合使用。同时，智能天线技术对CDMA移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大的作用。
写在最后
天线技术是当前移动通信发展的关键技术之一，也是瓶颈之一，是目前最有活力、最富有挑战性的学术和技术领域。一方面，对天线的各种要求，如小体积、宽频带、多频段、高方向性及低副瓣等不断提出；因此新的材料，如陶瓷介质材料、超导天线等不断出现；新的天线形式，如金属介质多层结构、复合缝隙阵、各种阵列天线等不断产生。另一方面，在目前电磁环境日益恶化的情况下，将空间信号和时间信号处理结合，采用智能天线和软件无线电技术是解决需求和可能矛盾的根本出路。自适应天线已经历了40多年的发展历史，有了长足的进步。但是，智能天线的发展必将在更高层次上、更广泛的内涵上将无线通信带入新的时代。 随着技术的成熟，相信智能天线会为无线通信带来更高层次的变革。(