智能天線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

移動(dòng)通信迅速發(fā)展給系統(tǒng)帶來的容量壓力，使得如何高效率的利用無線頻譜受到了廣泛的重視，智能天線技術(shù)被認(rèn)為是目前進(jìn)一步提高頻譜利用率的最有效的方法之一。本文首先介紹了智能天線的概念，以及它在提高無線系統(tǒng)能力（容量、覆蓋和新業(yè)務(wù)等）方面的應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，文章的第二部分對(duì)智能天線的工作原理和技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了描述。由于目前3G是我國在通信系統(tǒng)應(yīng)用研究方面的重點(diǎn)，因此本文的后續(xù)部分對(duì)智能天線技術(shù)在3G各種通信制式中的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)討論。除了TD-SCDMA已經(jīng)將智能天線的應(yīng)用列入標(biāo)準(zhǔn)化以外，文章中引用了一些在FDD情況下應(yīng)用智能天線的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，說明了該技術(shù)在WCDMA和cdma2000的應(yīng)用前景。

2 智能天線簡(jiǎn)介

隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，越來越多的業(yè)務(wù)將通過無線電波的方式來進(jìn)行，有限的頻譜資源面對(duì)著越來越高的容量需求的壓力。對(duì)于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM，在我國的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)了容量供應(yīng)困難的現(xiàn)象，小區(qū)蜂窩的半徑已經(jīng)很小，而目前作為應(yīng)用研究重點(diǎn)的3G以及它的業(yè)務(wù)模式無疑將對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量有更高的要求。高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將作為3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一個(gè)主要特點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在3G系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與第二代系統(tǒng)明顯的差別服務(wù)，充分體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)容量將是網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)者必須重點(diǎn)考慮的問題。就目前的情況而言，智能天線技術(shù)將是提高網(wǎng)絡(luò)容量最有效的方法之一，尤其對(duì)于3G中以自干擾為主要干擾形式的通信系統(tǒng)。

天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號(hào)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)變化的天線稱為智能天線。與普通天線以射頻部分為主不同，智能天線包括射頻部分以及信號(hào)處理和控制部分。同時(shí)，由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對(duì)于智能天線的研究主要集中在基站側(cè)，我們下面討論的智能天線也指的是在基站上的應(yīng)用。

目前，基站普遍使用的是全向天線或者扇區(qū)天線，這些天線具有固定的天線方向圖形式，而智能天線將具有根據(jù)信號(hào)情況實(shí)時(shí)變化的方向圖特性（見圖1）。

如圖1所示，在使用扇區(qū)天線的系統(tǒng)中，對(duì)于在同一扇區(qū)中的終端，基站使用相同的方向圖特性進(jìn)行通信，這時(shí)系統(tǒng)依靠頻率、時(shí)間和碼字的不同來避免相互間的干擾。而在使用智能天線的系統(tǒng)中，系統(tǒng)將能夠以更小的刻度區(qū)別用戶位置的不同，并且形成有針對(duì)性的方向圖，由此最大化有用信號(hào)、最小化干擾信號(hào)，在頻率、時(shí)間和碼字的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)從空間上區(qū)別用戶的能力。這相當(dāng)于在頻率和時(shí)間的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個(gè)新的維度，能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量以及與之相關(guān)的其它方面的能力（例如覆蓋、獲取用戶位置信息等）。

3 智能天線的工作原理與發(fā)展情況

天線的方向圖表示的是空間角度與天線增益的關(guān)系，對(duì)于全向天線來說，它的方向圖是一個(gè)圓；對(duì)于陣列天線，可以通過調(diào)整陣列中各個(gè)元素的加權(quán)參數(shù)來形成更具方向性的天線方向圖，形成主瓣方向具有較大增益，而其它副瓣方向增益較小的形式。智能天線正是一種能夠根據(jù)通信的情況，實(shí)時(shí)地調(diào)整陣列天線各元素的參數(shù)，形成自適應(yīng)的方向圖的設(shè)備。這種方向圖通常以最大限度地放大有用信號(hào)、抑制干擾信號(hào)為目的，例如將大增益的主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而在其它方向的干擾信號(hào)上使用小增益的副瓣。圖2為一個(gè)智能天線結(jié)構(gòu)的示例圖。

智能天線包括射頻天線陣列部分和信號(hào)處理部分，其中信號(hào)處理部分根據(jù)得到的關(guān)于通信情況的信息，實(shí)時(shí)地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可能是接收到的無線信號(hào)的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí)，也可能是通信對(duì)端關(guān)于發(fā)送信號(hào)接收情況的反饋信息。

由于移動(dòng)通信中無線信號(hào)的復(fù)雜性，所以這種根據(jù)通信情況實(shí)時(shí)調(diào)整天線特性的工作方式對(duì)算法的準(zhǔn)確程度、運(yùn)算量以及能夠?qū)崟r(shí)完成運(yùn)算的硬件設(shè)備都有很高的要求。這決定了智能天線的發(fā)展是一個(gè)分階段的、逐步完善的過程，目前通常將這種過程分為以下三個(gè)階段（見圖3）：                  

●第一階段：開關(guān)波束轉(zhuǎn)換。在天線端預(yù)先定義一些波瓣較窄的波束，根據(jù)信號(hào)的來波方向?qū)崟r(shí)確定發(fā)送和接收所使用的波束，達(dá)到將最大天線增益方向?qū)?zhǔn)有效信號(hào)，降低發(fā)送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區(qū)天線和智能天線之間，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算較為簡(jiǎn)單，但是性能也比較有限。

●第二階段：自適應(yīng)（最強(qiáng)）信號(hào)方向。根據(jù)接收信號(hào)的最強(qiáng)到達(dá)方向，自適應(yīng)地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，形成對(duì)準(zhǔn)該方向的接收和發(fā)送天線方向圖。這是動(dòng)態(tài)自適應(yīng)波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開關(guān)波束轉(zhuǎn)換，同時(shí)算法也較為復(fù)雜，但是還未達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

●第三階段：自適應(yīng)最佳通信方式。根據(jù)得到的通信情況的信息，實(shí)時(shí)地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，自適應(yīng)地形成最大化有用信號(hào)、最小化干擾信號(hào)的天線特性，保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提高系統(tǒng)無線頻譜的利用率。但是其算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)運(yùn)算量大，同時(shí)還需要進(jìn)一步探尋各種實(shí)際情況下的最佳算法。

目前，對(duì)于智能天線的應(yīng)用主要集中在第二階段附近，并且由于移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，使得智能天線技術(shù)在包括3G的應(yīng)用中受到廣泛的重視，解決智能天線在實(shí)際應(yīng)用中的各種問題，以及尋求更加“智能”的自適應(yīng)算法和實(shí)現(xiàn)方案是目前工作的重點(diǎn)和主要內(nèi)容。下面我們討論智能天線技術(shù)在3G各個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用前景，以及相關(guān)的試驗(yàn)參考結(jié)果。

4 智能天線在3G中的應(yīng)用前景

3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術(shù)，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同的用戶，因此接收端各個(gè)信號(hào)之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統(tǒng)中的時(shí)隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時(shí)，在理論分析的基礎(chǔ)上，大量的仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果也證明了：在3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這一對(duì)矛盾的基礎(chǔ)上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已經(jīng)得到共識(shí)，成為3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的主要特點(diǎn)。

在業(yè)務(wù)特性上，3G以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻電話和能力得到增強(qiáng)的增值業(yè)務(wù)作為其對(duì)2G系統(tǒng)形成服務(wù)優(yōu)勢(shì)的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡(luò)流量。但是與2G系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢(shì)，必須使用新技術(shù)使頻譜利用率得到質(zhì)的提高，智能天線技術(shù)正是目前被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的最有效的方法之一。它通過增加系統(tǒng)SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對(duì)空中無線頻譜資源的利用能力。

我國提出的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時(shí)隙間隔相互交錯(cuò)的上下行信道之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對(duì)下行信道的發(fā)送特性進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，因此TD-SCDMA成為3G標(biāo)準(zhǔn)中最方便于使用智能天線的一個(gè)技術(shù)，并且已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，將智能天線作為其主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，對(duì)于3G中使用FDD方式的WCDMA和cdma2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差（在我國的3G頻率劃分中，主要工作頻段上下行的頻差為190MHz），因此上下行信道之間的相關(guān)性較弱，加上城區(qū)中復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行鏈路理想的發(fā)送方案是比較困難的，對(duì)算法的復(fù)雜度也有更高的要求。但是由于對(duì)系統(tǒng)性能改善方面的重要作用，所以關(guān)于FDD系統(tǒng)中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。

在英國進(jìn)行的TSUNAMI Ⅱ項(xiàng)目，在DCS1800系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過使用8副各自由8個(gè)元素構(gòu)成的天線陣列對(duì)智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的性能情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)各種自適應(yīng)算法進(jìn)行了比較，并且發(fā)布了如下的一些試驗(yàn)結(jié)果：

（1）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)信號(hào)到達(dá)方向相差10度以上的時(shí)候，通過使用智能天線，系統(tǒng)獲得了達(dá)到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%；

（2）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過使用8元素的智能天線，系統(tǒng)容量增加了300%；

（3）微蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大部分自適應(yīng)算法也能夠取得相當(dāng)?shù)男阅茉鲆妗Ｐ枰獙?duì)微蜂窩的情況進(jìn)行更深入的研究。

在此之后的SUNBEAM項(xiàng)目把在DCS1800系統(tǒng)上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擴(kuò)展，對(duì)智能天線在3G WCDMA中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；與此同時(shí)，在美國、日本和韓國等地方也報(bào)告了關(guān)于智能天線性能的相關(guān)試驗(yàn)和研究結(jié)果。

5 結(jié)束語

移動(dòng)通信用戶量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢(shì)，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò)容量成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，尤其是未來3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問題。單純地依靠增加基站（使用微蜂窩增加頻率的復(fù)用度），無論從成本和性能表現(xiàn)方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線技術(shù)的引入，將通過增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統(tǒng)對(duì)于無線頻譜的利用率。與其它所有的先進(jìn)技術(shù)一樣，智能天線技術(shù)的發(fā)展也是一個(gè)伴隨著算法研究和硬件升級(jí)的循序漸進(jìn)的過程。由于對(duì)其重要作用的認(rèn)識(shí)，近年來在世界范圍內(nèi)開展了大量的研究和試驗(yàn)工作，取得了豐碩的成果，目前基本上已經(jīng)開始了實(shí)際的應(yīng)用階段，實(shí)際使用中的各種問題也在逐步得到解決。當(dāng)前，我國正在對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力進(jìn)行大規(guī)模的研究和試驗(yàn)，智能天線技術(shù)無疑也將成為討論的熱點(diǎn)之一，希望本文能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的工作和研究人員提供一定的參考