智能天線技術(shù)在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

一、智能天線應(yīng)用背景

　　最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、軍事抗干擾通信，用來(lái)完成空間濾波和定位等。近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度不斷提高。

智能天線技術(shù)可用于具有復(fù)雜電波傳播的移動(dòng)通信環(huán)境。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。實(shí)際上，它使通信資源不再局限于時(shí)間域、頻率域或碼域而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到智能天線在降低網(wǎng)絡(luò)干擾方面的重要作用，因此，在3G標(biāo)準(zhǔn)如WCDMA和cdma2000中，支持智能天線的條款已經(jīng)出現(xiàn)，智能天線已成為3G的重要組成部分。

目前除了極少數(shù)的國(guó)家有正式的3G商用網(wǎng)，我國(guó)和大多數(shù)地區(qū)3G仍然處于試驗(yàn)網(wǎng)的階段，預(yù)計(jì)未來(lái)兩到三年內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)仍然是移動(dòng)話務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。在中國(guó)大中城市GSM網(wǎng)的用戶數(shù)以每年約20%比例增加，在部分熱點(diǎn)地區(qū)，每平方公里承載的話務(wù)量甚至達(dá)到了1500erl。GSM網(wǎng)絡(luò)的容量在硬件配置充分的環(huán)境下完全受限于網(wǎng)絡(luò)的頻率資源，在有限的頻寬下，要增加網(wǎng)絡(luò)容量，只能減小頻率復(fù)用距離，而頻率復(fù)用距離越近，網(wǎng)絡(luò)的干擾越高。

根據(jù)目前GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)，在保證使用合適的小區(qū)信號(hào)的前提下，要保持網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量在客戶可接受的話音質(zhì)量（清晰無(wú)雜音）范圍內(nèi)，則必須按照載干比在18dB以上進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。無(wú)論是按照傳統(tǒng)的4/12頻率復(fù)用方式還是利用MRP或1*3頻率復(fù)用方式，在現(xiàn)有頻寬下均最多按照12dB的載干比進(jìn)行頻率規(guī)劃，剩余的載干比只能依靠動(dòng)態(tài)功率控制、跳頻、不連續(xù)發(fā)射等功能的增益進(jìn)行補(bǔ)償。降低網(wǎng)絡(luò)的干擾水平、提高系統(tǒng)的載干比在GSM高速增長(zhǎng)期，特別是在GPRS業(yè)務(wù)正式商用后顯得非常重要，因此不少GSM生產(chǎn)廠商和運(yùn)營(yíng)商都在考慮將3G標(biāo)準(zhǔn)中的智能天線用于GSM網(wǎng)絡(luò)中，一些廠商如愛立信、麥得威等公司在話務(wù)高的局部區(qū)域開展了相應(yīng)的研究和試驗(yàn)，并取得了較理想的效果。

　　二、智能天線的原理

　　具有高增益、窄波束相位陣列天線的智能切換天線正在替代傳統(tǒng)的扇區(qū)天線。一個(gè)多波束的天線面板包括了4個(gè)30?(或者22.5?)的波束，因而接收信號(hào)時(shí)能夠接收到比標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)天線更少的干擾信號(hào)，故而提高接收信號(hào)的質(zhì)量。根據(jù)理論計(jì)算，一個(gè)包括4個(gè)可切換的窄波束天線的平均C/I值可比傳統(tǒng)的3-扇區(qū)天線系統(tǒng)增加6dB。

智能天線系統(tǒng)以時(shí)隙為基礎(chǔ)連續(xù)地進(jìn)行波束選擇，以確保用戶在通話過(guò)程中的話音質(zhì)量。

用于試驗(yàn)的智能天線有兩部分組成，即一根多波束陣列天線和一根雙極化天線，這兩部分可整體封裝在一個(gè)天線平板中也可以分開使用。多波束陣列天線是一個(gè)由6?8天線陣源的天線陣列形成的4個(gè)水平3dB波瓣寬度22.5?多波束陣列天線，一般稱其為窄波束天線，其主要功能是發(fā)射話務(wù)信道的信號(hào)（TCH）和接收上行信號(hào)；雙極化天線包含2個(gè)水平3dB波瓣寬度90?天線，一般稱其為寬波束天線，其功能是發(fā)射控制信道的信號(hào)（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。

　　三、智能天線在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)例

　　1．引入智能天線的小區(qū)選擇

　　由于智能天線引入時(shí)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)做相應(yīng)的硬件改造，同時(shí)考慮到其價(jià)格，在目前的GSM網(wǎng)絡(luò)中比較適合的策略是在局部站點(diǎn)引入智能天線。引入智能天線的目的主要在于利用其特點(diǎn)降低網(wǎng)內(nèi)的頻率干擾，因此建議引入智能天線的無(wú)線基站選擇那些站點(diǎn)位置高、對(duì)其他小區(qū)干擾嚴(yán)重的站點(diǎn)。如深圳的試驗(yàn)站點(diǎn)選擇了市區(qū)的一個(gè)小區(qū)，該站點(diǎn)比周圍站點(diǎn)的高度高出約10米、與周圍站點(diǎn)平均站距為500米，在該小區(qū)覆蓋區(qū)域存在較多的信號(hào)重疊覆蓋。

　　2．道路測(cè)試中下行干擾的改善

　　為了更明顯地對(duì)比引入智能天線前后對(duì)下行干擾的情況，在試驗(yàn)過(guò)程中，我們?nèi)藶榈貙⑴c試驗(yàn)小區(qū)方向正對(duì)的小區(qū)頻率改為與試驗(yàn)小區(qū)同頻。理論上，智能天線將下行信號(hào)強(qiáng)度集中在有話務(wù)的區(qū)域，因此會(huì)降低對(duì)其他小區(qū)的干擾，其中（a）為使用普通定向天線的小區(qū)覆蓋情況，(b)為使用智能天線的小區(qū)覆蓋情況。

　　（1）下行信號(hào)強(qiáng)度的比較

　　在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)對(duì)比智能天線引入前后的下行信號(hào)強(qiáng)度的變化，可評(píng)估其對(duì)下行干擾的改善，智能天線通過(guò)減少下行場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到降低對(duì)其他小區(qū)干擾的目的。在試驗(yàn)中針對(duì)智能天線不同波束方向在忙時(shí)（10：00-12：00）進(jìn)行了持續(xù)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試（超過(guò)15分鐘）。

信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)降低程度在1.4-8.1dbm間變化，信號(hào)強(qiáng)度變化不同的原因，一方面是天線的扇形覆蓋，另一方面是話務(wù)在不同波束方向的分布不同。

　?。?/span>2）載干比的對(duì)比測(cè)量

　　由于原網(wǎng)絡(luò)中頻率復(fù)用距離很遠(yuǎn)，同頻干擾很小，為了加強(qiáng)對(duì)比效果我們將與試驗(yàn)小區(qū)方向正對(duì)的鄰小區(qū)改為同頻小區(qū)（這種情況在目前的扇區(qū)天線下是會(huì)引起嚴(yán)重質(zhì)差應(yīng)盡量避免的）。選中的鄰小區(qū)是最可能受到試驗(yàn)小區(qū)干擾的，特別是在該區(qū)域的一條主干道上，選中的小區(qū)為服務(wù)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)為第一鄰區(qū)。選擇主干道上的7個(gè)點(diǎn)為C/I的測(cè)試點(diǎn)，利用TEMSinvestgation測(cè)試頻點(diǎn)1的C/I值，對(duì)比更換智能天線前后的C/I值。

更換天線前后，干擾信號(hào)強(qiáng)度變化曲線規(guī)律一致，說(shuō)明更換前后的無(wú)線環(huán)境是類似的。對(duì)比更換前后的干擾小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度，應(yīng)用智能天線后下行干擾最大可降低3.3dB，相當(dāng)于降低了53%的下行干擾。測(cè)試點(diǎn)1、2、3的下行干擾沒(méi)有改善，估計(jì)是由于測(cè)試點(diǎn)周圍有阻擋引起測(cè)試點(diǎn)收到較多的反射信號(hào)。

　　3．統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比

　　在試驗(yàn)期間，我們對(duì)比掉話率、SQI（話音質(zhì)量指示）、話務(wù)掉話比等各項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行了總體觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了智能天線后，試驗(yàn)小區(qū)及周圍鄰小區(qū)話務(wù)質(zhì)量有了一定的改善。

（1）話音信道掉話率指標(biāo)的前后對(duì)比如。

使用智能天線后，小區(qū)集的掉話率指標(biāo)有一定提升，使用了智能天線后，平均掉話率從0.46%下降為0.41%。

（2）SQI指標(biāo)情況

以SQI為“好”的等級(jí)比例在應(yīng)用智能天線前后的變化為例，整個(gè)小區(qū)集的SQIGOOD比例從85.71%上升到了87.94%，這表明在應(yīng)用智能天線后用戶可以享受到更好的語(yǔ)音質(zhì)量。

（3）話務(wù)掉話比是可以較全面地衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化的一個(gè)指標(biāo)，在應(yīng)用智能天線前后，話務(wù)掉話比也有明顯提升，從105.22分鐘提高到128.24分鐘，即兩個(gè)連續(xù)掉話的時(shí)間間隔擴(kuò)展了23分鐘。

　　4．上行干擾的改善

　　理論上，由于智能天線是多波束的天線，因而接收信號(hào)時(shí)能夠?qū)⒔邮盏亩鄰叫盘?hào)進(jìn)行最大比例合路計(jì)算得到比標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)天線更少的干擾信號(hào)，故而提高接收信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到改善上行干擾的目的。與下行干擾的改善不同的是，應(yīng)用智能天線后只改善應(yīng)用了智能天線的小區(qū)，而下行干擾的改善是針對(duì)整個(gè)區(qū)域的小區(qū)。

上行干擾的指標(biāo)由統(tǒng)計(jì)人員通過(guò)OSS的上行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、手機(jī)發(fā)射功率變化、話務(wù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)三個(gè)方面進(jìn)行分析。

　　（1）OSS統(tǒng)計(jì)的上行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

在愛立信系統(tǒng)中，可通過(guò)BTS收集上行信號(hào)的質(zhì)量得知，應(yīng)用智能天線后小區(qū)的上行質(zhì)量有所提高。

　?。?/span>2）OSS統(tǒng)計(jì)的手機(jī)功率變化

由于在系統(tǒng)中已應(yīng)用了上行的功率控制，因此手機(jī)的發(fā)射功率一直根據(jù)BTS測(cè)量到的上行信號(hào)強(qiáng)度和上行質(zhì)量情況來(lái)調(diào)節(jié)的，手機(jī)的發(fā)射功率越小，說(shuō)明上行的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量越好，在上行信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯的情況下，手機(jī)的發(fā)射功率與上行信號(hào)質(zhì)量就有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。愛立信的OSS統(tǒng)計(jì)中有針對(duì)手機(jī)發(fā)射功率的統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用智能天線后手機(jī)滿功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機(jī)平均發(fā)射功率減少了2.7dB，相當(dāng)于在空中手機(jī)發(fā)射功率降低了46%，這對(duì)上行干擾的改善是很大的。

　?。?/span>3）上行質(zhì)差引起掉話統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用智能天線前后上行質(zhì)差掉話統(tǒng)計(jì)指標(biāo)也有一定提高，上行質(zhì)差掉話比例從9.7%下將到了1.6%（上行質(zhì)差掉話比例是指上行質(zhì)差引起的掉話占所有掉話的比例）。應(yīng)用了智能天線后上行干擾有顯著改善。

　　四、小結(jié)

　　通過(guò)已開展的GSM網(wǎng)絡(luò)中的智能天線應(yīng)用可見，智能天線可以匹配原網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，通過(guò)上下行的波束切換進(jìn)行干擾控制。在上行方面，智能天線為試驗(yàn)小區(qū)提供載干比增益，從而提高了試驗(yàn)小區(qū)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量；在下行方面，智能天線減少了對(duì)試驗(yàn)小區(qū)的相鄰小區(qū)的干擾，其實(shí)質(zhì)是分配了移動(dòng)通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域，使空間資源之間的交疊最小，干擾最小，合理利用無(wú)線資源給網(wǎng)絡(luò)(包括試驗(yàn)小區(qū))帶來(lái)下行載干比增益，通過(guò)改善下行載干比增益提高頻率復(fù)用的距離，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量也提高了網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線容量，為網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)容奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。