智能天線在移動通信中的應(yīng)用

興月娜 金鑫

摘要：近年來，移動通信技術(shù)發(fā)展迅速。20世紀80年代以來，移動通信的發(fā)展經(jīng)歷了第一代模擬蜂窩移動通信、第二代數(shù)字蜂窩移動通信和第三代多媒體移動通信三個階段。隨著移動用戶的顯著增長，通信系統(tǒng)目前面臨著許多需要解決的問題，如多徑衰落、跨區(qū)域切換、信號的遠近效應(yīng)、信道干擾、移動站功率限制等。智能天線具有抑制干擾、信號自動跟蹤、數(shù)字波束整形等功能。它可以用于移動通信，既可以提高信號質(zhì)量，又可以提高通信系統(tǒng)的容量。

關(guān)鍵詞：智能天線；移動通信；應(yīng)用

智能天線采用空分復(fù)用（SDMA），利用信號傳播方向上的差異，區(qū)分具有頻率和同時隙的信號。它可以增加通信能力，并與其他重用技術(shù)結(jié)合，以最大限度地利用有限的頻譜資源。此外，在移動通信中，復(fù)雜地形和建筑結(jié)構(gòu)對無線電波傳輸?shù)挠绊懀约按罅坑脩糁g的交互作用，會導(dǎo)致延遲擴散、多徑衰落和對同一信道的干擾，嚴重影響通信質(zhì)量。使用智能天線可以有效地解決這一問題。

1智能天線概念及其組成

1.1智能天線的概念

智能天線主要是指具有定向和波束形成能力的天線陣列。首先，智能天線只能應(yīng)用于雷達系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)。隨著數(shù)字智能處理技術(shù)的發(fā)展，智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。天線比傳統(tǒng)天線更具成本效益。

1-2智能天線的優(yōu)點

首先，智能天線可以從多方面提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線可以通過兩種方式減少延遲擴展和多徑衰落。（1）發(fā)射時，能量主要集中在目標的方向上，在傳播過程中可以減少多路徑反射的次數(shù)，從而減少延遲的擴展。（2）接收時，可以通過分集合并來降低多徑衰落，也可以通過對各多徑信號進行時延補償使它們相位相同來降低多徑衰落，還可以通過濾掉除主要信號以外的多徑信號來降低多徑衰落。其二，CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾。也就是說，降低干擾對CDMA系統(tǒng)極為重要，所以利用智能天線來降低干擾就可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。其三，在給定的頻譜條件下，智能天線也可以通過形成過多的波束增加新的信道來增加用戶數(shù)量，提高頻譜效率。其四，采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向（DOA）。

1.3智能天線的組成

智能天線包括智能傳輸和智能接收。首先對DOA進行估計，同時完成空間濾波，然后形成一個數(shù)字波束，將返回信號向特定方向傳輸，降低傳輸功率，減少與其他移動站的干擾。整個系統(tǒng)由高頻處理、中頻處理和波束成形組成。高頻處理主要是接收或傳輸信號進行放大。中頻處理是將高頻信號放大、混合、轉(zhuǎn)化為模擬信號，然后采樣處理成數(shù)字信號，再發(fā)送給數(shù)字信號處理器。波束形成部分校正A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并控制波束，使其在最精確的傳輸范圍內(nèi)。

2智能天線在移動系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1提高基站接收機的靈敏度

如果采用最大功率合成算法，相對于單個天線單元，接收到的總信號將增加10 logN（dB），其中N為天線單元的個數(shù)。當(dāng)有多個路徑時，該接收靈敏度的改善將由多路徑傳播條件和上行波束形成算法決定，而相對于單個天線單元，其增加通常約為1010gN（dB）。

2.2在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在CDMA系統(tǒng)中，智能天線可進行話務(wù)均衡，將高話務(wù)扇區(qū)的部分話務(wù)量轉(zhuǎn)移到容量資源未充分利用的扇區(qū)；通過智能天線靈活的輻射模式和定向性，可進行軟及軟切換控制；智能天線的空間域濾波可改善遠近效應(yīng)，簡化功率控制，降低系統(tǒng)成本，也可減少多址干擾，提高系統(tǒng)性能。

2.3在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能天線在無線局部環(huán)路系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。在TDD模式的無線局部環(huán)路系統(tǒng)中，基站對接收到的上行信號進行處理，得到信號的空間特征向量，并進行下行波束形成，以達到最佳的接收效果。由于系統(tǒng)采用TDD方法，上行波束形成數(shù)據(jù)可以直接用于下行發(fā)射信號，實現(xiàn)下行波束形成。天線波束的自適應(yīng)形狀提高了接收機靈敏度和基站傳輸功率，擴大了通信距離，在一定程度上減小了多徑傳播的影響。中國郵政和電信科學(xué)研究所的ArrayComm和Xinwei公司開發(fā)了一套用于無線本地回路的智能天線系統(tǒng)。ArrayComm產(chǎn)品在不同的環(huán)境中配置了12和4元的可變數(shù)組。ArrayComm的WLL系統(tǒng)可以提供15公里的覆蓋范圍和數(shù)千用戶的容量。

2.4第二代移動通信系統(tǒng)

第二代移動通信系統(tǒng)又稱為2G網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)，是我國較早期的移動通信網(wǎng)絡(luò)模式，2G中的智能天線具有部分應(yīng)用，主要功能為匹配原網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，并控制上下行鏈路的干擾。2G中的智能天線具有當(dāng)前智能天線大部分功能，主要使用四天線陣來提高頻譜轉(zhuǎn)化效率。在CDMA系統(tǒng)的智能天線則可以完成選擇性的空間傳輸，降低基站的發(fā)射功率，降低電磁誤擾和信號干擾。自適應(yīng)智能體現(xiàn)就是這一時期的主要形式，應(yīng)用廣泛且效果明顯。

2.5基于時分雙工的智能天線優(yōu)化

同頻干擾就是在同一頻率下完成信息的發(fā)送與接收，時分雙工智能技術(shù)是其技術(shù)核心。對我國移動3G和4G業(yè)務(wù)而言，智能天線的應(yīng)用和優(yōu)化都是必要的。在向4G轉(zhuǎn)化過程中，3G依然會在長時間內(nèi)發(fā)揮作用。智能天線的作用明顯，智能天線改善了無線通信網(wǎng)絡(luò)中的不足，分析智能天線移動通信技術(shù)是必要的。一些WCDMA與CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。

結(jié)束語

智能天線技術(shù)是近年來移動通信領(lǐng)域的研究熱點。它已經(jīng)在PHS中被商業(yè)化，并且在第三代移動通信系統(tǒng)中得到了更多的關(guān)注。WCDMA和CDMA2000都支持不同程度的智能天線技術(shù)。TS-SCDMA明確規(guī)定了智能天線的使用?？梢哉f，智能天線是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，在其他無線系統(tǒng)中也有很好的應(yīng)用前景。