基于智能天線解決方案提高基站的無(wú)線性能方法

一、目前數(shù)字集群系統(tǒng)的現(xiàn)況

隨著集群通信在我國(guó)的迅速發(fā)展，800MHz頻段的600對(duì)頻率資源也顯得越來(lái)越緊張。針對(duì)這一現(xiàn)狀，中國(guó)信產(chǎn)部在2001年已下達(dá)正式文件指出，到2005年底，中國(guó)不再批準(zhǔn)建設(shè)模擬集群通信系統(tǒng)。同時(shí)，中國(guó)信產(chǎn)部也制定出適合中國(guó)的數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。目前在我國(guó)數(shù)字集群市場(chǎng)上，代表產(chǎn)品有以下幾個(gè)：

1．摩托羅拉公司的TETRA系統(tǒng)和iDEN系統(tǒng)

2．諾基亞公司的TETRA系統(tǒng)

3．中興通訊公司的GoTa系統(tǒng)

4．華為公司的GT800系統(tǒng)

數(shù)字集群系統(tǒng)相對(duì)于模擬集群系統(tǒng)，在頻率利用率上有較大的提高。例如TETRA系統(tǒng)，采用1：4的TDMA技術(shù)，把一個(gè)25KHz的物理信道可分為四個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來(lái)的四倍。而iDEN系統(tǒng)，采用1：6的TDMA技術(shù)，將一個(gè)物理信道分為六個(gè)邏輯信道，頻率利用率是原來(lái)的六倍。

但同時(shí)我們也在實(shí)際應(yīng)用中看到，數(shù)字集群系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋范圍要比模擬集群系統(tǒng)要小的多。例如，在中等城市地區(qū)，在類似的條件下，模擬集群系統(tǒng)中單個(gè)基站的信號(hào)覆蓋，一般有15公里左右。而數(shù)字集群系統(tǒng)中，單個(gè)基站的信號(hào)覆蓋，一般5至7公里左右。所以在全國(guó)各地，從模擬集群系統(tǒng)轉(zhuǎn)型到數(shù)字集群系統(tǒng)的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到客戶對(duì)數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的認(rèn)可，但同時(shí)又會(huì)有對(duì)數(shù)字集群系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍減小的顧慮。

對(duì)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)的數(shù)字集群系統(tǒng)，在系統(tǒng)射頻信號(hào)的覆蓋方面，基站一般采用全向天線，也有各別系統(tǒng)為擴(kuò)大系統(tǒng)容量、支持更多用戶，需要收縮小區(qū)范圍、降低頻率復(fù)用系數(shù)提高頻率利用率，通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇區(qū)化。例如，同一個(gè)地點(diǎn)安裝三套同樣的基站設(shè)備，而每個(gè)基站使用120度的定向天線，進(jìn)行信號(hào)覆蓋，以達(dá)到在市中心提高系統(tǒng)用戶容量的目的。但隨之而來(lái)的是干擾增加，原來(lái)被距離（其實(shí)是借助路徑損耗）有效降低的CCI和MAI較大比例地增加了。提高數(shù)字集群的無(wú)線性能，對(duì)許多集群用戶而言，有著重要的意義。

二、天線及天饋系統(tǒng)

天線是一種無(wú)線設(shè)備，它能有效地輻射或接收無(wú)線電電波，并由饋線和收發(fā)設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，它可以實(shí)現(xiàn)電磁能量從一種介質(zhì)耦合到另外一種介質(zhì)去，例如從同軸線或波導(dǎo)發(fā)射到自由空間。

天線的種類很多，從輻射元來(lái)講，可分為線天線和面天線；從輻射的空間覆蓋來(lái)講，又可分為全向天線和定向天線。

全向天線

早期的無(wú)線通信系統(tǒng)，一般都采用簡(jiǎn)單的全向天線，它的接收和發(fā)射在各個(gè)方向上都是相同的。

定向天線

天線的接收和發(fā)射有固定的方向。例如360°的區(qū)域可以均分為三個(gè)120°子區(qū)域，用三個(gè)定向天線分別完成各個(gè)120°范圍內(nèi)的無(wú)線覆蓋。

三、智能天線技術(shù)

智能天線是目前發(fā)展迅速的一項(xiàng)新技術(shù)。智能天線是由一系列輻射元組成輻射元陣列，輻射元陣列的信號(hào)合成整個(gè)天線的波束圖。智能天線可以根據(jù)有用信號(hào)的分布情況，調(diào)整輻射元的信號(hào)分配，這樣就使得天線的有用波瓣方向?qū)?zhǔn)有用信號(hào)，而將天線的零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。當(dāng)有用信號(hào)分布情況變化，天線還可以智能地隨之調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)行匹配。

智能天線的應(yīng)用既提高天線增益又減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。

從智能天線采用的設(shè)計(jì)技術(shù)方法來(lái)說(shuō)，智能天線技術(shù)有兩個(gè)主要分支：多波束切換型智能天線技術(shù)和自適應(yīng)天線陣智能天線，簡(jiǎn)稱多波束天線和自適應(yīng)天線陣。

1.多波束切換型智能天線

多波束切換型智能天線技術(shù)與自適應(yīng)天線陣技術(shù)比起，實(shí)現(xiàn)起來(lái)要簡(jiǎn)單。多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度是由陣元數(shù)確定的。波束切換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個(gè)波束同時(shí)給多個(gè)用戶發(fā)送不同的信號(hào)，它從幾個(gè)預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)越過(guò)扇區(qū)時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。

在應(yīng)用波束轉(zhuǎn)換技術(shù)的系統(tǒng)，最主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)有效的波束選擇方法，利用這種方法能夠快速和精確地對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行正確的波束切換，被切換的波束則必須要覆蓋目標(biāo)用戶所在的區(qū)域。

2.自適應(yīng)天線陣智能天線

相比多波束切換型智能天線技術(shù)，自適應(yīng)天線陣技術(shù)就智能的多。它是由一個(gè)由天線陣和實(shí)時(shí)自適應(yīng)信號(hào)接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，智能天線通過(guò)自適應(yīng)算法控制加權(quán)，用反饋控制方法，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整每個(gè)輻射元的幅度和相位，達(dá)到改變天線陣的方向圖的目的。使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號(hào)抵消，而在有用信號(hào)方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾的目的。加權(quán)系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整就是波束的形成過(guò)程。智能天線波束成型大大降低了多用戶干擾，同時(shí)也減少了小區(qū)間干擾。

應(yīng)用自適應(yīng)天線陣技術(shù)，一是要準(zhǔn)確地估計(jì)波達(dá)方向（DOA），一是要找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應(yīng)算法。

2.1 波達(dá)方向（DOA）的估計(jì)

準(zhǔn)確地估計(jì)波達(dá)方向（DOA）是自適應(yīng)天線陣提高系統(tǒng)性能的前提。通過(guò)瞬時(shí)在空間上對(duì)有用信號(hào)的采樣分析，確定有用信號(hào)及干擾噪聲的空間位置，并能對(duì)有用信號(hào)的波達(dá)方向進(jìn)行跟蹤。

2.2 自適應(yīng)算法

對(duì)于自適應(yīng)天線陣智能天線的研究，核心是自適應(yīng)算法。通過(guò)找到一個(gè)真正快速收斂而性能優(yōu)良的自適應(yīng)算法，在時(shí)域上得出各個(gè)天線的最優(yōu)加權(quán)。

目前常用的智能天線算法主要有非盲算法和盲算法兩大類型。

非盲算法：是指需借助參考信號(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則（比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整勸值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE（最小均方誤差），LMS（最小均方），LS（最小二乘）等。非盲算法的特點(diǎn)：誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源。

盲算法：指無(wú)需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋算法（Decision Feedback），是一類較特殊的盲算法，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。

盲算法特點(diǎn)：一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模CM，子空間subspace，有限符號(hào)集，循環(huán)平衡等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見(jiàn)的各種基于梯度的使用不同約束量的算法。

3.智能天線研究的動(dòng)向

在智能天線的研究方面，我國(guó)早已將智能天線技術(shù)列入國(guó)家863 通信技術(shù)主題研究中的個(gè)人通信技術(shù)分項(xiàng)，許多專家及大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)的研究。而且，在我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-SCDMA系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)和同步碼分多址技術(shù)是該系統(tǒng)的核心技術(shù)。

對(duì)于智能天線的研究?jī)?nèi)容，大多集中在對(duì)智能天線的自適應(yīng)算法的優(yōu)化、對(duì)波達(dá)方向的估計(jì)，以及對(duì)智能天線陣元的幾何排列的優(yōu)化等方面，從本文的參考文獻(xiàn)，也可看到目前國(guó)內(nèi)外許多 大學(xué)及研究所也在智能天線領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。

四、用智能天線提高數(shù)字集群系統(tǒng)的射頻性能

針對(duì)目前我國(guó)數(shù)字集群通信系統(tǒng)在信號(hào)覆蓋方面存在的問(wèn)題，用自適應(yīng)天線陣智能天線技術(shù)代替目前常用的全向天線，系統(tǒng)的射頻方面的性能將有所提高。利用智能天線，借助有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射角度上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，形成正確的天線接收模式，即把天線的主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而將低增益副瓣或是零陷對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而有效地抑制干擾，更大比例地降低頻率復(fù)用因子，而且能夠在多個(gè)方面大大改善通信系統(tǒng)的性能。

簡(jiǎn)而言之，通過(guò)把智能天線技術(shù)引入到目前我國(guó)的數(shù)字集群系統(tǒng)中，可以有效地提高基站接收機(jī)的靈敏度，提高基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率，降低系統(tǒng)的干擾，進(jìn)而增加了數(shù)字集群系統(tǒng)的容量，改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋，降低了無(wú)線基站的成本。所以，智能天線的采用將顯著降低運(yùn)營(yíng)成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1．智能天線解決方案

目前，通常采用的自適應(yīng)天線陣智能天線結(jié)構(gòu)有兩種：線陣和圓陣。線陣天線即把多個(gè)天線陣元等距離地?cái)[在一條直線上，而圓陣天線則是等距離地分布在圓周上。

例如，可以采用類似TD-SCDMA系統(tǒng)的自適應(yīng)天線陣智能天線。如下圖，由8個(gè)完全相同的天線陣元均勻地分布在一個(gè)半徑為R的圓上，組成一個(gè)環(huán)形天線。相鄰陣元間距D為半波長(zhǎng)。

智能天線的“智能”作用是由天線陣及與其相連接的數(shù)字信號(hào)處理部分共同實(shí)現(xiàn)的。自適應(yīng)天線陣智能天線的系統(tǒng)框圖如下圖。

該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內(nèi)任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設(shè)置零點(diǎn)。

2．性能分析

通過(guò)理論推導(dǎo)，該零點(diǎn)處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。當(dāng)使用的智能天線當(dāng)N＝8時(shí)，比無(wú)方向性的單振子天線的增益分別大9dB（對(duì)接收）和18dB（對(duì)發(fā)射）。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。

綜上所述，智能天線解決方案提高了基站接收機(jī)的靈敏度，提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率，降低了系統(tǒng)的干擾，增加了數(shù)字集群系統(tǒng)的容量，改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋。所以，智能天線的采用將顯著降低運(yùn)營(yíng)成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。并且，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著移動(dòng)通信使用的頻率越來(lái)越高，而電子器件也越來(lái)越小，智能天線技術(shù)不僅僅會(huì)應(yīng)用在基站方面，而且也在向終端用戶發(fā)展，開(kāi)發(fā)出帶有智能天線的新型手機(jī)來(lái)。