第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)-智能天線李軍;高星輝;常鴻森;保宗悌【摘要】本文介紹了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)-智能天線的原理、算法以及在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用.以智能天線系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空分多址,可以倍增通信系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)性能.【期刊名稱】《自動(dòng)化與信息工程》【年(卷)，期】2000(021)004【總頁數(shù)】4頁(P25-28)【關(guān)鍵詞】智能天線空分多址DBFDOA【作者】李軍;高星輝;常鴻森;保宗悌【作者單位】華南師范大學(xué)物理系;華南師范大學(xué)物理系;華南師范大學(xué)物理系;華南師范大學(xué)物理系【正文語種】中文近年來，移動(dòng)通信事業(yè)發(fā)展迅速。為解決現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)中系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量等日益突出問題。90年代初，一些學(xué)者將陣列天線技術(shù)引入移動(dòng)通信研究中［1,2］，由于移動(dòng)通信環(huán)境和系統(tǒng)的復(fù)雜性，要求陣列天線能自動(dòng)適應(yīng)周圍復(fù)雜的通信環(huán)境和系統(tǒng)要求，因此通常稱其為智能天線(smartantennas)。智能天線由天線陣、信號合成網(wǎng)絡(luò)、信號合成控制單元三部分構(gòu)成。如圖1所示。天線陣由一系列陣元組成，天線陣元的排列方式由線陣到面陣到體面陣，由等間隔陣到圓形陣到隨機(jī)排列陣。不同陣型的天線的方向性增益與對信號的陣列響應(yīng)不同，在同樣陣元數(shù)目和輪廓尺寸條件下，圓形布陣和任意布陣比等間隔直線陣優(yōu)越，其方向性增益更高。［4］對于等間隔直線陣，各陣元間距一般取入/2。信號合成網(wǎng)絡(luò)是在信號合成控制單元的控制下將輸入信號加權(quán)合成的單元。其中的權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù)。信號合成控制單元是智能天線的關(guān)鍵部件。它利用信號特征或信號先驗(yàn)知識來產(chǎn)生每個(gè)用戶信號的復(fù)加權(quán)系數(shù)從而達(dá)到多用戶信號分離和指向性發(fā)射的目的。其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是依據(jù)一定準(zhǔn)則構(gòu)建的算法。這些準(zhǔn)則主要有最大信噪比（MSNR）準(zhǔn)則、最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則和受限的最小輸出能量（CMOE）準(zhǔn)則［5］。將智能天線與軟件無線電技術(shù)結(jié)合，便于算法更新，使其可以適應(yīng)多種情況下的通信環(huán)境，增加系統(tǒng)靈活性。若智能天線有N個(gè)陣元天線組成，就有N-1個(gè)自由度。也就是說，可以在N-1個(gè)干擾方向上形成零陷點(diǎn)，達(dá)到刪除干擾信號的作用。如圖2所示。一般情況下，通信環(huán)境中的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于智能天線陣元數(shù)，只能在干擾方向形成低增益點(diǎn)抑制。智能天線充分利用了信號的空間特征（波達(dá)方向、多譜勒頻移、多徑結(jié)構(gòu)等），即來自不同用戶信號經(jīng)過不同路徑在不同時(shí)間抵達(dá)不同陣元的特點(diǎn)。智能天線系統(tǒng)一般用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站。在接收模式下，多用戶信號經(jīng)天線陣接收，在信號合成控制單元的控制下，分辨出各用戶直達(dá)信號和多徑信號，并分離各用戶信號，實(shí)現(xiàn)信噪比提高和空分復(fù)用。在發(fā)射模式下，形成多波束定位并跟蹤各移動(dòng)用戶，并隨著小區(qū)內(nèi)用戶群的改變動(dòng)態(tài)地改變波束形狀，從而有效得降低了共道干擾，提高了系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。在波束跟蹤中，宜采用多個(gè)窄波束而非單一波束，因?yàn)榛九c用戶之間的〃視線”上可能存在阻擋物，用戶的物理方位不一定是理想的波束指向。智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益波束并跟蹤最佳路徑的變化［6］。智能天線的功能實(shí)現(xiàn)就是算法實(shí)現(xiàn)。主要有兩大類算法。一類是波束形成算法。是在一定準(zhǔn)則下綜合各輸入信號來計(jì)算最佳權(quán)值，自動(dòng)改變各天線元的幅度和相位加權(quán)，達(dá)到最佳發(fā)射、接收效果的算法。目前主要采用數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)，許多算法來自于自適應(yīng)陣的自適應(yīng)算法，這些算法研究比較成熟。另一類算法是波達(dá)方向（DirectionofArrival）估計(jì)方法。它是利用信號源的空間位置特征，實(shí)現(xiàn)定位并跟蹤信號源的算法。需要注意的是，上行鏈路與下行鏈路的算法并不能等同。在時(shí)分雙工系統(tǒng)（TDD）中，發(fā)射和接收時(shí)間間隔不太長，算法可互換。但在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)中，上行鏈路與下行鏈路的頻率不一致，由上行鏈路得到的用戶空間信息不能簡單拷貝到下行鏈路。一般用〃反饋法”和“DOA估計(jì)方法”確定下行鏈路算法。〃反饋法”是基站通過下行鏈路向移動(dòng)臺發(fā)訓(xùn)練序列，由移動(dòng)臺的反饋信息來控制加權(quán)矢量°〃DOA估計(jì)方法”是通過對上行鏈路的DOA估計(jì)來構(gòu)造下行鏈路加權(quán)矢量。常見算法如表1。智能天線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域除移動(dòng)通信外，還有軍事無線電、雷達(dá)技術(shù)、聲納等。但其最主要的用途還是在移動(dòng)通信領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)空分多址（SDMA）?？辗侄嘀肥且杂脩粜盘柕目臻g特征為基礎(chǔ)，在基站采用智能天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在同一頻道（FDMA），同一時(shí)隙（TDMA）,同一碼組（CDMA）上的用戶量的擴(kuò)展。它充分開發(fā)了空域資源，有效地解決了頻譜匱乏的問題，實(shí)現(xiàn)通信容量的倍增。由上述可見，空分多址并非獨(dú)立的多址方式，而是現(xiàn)有多址方式的擴(kuò)容方式。盡管空分多址技術(shù)離實(shí)用階段尚存在許多困難，但它獨(dú)有的特點(diǎn)和嶄新的思路已為越來越多的政府部門所重視，并被列入世界第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)空分多址，將大大提高通信系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量以及數(shù)據(jù)傳送率和傳輸帶寬，降低系統(tǒng)造價(jià)，改善系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信的設(shè)想：任何人在任何地點(diǎn)任何時(shí)間可通過個(gè)人電信號碼與任何人進(jìn)行任何一種業(yè)務(wù)通信。（1）提高通信系統(tǒng)容量（如圖3）通信系統(tǒng)容量主要由載干比（C/I）決定，由于智能天線技術(shù)能實(shí)現(xiàn)指向性發(fā)射和接收，可大大降低共道干擾，載干比大大提高，也就提高了系統(tǒng)容量。另一方面，對于FDMA或TDMA系統(tǒng)，運(yùn)用智能天線技術(shù)能開發(fā)新的信道資源一空間信道，從而倍增系統(tǒng)容量。從圖3八元智能天線與全方向性天線的性能比較，可見，智能天線可大大提高系統(tǒng)容量。提高通信質(zhì)量現(xiàn)有通信系統(tǒng)由于多徑傳播帶來了多徑衰落和時(shí)延擴(kuò)展問題，引起通信系統(tǒng)的信噪比(SNR)降低和碼間干擾(ISI)。SDMA利用智能天線指向性發(fā)射和接收，并能動(dòng)態(tài)波束跟蹤用戶的特點(diǎn)，一方面通過分辨直射信號和多徑信號，在上行鏈路降低和組合了多徑分量，提高了信干噪比(SINR)。如圖4所示；一方面通過指向性發(fā)射，在下行鏈路抑制了多徑傳播發(fā)生，從而極大地減少基站對其他用戶的干擾，提高了通信質(zhì)量。提高數(shù)據(jù)傳輸率多徑傳播引起的碼間干擾，極大限制了數(shù)據(jù)傳輸率。給目前移動(dòng)通信業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大的需求造成瓶頸。利用智能天線技術(shù)，可減少時(shí)延擴(kuò)展，支持高數(shù)據(jù)傳輸率，實(shí)現(xiàn)多媒體通信。降低系統(tǒng)造價(jià)、改善系統(tǒng)管理智能天線具有N個(gè)天線陣元，在保持原有發(fā)射功率不變條件下，每個(gè)陣元的功率為總功率的1/N，因而智能天線可以選用多個(gè)小功率放大器來代替大功率放大器。這樣可以降低基站的成本，提高設(shè)備的可靠性。對于移動(dòng)臺，在保持通信質(zhì)量不下降的情況下，可采用小體積小功率電池，這也意味著可以大大縮小移動(dòng)臺的體積，減少給周圍環(huán)境帶來的電磁污染。智能天線采用動(dòng)態(tài)波束跟蹤技術(shù)，可以隨時(shí)確定用戶在小區(qū)的位置，減少越區(qū)切換和呼損率，甚至根據(jù)實(shí)際用戶分布情況實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)小區(qū)分割［7］。小區(qū)采用智能天線后，可根據(jù)移動(dòng)用戶與基站的距離，自動(dòng)調(diào)整基站的功率增益來簡化移動(dòng)臺的功率控制和克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。智能天線的獨(dú)有特點(diǎn)已在移動(dòng)通信系統(tǒng)中顯示出誘人前景。但系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用還值得注意以下與其它相關(guān)技術(shù)的結(jié)合問題：與軟件無線電技術(shù)結(jié)合，將使算法的設(shè)計(jì)更加簡便，功能更加強(qiáng)大，增強(qiáng)智能天線系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，真正實(shí)現(xiàn)智能化。智能天線在處理空間選擇性衰落信號方面具有很大的優(yōu)勢，但對于由于移動(dòng)用戶附近形成的時(shí)間選擇性衰落信號，則缺乏優(yōu)勢。因此，在一些場合中宜同時(shí)考慮時(shí)域處理方法?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】GodaraLC.Applicationsofantennastomobilecommunications,PartI:Performanceimprove-ment,feasibility,andsystemconsiderations.ProcoftheIEEE.July1997,85(7):1031-1060GodaraLC.Applicationsofantennastomobilecommunications,PartII:Beam-forminganddirection-of-arrivalconsiderations.ProcoftheIEEE.August1997,85(8):1195-1245R.D.Carsello,etal.IMT2000standardsradioaspects.IEEECom.Mag.,1997,35(8):30-40石鎮(zhèn).自適應(yīng)天線原理.北京:國防工業(yè)出版社.1991-1.TanFWong,TatMLok.ALinearReceiverforDirectSquenceSpreadSpectrumMultipleAccessSystemwithAntennaArraysandBlindAdaption