智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1智能天線的定義近年來(lái)，大多數(shù)先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都采用了智能天線技術(shù)。智能天線技術(shù)的研究已列入國(guó)家ICT研究課題個(gè)人通信技術(shù),許多專(zhuān)家和高校都對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究。我國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上同步碼分多址技術(shù),大部分采用智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)。從第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果來(lái)看,是十分可行的,且發(fā)展較為成熟。目前研究智能天線的領(lǐng)域分別是智能天線的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和自適應(yīng)算法;寬帶高速信號(hào)波束形成處理過(guò)程;移動(dòng)臺(tái)的智能天線技術(shù);智能天線實(shí)現(xiàn)的硬件技術(shù);智能天線測(cè)試平臺(tái)和軟件無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域的研究等。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的全向或定向天線的效果不令人滿意,主要是由于空間資源分區(qū)是基于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),雖然在系統(tǒng)中完成后可采取一些措施以提高系統(tǒng)性能的最優(yōu)化,但由于各種原因,優(yōu)化的余地不大,且工程量很大。與此相反,智能天線的優(yōu)點(diǎn),可以分析天線陣列的信號(hào),靈活、最佳的使用波速,以減少干擾和被干擾的潛在因素。這就是自適應(yīng)天線陣列的智能化,它體現(xiàn)了自適應(yīng)、自優(yōu)化和自選擇的概念,對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動(dòng)作用。2智能天線的工作原理智能天線是一種測(cè)向和波束形成能力的天線陣列,起初被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信等領(lǐng)域。目前,由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,IC處理速度的快速提高以及價(jià)格不高,從而大大推動(dòng)了商業(yè)應(yīng)用無(wú)線通信系統(tǒng)的市場(chǎng)。智能天線主要由天線陣、波束形成單元和自適應(yīng)控制單元三部分構(gòu)成,其特征在于天線陣列接收收發(fā)射頻信號(hào)的輻射單元,通常情況下形成圓形陣列或者線性陣列。波束形成單元通過(guò)每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號(hào)以加權(quán)相加的形式,所述權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù)。智能天線的核心是自適應(yīng)控制單元,該單元功能是基于一定的算法和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),主動(dòng)適應(yīng)周?chē)碾姶怒h(huán)境的變化。它是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),滿足一定準(zhǔn)則的算法來(lái)調(diào)整每個(gè)陣元的加權(quán)幅度和相位,動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生空間定向波速,使得天線的主波束信跟蹤用戶的信息達(dá)到的方向,旁瓣或零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)所到達(dá)的方向,從而抑制干擾信號(hào),提高信號(hào)信噪比的目的。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。智能天線技術(shù)是學(xué)習(xí)自適應(yīng)天線的抗干擾原理,依靠陣列信號(hào)處理和數(shù)字波束形成技術(shù)開(kāi)發(fā)形成一種新型的技術(shù)。由于發(fā)射和接收天線有兩種狀態(tài),因此智能天線包括有智能化的發(fā)射以及智能化接收兩部分,這兩種的工作原理大致是相同的。3在移動(dòng)通信中使用智能天線3.1tdma系統(tǒng)的波速切換根據(jù)研究,跟往常的三扇區(qū)基站作比較,C/I值平均提高了8分貝左右,極大地改善了基站的覆蓋效果;頻率復(fù)用系數(shù)從7個(gè)降到4個(gè),擴(kuò)大了系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面,智能天線技術(shù)的使用可以減少無(wú)線掉話率和切換失敗率。當(dāng)用于TDMA系統(tǒng),無(wú)線能量在時(shí)間和空間是有限的,而采用智能天線的波速切換規(guī)則可以提高C/I的指數(shù)。經(jīng)過(guò)研究分析,把傳統(tǒng)的120°天線用4個(gè)30o的天線代替掉,C/I可以提高6分貝,從而使得服務(wù)質(zhì)量的水平的優(yōu)化。在滿足GSM系統(tǒng)的C/I比最小的前提下,提高頻率重用指數(shù),能夠增加系統(tǒng)的容量。在CDMA系統(tǒng)中,智能天線可以對(duì)話務(wù)進(jìn)行均衡,把高話務(wù)的扇區(qū)部分轉(zhuǎn)移到未充分利用資源的扇區(qū)部分,通過(guò)靈活的智能天線的輻射模式和方向性,可以是軟/更軟切換控制,智能天線空域?yàn)V波可以減少距離的影響,簡(jiǎn)化功率控制,并降低系統(tǒng)成本,還可以減少多址干擾,從而提高系統(tǒng)性能。3.2tdd模式下的行波速賦形在無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)中,基站對(duì)接收到的上行信號(hào)進(jìn)行處理,獲得該信號(hào)的空間特征矢量,進(jìn)行上行波速賦形,獲得最佳的接收效果。由于本系統(tǒng)采用TDD模式,可以把上行波速賦形數(shù)據(jù),能夠直接使用,用于在下行發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)下行波束的賦形。天線波束賦形可以改善天線的效益,并提高接收器的靈敏度和基站的發(fā)射功率,擴(kuò)大通信距離,并在一定程度上減少了多徑傳播的影響。3.3智能天線的使用DECT、PHS都是以TDD方式的緩慢移動(dòng)通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。一些歐洲國(guó)家在進(jìn)行DECT基站智能天線實(shí)驗(yàn)時(shí),采用和評(píng)估各種自適應(yīng)算法,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了智能天線的功能。日本在對(duì)PHS系統(tǒng)的測(cè)試表明,使用智能天線后,基站數(shù)量可以減少。最近受到移動(dòng)“本地”業(yè)務(wù)啟動(dòng)的影響,一些地方使用智能天線技術(shù),如建設(shè)“移動(dòng)市話”,期望和蜂窩移網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行爭(zhēng)奪市場(chǎng)。但是PHS技術(shù)是有其缺點(diǎn)的,如通信距離有限,需要建立一個(gè)特定的基站,如果采用了智能天線技術(shù),可以降低成本。3.4智能天線及scd采用智能天線技術(shù),可以提高第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和服務(wù)質(zhì)量,W-CDMA系統(tǒng)采用了自適應(yīng)天線陣列技術(shù),增加系統(tǒng)容量。如圖2所示。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,我國(guó)SCDMA系統(tǒng)是運(yùn)用智能天線技術(shù)的典型的例子。SCDMA系統(tǒng)采用TDD模式,使得上下射頻信完全對(duì)稱(chēng),可以解決如天線下行波束賦形、抗多徑干擾和多址干擾等問(wèn)題。此系統(tǒng)擁有精確定位功能,可以實(shí)現(xiàn)接力切換,減少信道資源的浪費(fèi)。4設(shè)計(jì)初始階段對(duì)性能和復(fù)雜度的折共享優(yōu)化未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)需要可以適用于各種通信環(huán)境的信號(hào)處理技術(shù),因此未來(lái)智能天線設(shè)計(jì)的初始階段必須認(rèn)真地考慮在性能和復(fù)雜度之間折衷地優(yōu)化。下面介紹下未來(lái)無(wú)線通信中智能天線的發(fā)展趨勢(shì)和將會(huì)遇到的問(wèn)題。4.1重新配置的自適應(yīng)為了使無(wú)線通信收發(fā)機(jī)可以工作在多參數(shù)連續(xù)改變的環(huán)境中,需要在收發(fā)機(jī)中采用可重新配置的自適應(yīng)技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),從而獲得最好的性能。智能天線收發(fā)機(jī)中的可重配置性可以看作是在各種不同環(huán)境中收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的智能切換。例如,已經(jīng)有專(zhuān)家提出了在MIMO信道中用于空間分集和復(fù)用相互折衷的算法。4.2多層次估計(jì)結(jié)果通過(guò)由OSI(OpenSystemInterconnection,開(kāi)放系統(tǒng)互連)模型定義的高層之間的相互作用提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。可以通過(guò)結(jié)合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)智能天線,也就是說(shuō)要考慮到各層之間相互關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì),而不是單獨(dú)考慮某一層。實(shí)踐表明,單獨(dú)考慮一層的設(shè)計(jì)方法所得到性能評(píng)估是低效的。例如,當(dāng)引入調(diào)度后,通過(guò)空時(shí)編碼所得到的增益將會(huì)減小,甚至?xí)?。在OSI不同層之間交換的信息可以歸類(lèi)如下:(1)CSI:需要估計(jì)出信道脈沖響應(yīng)、定位信息、車(chē)載速度、信號(hào)強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度、干擾模型等。(2)QoS相關(guān)的參數(shù):包括時(shí)延、吞吐量、誤比特率、分組差錯(cuò)率(PER,PacketErrorRate)等。(3)物理層資源:包括空間處理機(jī)制、天線陣列的數(shù)目、電池電量的損耗等?？紤]層之間的優(yōu)化準(zhǔn)則是非常重要的。在實(shí)際系統(tǒng)中,使用智能天線的鏈路質(zhì)量不僅取決于采用的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法,而且還取決于特定的編碼機(jī)制以及在鏈路層采用的媒體接入控制(MAC,MediumAccessControl)功能,甚至取決于高層采用的協(xié)議棧性能。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考慮上述因素,而不是單獨(dú)考慮某一個(gè)因素。對(duì)于時(shí)延不敏感業(yè)務(wù),將智能天線技術(shù)如V-BLAST同混合自動(dòng)請(qǐng)求重復(fù)(H-ARQ,HybridAutomaticRepeatRequest)機(jī)制結(jié)合的前景是非?？春玫?。4.3時(shí)間/頻率分集在多用戶通信中,一種叫作機(jī)會(huì)機(jī)制的通信方式得到了人們的重視。其基本思想是通過(guò)把信道分配給那些最有可能完成連續(xù)傳輸?shù)挠脩魜?lái)復(fù)用。這樣可以使系統(tǒng)的吞吐量最大化。對(duì)于反射空間信道,機(jī)會(huì)波束成形方法會(huì)指向具有最高SNR的用戶;另一方面,在充分散射情況下,機(jī)會(huì)機(jī)制會(huì)把信道分配給那些具有最高瞬時(shí)容量的用戶。機(jī)會(huì)機(jī)制可以產(chǎn)生多用戶分集,多用戶分集可以是碼分集、時(shí)間分集、頻率分集或者空間分集的補(bǔ)充。但是這樣也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題,即影響MAC協(xié)議的設(shè)計(jì),MAC將放棄沖突檢測(cè)機(jī)制而轉(zhuǎn)向多用戶機(jī)制。4.4智能天線的設(shè)計(jì)在未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)中,采用智能天線主要依賴下面兩種研究的結(jié)果:(1)在未來(lái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就要考慮到智能天線的特性,保證兼容性;(2)根據(jù)與未來(lái)系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)來(lái)評(píng)估智能天線的實(shí)際性能。最新發(fā)展趨勢(shì)比較偏向前者,后者的研究結(jié)果要基于具有準(zhǔn)確建模的仿真方法,因此若要實(shí)現(xiàn)還有一定的難度。4.5業(yè)務(wù)仿真模型鏈路級(jí)仿真可以提供智能天線收發(fā)機(jī)在各種傳播、干擾、調(diào)制編碼情況下單通信鏈路的誤幀率(FER,FrameErrorRate)性能評(píng)估,但是無(wú)法考慮多用戶多小區(qū)的影響,此時(shí)高層的參數(shù)將作為關(guān)鍵角色。另一方面,系統(tǒng)級(jí)仿真利用某種業(yè)務(wù)圖樣通過(guò)容量、吞吐量、SNR分布來(lái)提供整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了對(duì)鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真進(jìn)行折衷優(yōu)化,需要在兩者之間有個(gè)接口,選擇的接口參數(shù)一定要惟一地描述鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的性能。關(guān)于建模,智能天線的效率取決于通信環(huán)境的特征,比如傳播特性、天線陣列配置、業(yè)務(wù)模式、干擾情況、信號(hào)帶寬的有效性。因此,建立一個(gè)可行的MIMO信道模型來(lái)描述通信環(huán)境的特征是非常重要的。干擾模型通常被用于分析智能天線收發(fā)機(jī)的性能。最近的研究表明,干擾模型應(yīng)當(dāng)基于系統(tǒng)級(jí)的仿真結(jié)果來(lái)建立,其中,必須考