智能天线技术在3G中的应用

发布: 2010-10-20 00:48 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　自适应阵列智能天线(Adaptive Array Antenna), 是一种起源于相控阵雷达的天线技术。自适应阵列智能天线利用基带数字信号处理技术, 通过先进的算法处理, 对基站的接收和发射波束进行自适应的赋形, 从而达到降低干扰, 增加容量, 扩大覆盖和提高无线数据传输速率的目的。

　　目前,自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流. 本文主要介绍自适应阵列智能天线在3G中的应用，同时介绍了爱瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技术技术方案。

1、简介

　　自适应阵列天线技术是近30年中最先进的无线技术之一，而爱瑞通信公司（ArrayComm Inc）的IntelliCell技术堪称其中杰出的代表。IntelliCell技术又被称为完全自适应智能天线解决方案，它利用专利软件和标准阵列天线，连续的实时优化每一个无线用户的信道，从而能够优化发射、减少干扰和降低对频谱的需求，实现在所有空中接口上极大地提高无线语音与数据网络的容量、覆盖范围和传输质量的目的。

　　早期人们认为自适应阵列天线技术比较适合运用于时分双工系统TDD中，如PHS，TD-SCDMA，以及ArrayComm提出的iBURST无线数据方案等。随着技术上的突破，现在业界也渐渐开始认识到了在FDD技术里的重要性。

　　采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，W－CDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。在W-CDMA中，自适应阵列天线技术将和多用户检测（MUD）一起成为W-CDMA中下阶段最重要的技术。目前ArrayComm公司与英国马可尼公司正在合作开发具有自适应阵列天线功能的W-CDMA基站. 爱立信宣称将在其W-CDMA基站中提供自适应阵列智能天线. 郎讯也曾宣布, 其第三代移动通信基站中将采用郎讯自主开发的IA-BLAST智能天线技术.

　　在第三代移动通信系统中，我国TD-SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TD-SCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。

　　在CDMA2000技术中，3GPP2很可能会放宽辅助导频（Ancillary Pilots)的使用，这样就为自适应阵列天线的使用提供了保证。目前CDMA2000中应用智能天线技术也有了进展.CDMA发展组织CDG已经发布了一个关于智能天线的文件. “智能天线在CDMA系统中的业务描述, 用户需求和系统功能”. 由此开始推动智能天线在CDMA系列技术中的应用.

2、IntelliCell智能天线技术在3G系统中的实现原理

　　传统系统的天线发射无线射频信号时具有各向等效性，也即是说，信号向整个小区均匀发射信号，这样大多数发射能量被浪费，而且这些能量对其他用户造成干扰。这在CDMA技术中，这种用户之间干扰是使系统性能和容量下降的主要原因。在重所周知，W-CDMA和CDMA2000是个自干扰系统，用户数量越大，那么用户间的干扰也就越大，这种用户间的干扰主要是多重接入干扰MAI（Multiple Access Interference）。同时，信号的广泛发射，也会带来多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI（Inter-Symbol Interference），加剧了多径衰落的负面影响。

　　IntelliCell自适应智能天线（空间传输）技术可以嵌入到无线基站内部的基带处理部分以及终端设备内，从而使信号接收和发送得到极大改善。装备有自适应天线阵列IntelliCell的基站能够把大部分发射能量集中给目标用户，通过凹陷点抑制(Nulling)达到干扰抑制的目的，减少多径衰落的影响，提高信号增益。在FDD系统中，如W-CDMA和CDMA2000中，凹陷点可以通过算法来拓宽而形成区域，因而可以使多个用户方向的干扰得到抑制。

　　目前IntelliCell用于3G系统的解决方案具有下列技术特点：

· 衰落抑制

· 对任何位置的用户带来最大处理增益

· 主动干扰抑制

· 上下行同时处理

· 支持广播控制信道

　　上述技术特点中特别值得一提的是主动干扰抑制。有的智能天线解决方案只能给用户带来处理增益，而不能主动进行干扰抑制。这种方式在提升用户有用信号的同时也能起到干扰抑制的作用，但这种抑制作用被称为是被动干扰抑制（Passive Interference Mitigation)。而主动干扰则是通过自适应波束赋形，在使主波束对准目标用户的情况下，使零陷和旁瓣尽可能对准干扰源，这样就可以有效的降低干扰。这种干扰抑制的方式被称为主动干扰抑制（Active Interference Mitigation)。

　　使用自适应阵列天线技术能带来很多好处, 如扩大系统覆盖区域，提高系统容量，提高数据传输速率，提高频谱利用效率，降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染等。

图1 IntelliCell基站和传统基站的区别

3. IntelliCell智能天线系统结构

图2 使用IntelliCell 自适应天线阵列的基站结构

　　采用了自适应智能天线之后，射频部分需要增加多路通道。一般是一个天线阵元对应一个射频调制解调和功放通道。当然，在W-CDMA中功放可以采用合并式多路功放，这样可以使系统硬件复杂度和成本有所降低。射频部分需要考虑的问题是通道一致性，校准（Calibration)和互耦(Coupling)。

　　虽然天线阵列是射频前端的很重要的设备, 但自适应阵列天线技术最核心的部分还在于基带处理部分。基带处理部分采用复杂的自适应算法来实现上下行波束赋形。自适应阵列天线的特点在于，波束完全在基带部分完成。IntelliCell处理器通过自适应处理算法，形成可以加权参数，在幅度，相位和信号空间到达角等多个指标上进行每秒调整数百次的调整，从而完成上行处理和下行波束形成。

　　在W-CDMA和CDMA2000基站系统中，IntelliCell 处理器一方面可以从系统原有的信道估计模块里获得特征数据，同时从Rake接收机的输出端采样信号，经过已经申报专利的自适应算法处理，得出一套根据无线环境随时变化的幅度和相位加权参数，输出到空时合并器中，从而完成基带处理。由于在W-CDMA和CDMA2000中实现的算法运算量巨大，一般会采用专用的ASIC芯片来完成。而在TD-SCDMA中，运算量相对小一些，可以采用目前速度比较快的DSP芯片来实现。

4. 天线阵列的选择

图3自适应阵天线阵列的阵元组成方式

　　自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，也可以实现定向天线，完成各种环境情况下的用户信号接收和发送。

　　阵元分布方式有直线型，平面型，圆环型和立体型。立体型天线阵列由于复杂程度和校准难度以及部署难度较大，所以实用的场合较少。一般来说，直线型和平面型更容易实现基站的定向覆盖。而且，在基站选址的问题上也更加灵活，直线型和平面型天线阵列可以很容易安置于高大建筑物的侧面，也可以安置于杆状建筑物如电线杆上。而圆环型天线阵列更适于安置于铁塔或楼房顶部，这样更方便提供全向覆盖。需要指出的是，圆环型天线阵列的天线校准难度比直线型和平面型要大。

W-CDMA和CDMA2000以及TD-SCDMA系统可以在上述不同的场合里采用直线型，平面型，圆环型天线阵列。在2001年10月举办的北京国际无线通信展览会上，大唐电信展出的TD-SCDMA基站采用的就是圆型天线。

　　自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，在FDD中阵元间距1／2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。而在TDD中, 如美国ArrayComm公司在PHS系统中的自适应阵列天线的阵元间距为5个波长. 间距宽而波束更窄, 而PHS系统中采用TDD模式,因而更容易进行定位处理. 即使旁瓣多但由于用户和信道都比较少, 因而不会带来不利的影响.由于这种波束窄的特性，目前自适应阵列天线在TDD技术中，如PHS和ArrayComm公司推出的I-BURST无线数据技术中已经可以实现空分多址SDMA技术。

　　W-CDMA和CDMA2000基站中，可以采用4天线，8天线甚至12天线阵列。天线阵元数越多，系统增益也就越高。假设天线阵元数为M，分集增益为D，根据理论计算，在下行链路可以给系统带来M*D倍的容量增益，和M*D2/g 倍（g为传播因子）的覆盖增益。如果保持下行发射功率不变，增加阵元数到M，理论上,下行链路可以带来同样的容量增益和覆盖增益。但实际中既要考虑性能的改进，又要考虑成本。阵元数的增加会使射频通道相应增加，因此会导致基站成本上升过大。根据3G设备厂商和运营商的综合考虑，最早商用的智能天线基站将会是4天线阵列基站。

6、结束语

　　在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为一个最活跃的领域. 智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。

　　目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺少的关键技术之一。

　　在第三代移动通信系统中，作为TD-SCDMA系统中的关键技术之一的智能天线技术能够使系统在高速运动的信道环境中达到较好的性能。W-CDMA和CDMA2000中采用自适应阵列天线也即将面市。智能天线技术已经日益成为移动通信中最具有吸引力的技术之一并在以后几年内发挥巨大的作用。

摘自《硅谷动力》