智能天线移动通信的新宠

相关专题: 无线
智能天线移动通信的新宠

  最初的智能天线技术主要用于军事抗干扰通信和定位等。近年来,随着移动通信的发展及对移
动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,智能天线开始用于具有复杂电波传
播环境的移动通信。此外,随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高,要求
移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。经研究发现,在不增加系统复杂度的情况下,使用
智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。



  智能天线在移动通信中的功能



  (1)抗衰落



  在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境
变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速,且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有
方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智
能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减小信号衰
落的影响。



  智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利
用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。




  (2)抗干扰



  用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个
30°波束天线阵列组成360°全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少
移动台对基站的干扰,改善系统性能。



  抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,
可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可
以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高
阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。



  (3)增加系统容量



  为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网
络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用多波
束板状天线代替普通天线。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C/I指标,减少了移动通信系统
的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,无须增加新的基站就
可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。



  未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻
塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密
市区容量难题既经济又高效的方案,可在不影响通话质量的情况下,将基站配置成全向连接,大幅
度提高基站容量。



  当前我国正考虑大规模引入CDMA移动通信系统,但部分省市模拟系统占用了CDMA频段,必须
采用清频手段解决此问题。使用智能天线,可大大改善模拟系统小区复用方式,增加模拟系统容
量,即使清频也不会导致模拟系统资源匮乏,为CDMA系统留出频段。



  (4)实现移动台定位



  目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者
所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。



  在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即对每个天线元所连接收机产
生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,
即用户终端的方位。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。



  智能天线的应用



  (1)用于FDMA系统



  据研究,与通常的三扇区基站相比,C/I值平均提高约8dB,大大改善了基站覆盖效果;频率
复用系数由7改善为4,增加了系统容量。在网络优化时,采用智能天线技术可降低无线掉话率和切
换失败率。



  (2)用于TDMA系统



  无线能量在时间和空间上都受到限制,智能波束切换规则可提高C/I指标。据研究,用4个
30°天线代替传统的120°天线,C/I可提高6dB,提高了服务质量。在满足GSM系统C/I比最小的
前提下,提高频率复用系数,增加了系统容量。



  (3)用于CDMA系统



  在CDMA系统中,智能天线可进行话务均衡,将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充
分利用的扇区;通过智能天线灵活的辐射模式和定向性,可进行软/硬切换控制;智能天线的空间
域滤波可改善远近效应,简化功率控制,降低系统成本,也可减少多址干扰,提高系统性能。




  (4)用于无线本地环路系统



  在无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行
上行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下
行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束赋形等效于提高天线增益,改善了接收灵敏度和基
站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。



  (5)用于DECT、PHS等系统



  DECT、PHS都是基于TDD方式的慢速移动通信系统。欧洲在DECT基站中进行智能天线实验时,
采用和评估了多种自适应算法,并验证了智能天线的功能。日本在PHS系统中的测试表明,采用智
能天线可减少基站数量。近期受移动“本地通”业务的启发,我国一些地方提出利用PHS等技术建
设“移动市话”,期望与蜂窝移动通信网争夺本地移动通信用户群。由于PHS等系统的通信距离有
限,需要建立很多基站,若采用智能天线技术,则可降低成本。



  (6)用于第三代移动通信



  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。在第三代移动通信系统中,我国SCDMA系统是应用智能天线技术的
典型范例。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。



智能天线技术的研究动向



  我国早已将研究智能天线技术列入国家863-317通信技术主题研究中的个人通信技术分项,
许多专家及大学正在进行相关的研究。



  我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术,广泛采用了智能天线和软件无线电技术。
作为系统根基的SCDMA-WLL的现场运行结果,足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统
是可行和成熟的。



  欧洲在进行了基于DECT基站的智能天线技术研究后,继续进行诸如最优波束形成算法、系统
性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件无线概念,即用户所处环境不同,影响
系统性能的主要因素亦不同,可通过软件采用相应的算法。



  美国的Metawave公司对用于FDMA、CDMA、TDMA系统的智能天线进行了大量研究开发;
ArrayComm公司也研制了用于无线本地环路的智能天线系统;美国德州大学建立了智能天线试验环
境;加拿大McMaster大学也对算法进行了研究。



  当前对智能天线的研究包括智能天线的接收准则及自适应算法;宽带信号波束的高速波束成形
处理;用于移动台的智能天线技术;智能天线实现中的硬件技术;智能天线的测试平台及软件无线
电技术研究等方面。



  通过智能天线进行空分多址,将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内,其实质是分配移
动通信系统工作的空间区域,使空间资源之间的交叠最小,干扰最小,合理利用无线资源。



  传统的全向或者定向天线效果并不理想,主要是由于空间资源分割是基于设计人员的经验知
识,尽管可以在系统建成后,采取某些优化措施改进系统性能,但由于种种原因,这种优化的余地
不大,而且工程量很大。与之相比,智能天线的优越性在于自身可以分析到达无线阵列的信号,灵
活、优化地使用波束,减少干扰和被干扰的机会。这就是自适应天线阵列的智能化,它体现了自适
应、自优化和自选择的概念,对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用。
   

微信扫描分享本文到朋友圈
扫码关注5G通信官方公众号,免费领取以下5G精品资料
  • 1、回复“YD5GAI”免费领取《中国移动:5G网络AI应用典型场景技术解决方案白皮书
  • 2、回复“5G6G”免费领取《5G_6G毫米波测试技术白皮书-2022_03-21
  • 3、回复“YD6G”免费领取《中国移动:6G至简无线接入网白皮书
  • 4、回复“LTBPS”免费领取《《中国联通5G终端白皮书》
  • 5、回复“ZGDX”免费领取《中国电信5GNTN技术白皮书
  • 6、回复“TXSB”免费领取《通信设备安装工程施工工艺图解
  • 7、回复“YDSL”免费领取《中国移动算力并网白皮书
  • 8、回复“5GX3”免费领取《R1623501-g605G的系统架构1
  • 本周热点本月热点

     

      最热通信招聘

      最新招聘信息

    最新技术文章

    最新论坛贴子