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移動通信中的天線技術(3)

作者: 時間:2017-06-13 來源:網(wǎng)絡 收藏

3.自適應
  自適應(Adaptive Antenna Array),最初應用于雷達、聲納、軍事方面,主要用來完成空間濾波和定位,如相控陣雷達就是一種較簡單的自適應。自適應天線是通過反饋控制方式連續(xù)調整本身方向圖的天線陣,其方向圖與變形蟲相似,沒有固定的形狀,隨著信號及干擾而變化。一般采用4?16個天線陣元結構,陣元間距1/2波長,間距過大則各接收信號相關程度降低,間距過小則會在方向圖形成不必要的副瓣。智能天線采用數(shù)字信號處理技術(DSP)識別用戶信號到達方向,并在此方向形成天線主波束,提供空間信道。由于自適應天線能形成不同的天線方向圖,并且可以用軟件設計完成自適應算法更新,自適應地調整方向圖,可以在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下,增加系統(tǒng)靈活性,所以又被稱為軟件天線。自適應天線陣的缺點是算法較復雜,動態(tài)響應速度較慢。

  自適應天線研究的核心是自適應算法,目前已提出很多著名算法,概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號(導頻序列或導頻信道)的算法,此時收端知道發(fā)送的是什么,進行算法處理時要么先確定信道響應再按一定準則,比如最優(yōu)的迫零準則(Zero Forcing)確定各加權值,要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值,以使智能天線輸出與已知輸入最大相關,常用的相關準則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導頻信號,判決反饋算法(Decision Feedback)是一類較特殊的盲算法,收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進行上述處理,但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。盲算法一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征,并調整權值以使輸出滿足這種特性,常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非盲算法相對盲算法而言,通常誤差較小,收斂速度也較快,但需浪費一定的系統(tǒng)資源,將兩者結合的有一種半盲算法,即先用非盲算法確定初始權值,再用盲算法進行跟蹤和調整,這樣做一方面可綜合兩者的優(yōu)點,一方面也是與實際的通信系統(tǒng)相一致的,因為通常導頻符不會時時發(fā)送而是與對應的業(yè)務信道時分復用的。

  需要注意的是,智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束,但當用戶沒有發(fā)射,僅處于接收狀態(tài)時,又是在基站的覆蓋區(qū)域內移動(空閑狀態(tài)),基站是不可能知道該用戶所處的方位,只能使用全向波束進行發(fā)射(如系統(tǒng)中的同步、廣播、尋呼等物理信道),即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來,對全向信道來說,將要求高得多的發(fā)射功率,這是系統(tǒng)設計時所必須考慮的。

 ?。矗悄芴炀€的應用實例

  目前已經(jīng)有一些智能天線投入了商用,如上海聯(lián)通使用了美國Metawave公司的SpotLight GSM智能天線系統(tǒng),取得了良好的效果。SpotLight GSM天線屬于多波束智能天線,它用4個30°天線代替一個120°扇面天線。系統(tǒng)依靠專利的最佳波束選擇算法轉換發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時隙在一指定的30°波束內而不是整個120°扇面中作下行線發(fā)射,所以同信道干擾在鄰近蜂窩中大大減少。同樣,對接收同信道干擾的開放波束也有效地從120°減到30°。這樣,相對于單一120°扇面天線,30°天線有效地降低了4倍的同信道干擾,理論上相當于6dB的C/I改善。這個增益使得通信信道的上行(手機-基站)和下行(基站-手機)都得到了改善。在上行方面,安裝了智能天線系統(tǒng)的小區(qū)的載干比得到了增加;而在下行方面,原有的那些可視范圍內的同頻小區(qū)的載干比得到了增加。如果要保持原有的C/I值,則可以采用更密集的頻率復用方式,從而提高了系統(tǒng)容量。SpotLight GSM執(zhí)行波束轉換,無須與基站的額外通信,所以SpotLight GSM系統(tǒng)的安裝不增加基站通信負荷。事實上,由于無效試呼以及干擾或不良覆蓋引起的重撥減少,基站處理器的負荷也降低了。此外,在測試中還發(fā)現(xiàn)在使用了智能天線的小區(qū)中,不僅小區(qū)中的網(wǎng)絡容量和質量都得到有效地提高,小區(qū)中手機的平均接收功率和發(fā)射功率都下降了2-3 dB,尤其是手機的發(fā)射功率,下降為原來的54%,而手機以滿功率發(fā)射的比率也從22%下降到8%。SpotLight GSM智能天線通過降低手機的收發(fā)功率減少了手機電磁波對人體的輻射,并通過提高網(wǎng)絡的容量和質量,減少了小區(qū)中所需建立的新基站,因此有“綠色天線”之美稱。

三、結束語

  天線作為移動通信的重要組成部分,在提高網(wǎng)絡性能、改善網(wǎng)絡質量等方面起著巨大的作用。天線技術發(fā)展迅速,天線的分集技術是提高系統(tǒng)增益的一個重要手段,分集方式有空間分集和極化分集等多種;為了工程和維護的方便,出現(xiàn)了可電調傾角的天線;為了保證天線方向圖不變形扭曲,發(fā)展了內置傾角天線。尤其近年的智能天線更是代表了移動通信天線技術的發(fā)展方向,它已經(jīng)在實際應用中表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢,但在加快波束賦型響應速度及切換等方面還需進一步的研究和改進。


關鍵詞: 天線陣

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