移動通信中的天線技術(3)

３．自適應天線陣
　　自適應天線陣（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天線陣。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。