移動(dòng)通信中的天線技術(shù)(3)

３．自適應(yīng)天線陣
　　自適應(yīng)天線陣（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ），最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，如相控陣?yán)走_(dá)就是一種較簡單的自適應(yīng)天線陣。自適應(yīng)天線是通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)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(hào)及干擾而變化。一般采用４？１６個(gè)天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距１／２波長，間距過大則各接收信號(hào)相關(guān)程度降低，間距過小則會(huì)在方向圖形成不必要的副瓣。智能天線采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（ＤＳＰ）識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)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(yīng)天線能形成不同的天線方向圖，并且可以用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新，自適應(yīng)地調(diào)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(yīng)天線陣的缺點(diǎn)是算法較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。

　　自適應(yīng)天線研究的核心是自適應(yīng)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(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應(yīng)再按一定準(zhǔn)則，比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)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(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋算法（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是一類較特殊的盲算法，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送的信號(hào)間有較小差錯(cuò)。盲算法一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，并調(diào)整權(quán)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(fèi)一定的系統(tǒng)資源，將兩者結(jié)合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做一方面可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致的，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻符不會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。

　　需要注意的是，智能天線對每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，但當(dāng)用戶沒有發(fā)射，僅處于接收狀態(tài)時(shí)，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)（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(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。

　?。矗悄芴炀€的應(yīng)用實(shí)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(gè)３０°天線代替一個(gè)１２０°扇面天線。系統(tǒng)依靠專利的最佳波束選擇算法轉(zhuǎn)換發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時(shí)隙在一指定的３０°波束內(nèi)而不是整個(gè)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(dāng)于６ｄＢ的Ｃ／Ｉ改善。這個(gè)增益使得通信信道的上行（手機(jī)－基站）和下行（基站－手機(jī)）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(nèi)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(fù)用方式，從而提高了系統(tǒng)容量。ＳｐｏｔＬｉｇｈｔ ＧＳＭ執(zhí)行波束轉(zhuǎn)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(fù)荷。事實(shí)上，由于無效試呼以及干擾或不良覆蓋引起的重?fù)軠p少，基站處理器的負(fù)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(luò)容量和質(zhì)量都得到有效地提高，小區(qū)中手機(jī)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(jī)的發(fā)射功率，下降為原來的５４％，而手機(jī)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(jī)的收發(fā)功率減少了手機(jī)電磁波對人體的輻射，并通過提高網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)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(jié)束語

　　天線作為移動(dòng)通信的重要組成部分，在提高網(wǎng)絡(luò)性能、改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面起著巨大的作用。天線技術(shù)發(fā)展迅速，天線的分集技術(shù)是提高系統(tǒng)增益的一個(gè)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(hù)的方便，出現(xiàn)了可電調(diào)傾角的天線；為了保證天線方向圖不變形扭曲，發(fā)展了內(nèi)置傾角天線。尤其近年的智能天線更是代表了移動(dòng)通信天線技術(shù)的發(fā)展方向，它已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，但在加快波束賦型響應(yīng)速度及切換等方面還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。