移動(dòng)通信中的天線技術(shù)(2)

全向天線一般用于移動(dòng)用戶數(shù)較少的網(wǎng)絡(luò)，或用戶密度較低的區(qū)域，例如市郊、農(nóng)村等地區(qū)，它的水平面方向圖應(yīng)是３６０°，垂直面半功率波束寬度根據(jù)天線的增益不同可以有１３°或６．５°。定向天線一般用于移動(dòng)用戶密度較高的區(qū)域，例如市區(qū)、車站、商業(yè)中心等，它的水平面半功率波束寬度一般有６５°、９０°、１０５°、１２０°，垂直面半功率波束寬度根據(jù)天線的增益不同可以有３４°、１６°或８°等。
　?。常捎?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/分集">分集技術(shù)提高增益

　　由于傳播環(huán)境的惡劣，無(wú)線信號(hào)會(huì)產(chǎn)生深度衰落和多普勒頻移等，使接收電平下降到熱噪聲電平附近，相位亦隨時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。對(duì)此，我們可以采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。分集天線有空間分集、方向分集、極化分集和場(chǎng)成分分集等。空間分集是利用多副接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離ｄ≥λ／２（λ為工作波長(zhǎng)），以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。該技術(shù)在模擬頻分移動(dòng)通信系統(tǒng)（ＦＤＭＡ）、數(shù)字時(shí)分系統(tǒng)（ＴＤＭＡ）及碼分系統(tǒng)（ＣＤＭＡ）中都有應(yīng)用。

　　空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外一根單獨(dú)的接收天線。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近來(lái)又生產(chǎn)出定向雙極化天線。在移動(dòng)信道中，兩個(gè)在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在發(fā)端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在收端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量Ｅｘ和Ｅｙ。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過(guò)極化分集接收來(lái)達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將會(huì)造成３ｄＢ的信號(hào)功率損失。

　　分集增益依賴于基站天線間不相關(guān)特性的好壞，通過(guò)在水平或垂直方向上天線位置間的分離來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集?？臻g上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來(lái)的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)，同時(shí)也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對(duì)于極化分集的雙極化天線來(lái)說(shuō)，天線中兩個(gè)交叉極化輻射源的正交性是決定無(wú)線信號(hào)上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。兩個(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)１２０°扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。大多數(shù)交叉極化天線在天線場(chǎng)圖的主瓣方向具有很好的電氣特性，但對(duì)于基站天線來(lái)說(shuō)，還要求在小區(qū)的邊緣及切換重疊區(qū)內(nèi)仍能保持較好的交叉極化特性。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號(hào)不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達(dá)到３０ ｄＢ以上。

　　分集天線把多徑信號(hào)分離出來(lái)，使其互不相干，然后通過(guò)合并技術(shù)將分離出來(lái)的信號(hào)合并起來(lái)，獲得最大的信噪比收益。常用的合并方法有選擇性合并、切換合并、最大比合并、等增益合并等，本文不作詳細(xì)論述。

二、智能天線技術(shù)

　１．傳統(tǒng)天線的局限性

　　近年來(lái)，隨著通信需求的不斷發(fā)展，智能天線技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它幫助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商達(dá)到了２個(gè)極具價(jià)值的目的：提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。在ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ和３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。與話音業(yè)務(wù)一樣，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要達(dá)到規(guī)定的傳輸速率同樣需要一定質(zhì)量的無(wú)線信號(hào)，這就取決于網(wǎng)絡(luò)的載干比（Ｃ／Ｉ）。載干比過(guò)低將嚴(yán)重影響傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量；而在ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)的中后期，系統(tǒng)容量不斷增加，小區(qū)不斷分裂，而隨之增加的干擾則阻礙了系統(tǒng)容量的進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)的全向天線和定向天線已不能滿足需要。智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有效的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收，充分利用信號(hào)的有效發(fā)射功率，降低信號(hào)全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染和相互干擾，從而提高了載干比，而載干比提高了，就可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的網(wǎng)絡(luò)容量。

　　干擾是蜂窩系統(tǒng)性能和容量限制的重要因素，它引起串音、通話丟失或通話信號(hào)跌落并使用戶心煩意亂，最重要的是干擾限制了經(jīng)營(yíng)商可復(fù)用頻率的緊密度，因此也限制了從固定射頻頻譜中提取通信承載容量的程度。干擾可來(lái)自另一移動(dòng)終端、在同一頻率工作的其它蜂窩站址、或泄入分配頻譜的帶外射頻能量。蜂窩干擾最通常的種類有同信道干擾和相鄰信道干擾。同信道干擾是由使用同一頻率的非相鄰蜂窩的發(fā)射引起的。這種干擾在接近蜂窩邊界時(shí)最明顯，此時(shí)與使用相同頻率的鄰近蜂窩的物理分隔處于最低程度。相鄰信道干擾是由使用相鄰頻率的鄰近蜂窩對(duì)用戶信道的漏泄而造成的。在相鄰信道，用戶在極靠近電話用戶接收機(jī)處工作時(shí)，或者用戶信號(hào)大大弱于相鄰信道用戶的信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。載干比是通話質(zhì)量的重要標(biāo)志，對(duì)用戶而言，較高的Ｃ／Ｉ比就是較低的干擾、更少的掉話以及改善的音頻質(zhì)量；對(duì)經(jīng)營(yíng)商而言，較高的Ｃ／Ｉ比可以使信號(hào)距離延伸以及采用更為緊密的頻率復(fù)用方式，因此增加了整個(gè)系統(tǒng)的容量。

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　　智能天線是一個(gè)天線陣列，它由Ｎ個(gè)天線單元組成，每個(gè)天線單元有Ｍ套加權(quán)器，可以形成Ｍ個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù)Ｍ可以大于天線單元數(shù)Ｎ。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，智能天線可以分為２類：多波束天線和自適應(yīng)天線陣。

　　多波束天線利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度隨陣元數(shù)目而定。隨著用戶在小區(qū)中的移動(dòng)，基站相應(yīng)選擇不同的波束，使接收信號(hào)最強(qiáng)。但是由于它的波束不是任意指向的，而只能對(duì)當(dāng)前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配。當(dāng)用戶不在固定波束的中心處，而處于波束邊緣時(shí)，且干擾信號(hào)處于波束中心時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)最佳接收。但與自適應(yīng)天線陣相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判斷用戶信號(hào)到達(dá)方向以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。更主要的是，上行鏈路的同一波束也可用于下行鏈路，從而在下行鏈路上也能提供增益。但是由于扇形失真，如波束間方向圖的區(qū)別，多波束天線獲得的增益與角度成非均勻分布。它在波束間的區(qū)別有時(shí)會(huì)達(dá)到２ｄＢ，還有可能由于多徑或干擾的影響，它們鎖定在錯(cuò)誤的波束上，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法抑制和有用信號(hào)處在同一波束內(nèi)的干擾信號(hào)。多波束天線又稱波束切換天線，實(shí)際上我們可將其看作是介于扇形定向天線與全自適應(yīng)天線間的一種技術(shù)。多波束天線中值得研究的有以下內(nèi)容：如何劃分空域，即確定波束的問(wèn)題，包括數(shù)目和形狀；挑選波束的準(zhǔn)則；波束跟蹤的實(shí)現(xiàn)，主要指的是實(shí)現(xiàn)快速搜索算法等；切換波束與自適應(yīng)波束成型的理論關(guān)系等。