智能天線技術(shù)改善頻譜使用效率

隨著無(wú)線通信業(yè)的高速發(fā)展及無(wú)線通信用戶的飛速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的不斷改進(jìn)和更新提出了更高的要求。而如何提高無(wú)線頻譜的使用效率則是近些 年來(lái)各種新技術(shù)所面臨解決的核心問(wèn)題。尤其是當(dāng)我國(guó)全面進(jìn)入WTO后，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)隨著同世界全面接軌，將面臨新的挑戰(zhàn)。目前，頻率資源的投入已成為全球 各運(yùn)營(yíng)商資金投入成本的重要組成部分?？梢灶A(yù)言，在我國(guó)，頻率資源不再無(wú)償使用的日子已為期不遠(yuǎn)了。因此，如何采取新技術(shù)提高有限頻率資源的使用效率已成 為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。全球第一部移動(dòng)手機(jī)的研發(fā)者，被譽(yù)為“世界手機(jī)之父”的馬丁·庫(kù)珀先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“我們并不缺乏頻率，我們?nèi)狈Φ氖穷l率的使用效 率。”近些年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，智能天線技術(shù)作為有效解決這一問(wèn)題的新技術(shù)已成功應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)字信號(hào)的高速時(shí)空處理， 極大的改善了無(wú)線信號(hào)的傳輸，成倍地提高了系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，從而極大的改善了頻譜的使用效率。

一、智能天線的原理

智能天線最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，后來(lái)被引入移動(dòng)通信系統(tǒng)中。智能天線通常包括波束轉(zhuǎn)換智能天線(Switched Beam Antenna) 和自適應(yīng)陣列智能天線(Adaptive Array Antenna)。自適應(yīng)陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的算法處理，對(duì)基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行自適應(yīng)的賦形，從而達(dá)到降低干擾、增加 容量、擴(kuò)大覆蓋和提高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。目前，自適應(yīng)陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流。

移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境較惡劣。實(shí)際 環(huán)境中的干擾和多徑衰落現(xiàn)象異常復(fù)雜，多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間串?dāng)_ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMATDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復(fù)用引入的同信道干擾（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA系統(tǒng)中的MAI（Multiple Access Interference）等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。

自適應(yīng)陣列天線技術(shù)是近30年中最先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)之一，它利用基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁 瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而給有用信號(hào)帶來(lái)最大增益，有效的減少多徑效應(yīng)所帶來(lái)的影響，同時(shí)達(dá)到對(duì)干擾信號(hào)刪除和抑制的目的（如圖1所示）。使用 自適應(yīng)陣列天線技術(shù)能帶來(lái)很多好處，如擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域、提高系統(tǒng)容量、提高數(shù)據(jù)傳輸速率、提高頻譜利用效率、降低基站發(fā)射功率、節(jié)省系統(tǒng)成本、減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染等。

自適應(yīng)陣天線一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，在FDD中陣元間距1／2波長(zhǎng)，若陣元間距過(guò)大，則接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低；太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵 瓣，故一般取半波長(zhǎng)。而在TDD中, 如美國(guó)ArrayComm公司在PHS系統(tǒng)中的自適應(yīng)陣列天線的陣元間距為5個(gè)波長(zhǎng)。間距寬而波束更窄，而PHS系統(tǒng)中采用TDD模式,因而更容易進(jìn)行定 位處理。即使旁瓣多，但由于用戶和信道都比較少，因而不會(huì)帶來(lái)不利的影響。

陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類(lèi)型，可以實(shí)現(xiàn)全向天線，完成用戶信號(hào)接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)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。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳播方向提供不同的空間信道，等同于信號(hào)有線傳輸?shù)木€纜，有效克服了干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。