第四代移動通信系統(tǒng)中的多天線技術(shù)

　　一、引言

　　由于第三代移動通信系統(tǒng)（3G）還存在一些不足，包括很難達(dá)到較高的通信速率，提供服務(wù)速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務(wù)類型要求，以及分配給3G系統(tǒng)的頻率資源已經(jīng)趨于飽和等，于是人們提出了第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的構(gòu)想。4G的關(guān)鍵技術(shù)包括：

　?。?）調(diào)制和信號傳輸技術(shù)（OFDM）；

　　（2）先進(jìn)的信道編碼方式（Turbo碼和LDPC）；

　?。?）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）；

　?。?）軟件無線電技術(shù)；

　?。?）MIMO和智能天線技術(shù)；

　?。?）基于公共IP網(wǎng)的開放結(jié)構(gòu)。

　　研究表明，在基于CDMA技術(shù)的3G中使用多天線技術(shù)能夠有效降低多址干擾，空時處理能夠極大增加CDMA系統(tǒng)容量。憑在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線成為4G發(fā)展中炙手可熱的課題。

　　二、智能天線技術(shù)

　　智能天線最初用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。

　　1.基本原理和結(jié)構(gòu)

　　智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switched beam technology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），判斷有用信號到達(dá)方向（DOA）通過選擇適當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，在此方向上形成天線主波束，同時將低增益旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號方向。在發(fā)射時，能使期望用戶的接收信號功率最大化，同時使窄波束照射范圍外的非期望用戶受到的干擾最小，甚至為零。

　　智能天線引入空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號空間傳播路徑的不同而區(qū)分。實(shí)際應(yīng)用中，天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。智能天線系統(tǒng)由天線陣；波束成形成網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)算法控制三部分組成（見圖1）。

圖1　典型的智能天線系統(tǒng)

　　2.智能天線的分類

　　智能天線主要分為波束轉(zhuǎn)換智能天線（switched beam antenna）和自適應(yīng)陣列智能天線（adaptive array antenna）。

　　（1）波束轉(zhuǎn)換智能天線 　　波束轉(zhuǎn)換智能天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，它利用多個并行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元的數(shù)目而確定（見圖2）。波束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較經(jīng)濟(jì)，與自適應(yīng)天線相比結(jié)構(gòu)簡單，無需迭代，響應(yīng)快、魯棒性好。但預(yù)先設(shè)計(jì)好的工作模式有限，窄波束的特性將極大地影響系統(tǒng)性能。

圖2　波束轉(zhuǎn)換智能天線

　?。?）自適應(yīng)陣列智能天線

　　自適應(yīng)陣列智能天線實(shí)時地對用戶到達(dá)方向（DOA）進(jìn)行估計(jì)，在此方向上形成主波束，同時使旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾方向。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，可能放大噪聲或干擾）。圖3對自適應(yīng)陣列智能天線與波束轉(zhuǎn)換智能天線進(jìn)行了比較。

圖3　自適應(yīng)陣列智能天線（a）與束轉(zhuǎn)換智能天線（b）的比較