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摘 要: 社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及和全球移动通信业务的迅速发展,对于移动通讯中所要求的信号传输强度也越来越高;覆盖范围的增大和传输数据的增多,对网络的传输和接收都提出了更高要求,而频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线能很好地解决这方面的问题,因此越来越受到人们广泛的关注。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域,后来被引入移动通信系统。智能天线目前已经广泛被应用于时分双工(TDD)中的PHS系统。
关键词: 智能天线 移动通信 应用
1.引言
智能天线采用空分复用(SDMA),利用在信号传播方向上的差别,将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量,并和其他复用技术相结合,最大限度地利用有限的频谱资源。另外,在移动通信中,复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响,大量用户间的相互影响,会产生时延扩散、多径衰落、同信道干扰等,使通信质量受到严重影响,采用智能天线可以有效地解决这个问题。
2.我国智能天线的发展现趋势
我国信息产业部电信科学研究院所属于的信威公司已成为开发出用于WLL的TDD方式S-CDMA产品,并应用于我国提出的TD-SCDMA方案中。该只能天线采用8针元的环形自适应陈列,射频灵敏度最大可提高9dB。此外,爱立信公司和德国运营商也将智能天线应用在了GSM基站上。
3.智能天线的优点
首先,智能天线可以从多方面来提高通信系统的通信质量。智能天线可以从两个方面来减少时延扩展和降低多径衰落。(1)发射时,将能量主要聚集到目标方向上,这样在传播中就可以减少多径反射数目,从而减少了时延扩展。(2)接收时,可以通过分集合并来降低多径衰落,也可以通过对各多径信号进行时延补偿使它们相位相同来降低多径衰落,还可以通过滤掉除主要信号以外的多径信号来降低多径衰落。其二,CDMA系统是一个自干扰系统,其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说,降低干扰对CDMA系统极为重要,所以利用智能天线来降低干扰就可以大大增加CDMA系统的容量。其三,在给定频谱的条件下,智能天线还能通过多波束的形成增加新信道,从而潜在地增加用户数并提高频谱效率。其四,采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。
4.智能天线在移动通信中的应用
4.1实现移动台定位
采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。
4.2提高基站接收机的灵敏度
如果采用最大功率合成算法,在不计多径传播条件下,则总的接收信号相对单个天线单元将增加10logN(dB),其中,N为天线单元的数量。存在多径时(如图1所示),此接收灵敏度的改善将由多径传播条件及上行波束赋形算法决定,其增加相对单个天线单元一般也为10logN(dB)左右。
4.3智能天线在未来3G网络中的应用
智能天线在3G中的应用主要体现在2个方面,即基站的收和发,具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早,因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中,我们可根据一定的自适应算法,对空、时域处理的各组权值系数进行调整,并与当前传输环境进行最大限度的匹配,从而实现任意指向波束的自适应接收。
4.4在无线本地环路系统中的应用
智能天线也广泛用于无线本地环路系统,在TDD模式的无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行下行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束自适应赋形改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置,有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用。ArrayComm的WLL系统可以提供15公里的覆盖和上千用户的容量。
4.5在MIMO系统中的应用
智能天线在MIMO系统中也广泛应用,在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式。它的主要结果如图a所示。MIMO系统中的空时处理技术主要包括波束成形(beamforming)、空时编码(space-timecoding)、空间复用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天线中的关键技术,通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干扰,其关键是波束成行权值的确定。
MIMO系统的发射方案主要分为两种类型:最大化数据率的发射方案(空间复用SDM)和最大化分集增益的发射方案(空时编码STC)。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率,它通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,从而使信号在接收端获得分集增益,但空时编码方案不能提高数据率。
4.6智能天线在TD中的成功应用
智能天线技术在TD-SCDMA系统中的成功应用,成为第三代移动通信TDD模式的一大亮点。但是,常规的智能天线因为没有利用多径传播,在高强度多径分量比较丰富的环境下抗衰落能力相当有限。因此,在未来宽带无线移动通信系统中,进一步发展智能天线技术,充分利用多径传播,提高无线传输性能成为4G中的关键技术之一。4G要求能够对多个网络互通建模,灵活处理不同环境中的混合无线接入技术的组合,必须实现对异构环境中多种接入技术进行智能化管理。在4G系统中智能天线就是强大物理层必须具备的技术能力。
5.结语
本文主要论述智能天线的优点与应用,还有智能天线的如何去改善通信系统的性能。改善系统后可以提高通信质量,同时可以降低系统干扰,也就是降低CDMA系统的干扰,来提高系统容量来改变小区的状态。并且可以提高系统的灵敏度。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。还有在随着信息时代的进一步发展,智能天线将会影响和未来3G和4G系统的发展,而且智能天线是3G和4G时代必不可少的技术支持。
参考文献:
[1]葛利嘉,路鸣.窝通信的空分多址:概念和性能[J].电子学报,1999,20,(8):52-62.
[2]向卫东,姚彦.智能天线及其在无线通信中的应用.无线通信技术,1999,(2).
[3]桑怀胜,李峥嵘.智能天线的原理、自适应波束形成算法的研究进展与应用[J]国防科技大学学报,2001,(06).
[4]李世鹤.智能天线的原理和实现[J].电信建设,2001,(04).
关键词: 智能天线 移动通信 应用
1.引言
智能天线采用空分复用(SDMA),利用在信号传播方向上的差别,将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量,并和其他复用技术相结合,最大限度地利用有限的频谱资源。另外,在移动通信中,复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响,大量用户间的相互影响,会产生时延扩散、多径衰落、同信道干扰等,使通信质量受到严重影响,采用智能天线可以有效地解决这个问题。
2.我国智能天线的发展现趋势
我国信息产业部电信科学研究院所属于的信威公司已成为开发出用于WLL的TDD方式S-CDMA产品,并应用于我国提出的TD-SCDMA方案中。该只能天线采用8针元的环形自适应陈列,射频灵敏度最大可提高9dB。此外,爱立信公司和德国运营商也将智能天线应用在了GSM基站上。
3.智能天线的优点
首先,智能天线可以从多方面来提高通信系统的通信质量。智能天线可以从两个方面来减少时延扩展和降低多径衰落。(1)发射时,将能量主要聚集到目标方向上,这样在传播中就可以减少多径反射数目,从而减少了时延扩展。(2)接收时,可以通过分集合并来降低多径衰落,也可以通过对各多径信号进行时延补偿使它们相位相同来降低多径衰落,还可以通过滤掉除主要信号以外的多径信号来降低多径衰落。其二,CDMA系统是一个自干扰系统,其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说,降低干扰对CDMA系统极为重要,所以利用智能天线来降低干扰就可以大大增加CDMA系统的容量。其三,在给定频谱的条件下,智能天线还能通过多波束的形成增加新信道,从而潜在地增加用户数并提高频谱效率。其四,采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。
4.智能天线在移动通信中的应用
4.1实现移动台定位
采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。由于目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关的新业务得以方便地推出而发展新业务是目前移动运营商提升ARPU值、加强自身竞争力的必然手段。
4.2提高基站接收机的灵敏度
如果采用最大功率合成算法,在不计多径传播条件下,则总的接收信号相对单个天线单元将增加10logN(dB),其中,N为天线单元的数量。存在多径时(如图1所示),此接收灵敏度的改善将由多径传播条件及上行波束赋形算法决定,其增加相对单个天线单元一般也为10logN(dB)左右。
4.3智能天线在未来3G网络中的应用
智能天线在3G中的应用主要体现在2个方面,即基站的收和发,具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早,因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中,我们可根据一定的自适应算法,对空、时域处理的各组权值系数进行调整,并与当前传输环境进行最大限度的匹配,从而实现任意指向波束的自适应接收。
4.4在无线本地环路系统中的应用
智能天线也广泛用于无线本地环路系统,在TDD模式的无线本地环路系统中,基站对收到的上行信号进行处理,获得该信号的空间特征矢量,进行下行波束赋形,达到最佳接收效果。由于本系统采用TDD方式,可将上行波束赋形数据直接用于下行发射信号,实现对下行波束的赋形。天线波束自适应赋形改善了接收灵敏度和基站发射功率,扩大了通信距离,并在一定程度上减少了多径传播的影响。ArrayComm公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统。ArrayComm产品采用可变阵元配置,有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用。ArrayComm的WLL系统可以提供15公里的覆盖和上千用户的容量。
4.5在MIMO系统中的应用
智能天线在MIMO系统中也广泛应用,在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式。它的主要结果如图a所示。MIMO系统中的空时处理技术主要包括波束成形(beamforming)、空时编码(space-timecoding)、空间复用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天线中的关键技术,通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干扰,其关键是波束成行权值的确定。
MIMO系统的发射方案主要分为两种类型:最大化数据率的发射方案(空间复用SDM)和最大化分集增益的发射方案(空时编码STC)。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率,它通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,从而使信号在接收端获得分集增益,但空时编码方案不能提高数据率。
4.6智能天线在TD中的成功应用
智能天线技术在TD-SCDMA系统中的成功应用,成为第三代移动通信TDD模式的一大亮点。但是,常规的智能天线因为没有利用多径传播,在高强度多径分量比较丰富的环境下抗衰落能力相当有限。因此,在未来宽带无线移动通信系统中,进一步发展智能天线技术,充分利用多径传播,提高无线传输性能成为4G中的关键技术之一。4G要求能够对多个网络互通建模,灵活处理不同环境中的混合无线接入技术的组合,必须实现对异构环境中多种接入技术进行智能化管理。在4G系统中智能天线就是强大物理层必须具备的技术能力。
5.结语
本文主要论述智能天线的优点与应用,还有智能天线的如何去改善通信系统的性能。改善系统后可以提高通信质量,同时可以降低系统干扰,也就是降低CDMA系统的干扰,来提高系统容量来改变小区的状态。并且可以提高系统的灵敏度。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向(DOA)。还有在随着信息时代的进一步发展,智能天线将会影响和未来3G和4G系统的发展,而且智能天线是3G和4G时代必不可少的技术支持。
参考文献:
[1]葛利嘉,路鸣.窝通信的空分多址:概念和性能[J].电子学报,1999,20,(8):52-62.
[2]向卫东,姚彦.智能天线及其在无线通信中的应用.无线通信技术,1999,(2).
[3]桑怀胜,李峥嵘.智能天线的原理、自适应波束形成算法的研究进展与应用[J]国防科技大学学报,2001,(06).
[4]李世鹤.智能天线的原理和实现[J].电信建设,2001,(04).