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智能天线:打通3G

菜鸟
2003-04-02 02:44:00    评分
大唐移动通信设备有限公司首席技术总监 李世鹤   智能天线技术在20世纪60年代就开始发展,其研究对象是雷达天线阵。而真正的发展是在20世纪90年代初,以微计算机和数字信号处理技术为基础。   到20世纪90年代中,美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。1997年,北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统;美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线,以上是最先商用化的智能天线系统。同时,在国内外众多大学和研究机构也开始研究多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年,电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMARTT 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的CDMA TDD技术(低码片速率选项),就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和支持。 智能天线优化CDMA系统   在无线基站中使用了智能天线技术后,将带来许多益处。基站接收到的信号是来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和,如果采用最大功率合成算法,在不计多径传播的条件下,则总的接收信号将增加101gN dB,其中,N为天线单元的数量。存在多径时,此接收灵敏度的改善将视多径传播条件及上行波束赋形算法而变,其结果也在101gN dB上下。   同样,发射天线阵在进行波束赋形后,该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加201gN dB。其中,101gN dB是N个发射机的效果,与波束成形算法无关,另外部分将和接收灵敏度的改善类似,随传播条件和下行波束赋形算法而变。信号的接收是有方向性的,对接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用上述最大功率合成算法,则可能将干扰降低101gN dB 。   众所周知,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,降低干扰就可以大大增加CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用了智能天线后,就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性,使得CDMA系统容量增加一倍以上成为可能。对使用普通天线的无线基站,其小区的覆盖完全由天线的辐射方向确定。当然,天线的辐射方向是可能根据需要而设计的。但在现场安装后,除非更换天线,其辐射方向是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射则完全可以用软件控制,在网络覆盖需要调整或出现新的建筑物使原覆盖改变时,均可非常简单地通过软件来优化。所有无线基站设备中,最昂贵的是高功率放大器(HPA)。CDMA系统中要使用高线性的HPA,因而成本更高。如上述,智能天线使等效发射功率增加,在同等覆盖要求下,每只功率放大器的输出可降低201gN dB 。这样,在智能天线系统中,使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA,可大大降低成本。此外,还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。 不能忽视的问题   智能天线技术对无线通信,特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是,在将智能天线用于CDMA系统时,必将考虑所带来的问题,并在标准和产品设计上解决它们。   上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的。而且,接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中,智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,提高系统性能是非常直接的;但在用户没有发射、仅处于接收状态下,又是在基站的覆盖区域内移动时(空闲状态),基站不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射(如系统中的Pilot 、同步、广播、寻呼等物理信道)。一个全向覆盖的基站,其不同码道的发射波束是不同的。即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来,对全向信道来说,将要求高得多的发射功率(最大可能为比专用信道高101gN dB),这是系统设计时所必须考虑的。   在提供IP型数据业务的移动通信系统中,均设计了多用户共享的上下行信道并在基站和用户终端使用不连续发射技术。在使用智能天线的基站中,由于用户移动,基站不可能知道用户的位置,故一般只能采用全向下行波束。此外,也可以增加一次接入过程,对每个用户进行定向发射。这两种方式各有优点,均可使用。   在使用智能天线时,必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。我们在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理,直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形。但对实际无线基站,每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的,而且,其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准,则下行波束赋形将受严重影响。这样,不仅得不到智能天线的优势,甚至完全不能通信。而且,基本的物理层技术,如调制解调、扩频、信道编码、交织、纠错、数据复接等,与不使用智能天线是完全一样的。但是使用了智能天线,可以将物理层的效率设计得更高。例如在TD-SCDMA建议的系统中,使用了同步CDMA技术,简化了接收机;在物理层时隙设计中使用了特定的上下行 Pilot时隙,减少了小区搜索及随机接入时的干扰等,都使智能天线的功能得以充分发挥。   目前,在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样,实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰,也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下,必须将智能天线和其它抗干扰的数字信号处理技术结合使用,才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测、干扰抵消及Rake接收等。目前,智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法,而和Rake接收机的结合算法还在研究中。   必须注意的是,由于用户终端的移动性,移动通信是一个时变的信道,智能天线是由接收信号来对上下行波束赋形,故要求TDD的周期不能太长。例如当用户终端的移动速度达到100km/h时,其多普勒频移接近200Hz ,用户终端在10ms内的位置变化达到28cm,在2GHz频段已超过一个波长,对下行波束赋形将带来巨大的误差。故希望将TDD周期至少缩短一半,使收发之间的间隔控制在2至3ms内,以保证智能天线的正常工作。如果要求此系统的终端能以更高的速度移动,则TDD上下行转换周期还要进一步缩短。   显然,智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量,又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在,CDMA系统在向宽带方向发展,码片速率已经很高,基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求,这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平,天线元的数量在6至16之间。 移动通信领域的亮点   基于上面的技术分析,我们可以看到:在移动通信技术的发展中,智能天线已成为一个最活跃的领域。近年来,几乎所有先进的移动通信系统都需要采用此技术。智能天线技术给移动通信系统带来的优势是目前任何技术都难以替代的。当然,在使用智能天线时也必须结合使用其它基带数字信号处理技术,如联合检测、干扰抵消及Rake接收等。   目前,国际上已经将智能天线技术作为3G技术发展的主要方向之一。智能天线技术不仅可以使用在TDD系统中,也完全可以使用到FDD系统中,在世界上各国都在加紧对FDD系统中使用智能天线的技术进行研究,对使用智能天线的FDD基站样机进行开发。毫无疑问,智能天线的广泛应用正是为我们提供了一个领先的、完善的技术平台,它在一定程度上推动了3G技术的发展。 ----《通信产业报》



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