智能天线技术在移动通信中的应用
摘 要 随着移动通信技术的发展,智能天线成为第三代数字移动通信的核心技术。本文通过对智能天线的概念、实现方案、特点和应用前景的阐述,说明智能天线技术在现代移动通信中的重要性。
关键词智能天线;多址方式;移动通信;信号
中图分类号TN929.5文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)031-0018-01
近年来,移动通信技术迅速发展。自20世纪80年代以来,移动通信的发展历程经历了三个阶段,即第一代模拟蜂窝移动通信,第二代数字蜂窝移动通信,第三代多媒体移动通信。随着移动用户大幅度的增长,目前通信系统面临着很多亟待解决的问题,比如多径衰落,越区切换,信号的远近效应,同频道干扰,移动台功率限制等等。智能天线具有抑制干扰,信号自动跟踪以及数字波束赋形等功能,用于移动通信,既可以改善信号质量,又能增加通信系统容量。
移动通信系统中的多址方式是一个滤波问题。许多用户可同时使用同一频谱,然后采用不同的滤波器和处理技术,使不同用户信号互不干扰的被分别接收和解调。蜂窝移动通信系统选用适当的天线和多址方式实现信号在两个通信用户之间传输而不影响其他用户。频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)分别在第一代模拟移动通信系统和第二代数字移动通信系统中运用,这几种多址方式本身都只能在各自的领域内实现用户的多址接入,相互交叉的空域资源并没有得到充分有效的利用。空分多址(SDMA)是一种比较新的多址接入技术,由中国提出的第三代移动通信(3G)标准TD-SCDMA中就应用了空分多址(SDMA)技术,而SDMA的核心技术是智能天线的应用。
智能天线系统由天线阵列、幅相加权、合成器和控制器所组成,它利用天线阵列对波束的汇成和指向的控制,形成多个独立的波束,可以自适应的形成天线的方向图,用以跟踪信号的变化。天线阵列是由按某种规律排列的单元天线构成的。常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。接收信号时,每个阵元所接收的信号自适应的进行加权调整,其权值是由控制器通过先进的基带信号处理算法来调整,再与其它信号进行合成,形成阵列输出,同时形成若干组自适应波束,产生多波束赋形,根据接收信号在天线阵列上产生的相位差,可以从中获取移动台的位置信息,为每一个移动台提供跟踪波束。
智能天线技术分为三个方面,即波达角度估计,波束赋形和定位技术。波达角度估计是智能天线工作的基础,当有多束电磁波从不同的方向到达天线阵时,每一个阵元上都会有多个电磁波产生的信号,这些信号因为摄入角度不同,在各个阵元上又有不同相位延迟分布,在阵列输出端将每个阵元接收的信号叠加,通过矩阵运算,得出相应的波达角度估计图。波束赋形主要是利用信号和噪声在空间的分布,通过滤波形成天线的方向图,在不同的信号到达方向给予不同的信号增益,使接收信号到来的方向增益最大,可以有效地抑制干扰信号。天线阵列最常见的结构是线形阵和圆阵,在实际应用中,圆阵通常用于室内通信环境,线形阵一般用于市区通信环境。
越区切换是指当前正在通信的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到下一基站的过程。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一基站覆盖的小区时,为了保持通信的连续性,将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。智能天线技术采用数字信号方式将各个支路的有用信号保留到A/D转换之后,借助于阵列信号处理,可对各种有用信号和干扰信号的参数进行估计,实现对移动用户的定位和跟踪。通过这些重要信息,智能天线就能将其波束覆盖的区域定义为一个智能小区,再根据该小区内用户群业务量的大小,实时分配信道,提高了信道利用率。因为智能天线能够随时提供移动用户的位置信息,控制中心就可利用它们计算出用户的移动速度和方向,快速实现越区切换。
智能天线是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术,归纳起来,智能天线具有以下几个突出的优点:
1)智能天线使用阵列天线,通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化。从而减少了相邻小区之间的干扰,降低了多径干扰。
2)在蜂窝通信系统中,用户的干扰主要源于其他用户,智能天线技术将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用距离,从而获得了更大的系统容量。 使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率,进一步扩大基站的通信距离,减少功率损失,从而延长电池的寿命。
3)智能天线自适应调节天线增益,从而较好地解决远近效应问题。为移动台的进一步简化提供了条件。越区切换是根据基站接收的移动台功率的电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致错误的越区转接,从而增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
4)智能天线利用多种技术优化了信号的接收,从而能够显著降低放大器成本和功率损耗,提高系统的可靠性,降低了系统成本。
5)智能天线在使用过程中必须对用户进行测向,以确定用户的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫等新服务。
6)提高了基站接收机的灵敏度。使用智能天线后,窃听其他用户的通话将会更加困难,因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。从而提高了通信的安全性。
作为一种新技术,智能天线还存在许多不足,它不能完全消除干扰,在移动台高速运行时,智能天线不能克服由于多普勒效应所造成的信道恶化的问题。因此,它必须与其他一些抗干扰的数字处理技术如联合检测技术,DSP基带信号处理技术,Rake接收技术等一起使用,才能达到最佳效果。
参考文献
[1]北京邮电大学无线新技术研究所,3G 移动通信系统概述[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[2]张坚武.移动通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.
[3]张重阳.数字移动通信技术[M].西安:江西科技大学出版社,2006.
作者简介
谭丽娜(1982-),女,助教,主要从事电工电子课程开发工作。
聂海波(1971-),男,工程师,主要研究方向:自动控制研究、单片机技术应用。
