浅谈智能天线技术

随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已经成为制约继续发展的瓶颈，而随着用户数量的不断增加，这个问题会演变得愈来愈严重。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量。这种方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出；二是扩大频谱带宽，这种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不可能无限扩展。基于这样的现实，智能无线技术也就应运而生了。智能无线技术最大的好处就是可以大大增加现有无线网络的容量，且所需的经济成本比较合理。
　　1．基本原理
　　智能无线技术的基本原理是使用自适应天线阵列系统， 优化空中无线接口的容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量。此外，也可以利用波束切换（switchedbeam)技术和扇区整形(sectorshaping)技术。自适应天线阵列系统的设计目的就是要克服传统的蜂窝系统的最大弱点：蜂窝系统需要尽可能保持全向信号的覆盖模式。因为传统的基站以全向方式发布射频广播信号，这样原始射频信号的能量只有很少一部分能够到达所要寻找的用户，射频广播信号的大部分能量都浪费了，更糟糕的情况是，可能形成干扰信号，减弱其他用户的信号质量。当网络容量不断扩大，用户数量增加，用户间的干扰也会增加，信干比不断劣化，直至引发掉话现象。在这种情况下，单纯提高信号的传输功率，会得到事与愿违的效果，因为发射功率增高同时也使相应的干扰增加。那么，是否能够将发射功率的能量尽可能地集中发射到所要寻找的用户呢?自适应天线阵列系统就是一个选择。通常自适应天线阵列系统包含4－8个天线，利用无线资源管理算法控制发射射频信号能量，动态地集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，这样就大大提高了信干比。
　　2．频域、时间和空间
　　自适应智能无线技术利用了空分复用接入(spatial division multiple access) 技术。就是说，同一小区内的用户处于相当邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能无线技术使基站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空域信道。使用空域信道，原来定义的处于特定时域内某一频率上的无线信道可以在本小区内再多次利用，结果，大大提高了小区的容量。由于数字信号处理器(DSP)芯片的性价比在不断提高，这种空分的信道复用接入技术具有很好的经济性。业界专家普遍认为这种空分复用接入技术是提高无线信道性能的好方法。还有很重要的一点需注意，空分复用接入技术与广泛使用的CDMA和TDMA复用接入技术是兼容的，网络系统可以获得不同的接入技术带来的好处。
　　3．智能无线技术的优点
　　让我们分别从运营公司，用户和频谱资源管理部门的角度看看智能无线技术的优点。对运营公司的最大好处是提高无线网络的容量。原因上面已经讲过，采用空分接入技术减少了用户间的互相干扰。在曰本，可以看到很多这方面的实例，有的运营公司采用了这项技术，网络容量甚至提高了六倍；这一技术同样也适用于3G网络，在某些国家的WCDMA 网络中，利用智能无线技术将城区的无线网络容量提高了3倍，在郊区甚至提高了6倍。提高无线网络容量对运营公司重要，对我国尤其重要，因为我国大城市的人口密度一般都很高。在提高无线网络容量的同时，覆盖范围也有相应的改善。由于使用了智能无线技术，提高了小区的信号质量，减少了邻近小区的干扰，因此也扩大了覆盖范围。根据试验数据，如果在WCDMA系统中使用智能无线技术，城区覆盖范围可以扩大1倍，郊区扩大了3倍。智能无线技术的干扰缓解机制还有好处：由于整体噪声水平的降低，信号功率能够集中于特定的用户终端，基站和用户终端仅仅需要较小的发射功率就能够达到同样的信号质量水平。尽管智能无线技术要求配置多个天线，因此增加了功率放大器的数量，但更重要的是，功率放大器的发射功率有较大的减少，功放器的单价大大下降；由于大功率宽带放大器制造工艺复杂，成本高昂，所以使用多个低功率放大器反而大大节约了投资，同时还提高了整个功放子系统的可靠性。
　　新技术还会改善公司的财务状况，网络容量增加，覆盖范围改善，发射功率减小，干扰减小，你为用户提供了超值服务，用户满意有助于实现企业的利润最大化。网络性能好也是服务的特色，是创造更多业务收入的重要因素。另外，使用智能无线技术，达到同样的覆盖范围只需较少的小区站址，降低了基建费用。根据空中接口的实际情况，有些移动运营公司甚至做到了减少70％的基站设置，极大地节省了基建投资；基站减少了，调整基站覆盖范围，网络优化等技术工作量大大减少，网络建设周期缩短，又加快了基建投资的回收速度。对普通用户的好处是通信质量提高。各小区容量增加，通信中的掉话几率减少，网络忙信号减少，话音质量改善，数据传输速率也得到提高。智能无线技术不要求高发射功率，手机电池重量减轻。对政府部门，全世界都面临频率资源紧张的挑战。智能无线技术提供了一种复用频谱容量，优化利用频率资源的手段，可能有助于解决人口密度高的大城市中无线频率资源紧张与容量要求的矛盾。
　　4．实现方法
　　在蜂窝网络建设的初期，提供最大覆盖范围是一个基本要求，并且实现最大覆盖范围的解决方案还应该有足够的灵活性，在网络容量增长时满足容量的需求。4路上行分集和每条路径下行分集就是一种比较成熟的智能无线技术。4路上行分集允许基站接收机高效利用收到的多路径信号，再加上空间分集和极化分集的使用，进一步改善接收性能，实现最佳的覆盖。4路上行信号可以来自于4个单独的天线，或2个双极化天线，或1个智能天线（内置4个天线单元）。采用此方法，平均增益比2路分集会提高2.5-3dB,大大改善了基站的覆盖范围，网络建设的站址数量减少30％。
　　在使用上行分集的同时，如果实施下行分集就可以提高网络容量。有关下行分集，3GPP也定义了开环和闭环下行分集方法。这样算下来，估计容量增益会提高75％。