智能天线技术——提高数字集群网的无线性能

一、目前数字集群系统的现况

随着集群通信在我国的迅速发展，800MHz频段的600对频率资源也显得越来越紧张。针对这一现状，中国信产部在2001年已下达正式文件指出，到2005年底，中国不再批准建设模拟集群通信系统。同时，中国信产部也制定出适合中国的数字集群系统标准。目前在我国数字集群市场上，代表产品有以下几个：

1．摩托罗拉公司的TETRA系统和iDEN系统
2．诺基亚公司的TETRA系统
3．中兴通讯公司的GoTa系统
4．华为公司的GT800系统

数字集群系统相对于模拟集群系统，在频率利用率上有较大的提高。例如TETRA系统，采用1：4的TDMA技术，把一个25KHz的物理信道可分为四个逻辑信道，频率利用率是原来的四倍。而iDEN系统，采用1：6的TDMA技术，将一个物理信道分为六个逻辑信道，频率利用率是原来的六倍。

但同时我们也在实际应用中看到，数字集群系统的信号覆盖范围要比模拟集群系统要小的多。例如，在中等城市地区，在类似的条件下，模拟集群系统中单个基站的信号覆盖，一般有15公里左右。而数字集群系统中，单个基站的信号覆盖，一般5至7公里左右。所以在全国各地，从模拟集群系统转型到数字集群系统的过程中，经常会听到客户对数字集群系统技术进步的认可，但同时又会有对数字集群系统信号覆盖范围减小的顾虑。

对于当前国内的数字集群系统，在系统射频信号的覆盖方面，基站一般采用全向天线，也有各别系统为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化。例如，同一个地点安装三套同样的基站设备，而每个基站使用120度的定向天线，进行信号覆盖，以达到在市中心提高系统用户容量的目的。但随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。提高数字集群的无线性能，对许多集群用户而言，有着重要的意义。

二、天线及天馈系统

天线是一种无线设备，它能有效地辐射或接收无线电电波，并由馈线和收发设备联系起来，它可以实现电磁能量从一种介质耦合到另外一种介质去，例如从同轴线或波导发射到自由空间。

天线的种类很多，从辐射元来讲，可分为线天线和面天线；从辐射的空间覆盖来讲，又可分为全向天线和定向天线。

全向天线

早期的无线通信系统，一般都采用简单的全向天线，它的接收和发射在各个方向上都是相同的。

定向天线

天线的接收和发射有固定的方向。例如360°的区域可以均分为三个120°子区域，用三个定向天线分别完成各个120°范围内的无线覆盖。

三、智能天线技术

智能天线是目前发展迅速的一项新技术。智能天线是由一系列辐射元组成辐射元阵列，辐射元阵列的信号合成整个天线的波束图。智能天线可以根据有用信号的分布情况，调整辐射元的信号分配，这样就使得天线的有用波瓣方向对准有用信号，而将天线的零陷对准干扰信号。当有用信号分布情况变化，天线还可以智能地随之调整，继续进行匹配。

智能天线的应用既提高天线增益又减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

从智能天线采用的设计技术方法来说，智能天线技术有两个主要分支：多波束切换型智能天线技术和自适应天线阵智能天线，简称多波束天线和自适应天线阵。

1.多波束切换型智能天线

多波束切换型智能天线技术与自适应天线阵技术比起，实现起来要简单。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度是由阵元数确定的。波束切换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。

在应用波束转换技术的系统，最主要任务是产生一个有效的波束选择方法，利用这种方法能够快速和精确地对每个用户进行正确的波束切换，被切换的波束则必须要覆盖目标用户所在的区域。

2.自适应天线阵智能天线

相比多波束切换型智能天线技术，自适应天线阵技术就智能的多。它是由一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，智能天线通过自适应算法控制加权，用反馈控制方法，通过自动调整每个辐射元的幅度和相位