通过智能天线如何降低多址干扰,提高CDMA系统容量

通俗易懂的来说，智能天线自动调节物理参数，方位角，下倾角等，它实际上相当于自己在调节，将信号分离出多信号区域，使网络信号更纯，相互干扰更小，实际上也就提高了系统容量。

答：智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理。同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对较复杂，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络(结构上与时域有限冲击响应均衡器相同)。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。
    智能天线的基本原理是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，在发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户的。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)，智能天线引入第4种多址方式：空分多址(SDMA)，即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分？码分多址(SD-CDMA)。智能天线与传统天线概念有本质的区别，其理论支撑是信号统计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
 
一、技术分类
    智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术(ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｅａｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和自适应空间数字处理技术（ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。
 
１．波束转换天线
    波束转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。
    为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。
    每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向（ ＤＯＡ） 的优势。主要用于模拟通信系统。
 
２．自适应天线阵
    融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术（ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）可以增强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。 
    自适应天线阵是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，它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。
    由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数。采用Ｍ个阵元自适应天线，理论上，自适应天线阵的价值是能产生（ Ｍ－１）倍天线放大，可带来１０ｌｇＭ的ＳＮＲ改善，消除扇形失真的影响，并且它的（Ｍ－１）倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小１０ｌｇＭ。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言，总功率被分配到Ｍ个阵元，又由于采用ＤＢＦ （Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ－Ｆｏｒｍｉｎｇ）可以使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。
    采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线，然后送入智能处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多径干扰的影响，从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。
    通常采用４－１６ 天线阵元结构，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的 １／２ 。阵元间距过大，降低接收信号相关度；阵元间距过小，将在方向图引起不必要的波瓣，因此阵元半波长间距通常是优选的。天线阵元配置方式包含直线的型，环型和平面的型，自适应天线是智能天线的主要的型式 。自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。它采用数字信号处理技术识别用户信号的 ＤＯＡ ，或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向，提供不同空间通道，有效克服对系统干扰。自适应天线主要用于数字通信系统。
 
二、智能天线对系统的改善和主要用途
    智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善ＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低，等等。
 
１．改善系统性能
    采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，Ｗ－ＣＤＭＡ系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。我国ＳＣＤＭＡ系统是应用智能天线技术的典型范例。ＳＣＤＭＡ系统采用ＴＤＤ方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费；欧洲在ＤＥＣＴ基站中进行智能天线实验时，采用和评估了多种自适应算法，并验证了智能天线的功能。日本在ＰＨＳ系统中的测试表明，采用智能天线可减少基站数量。由于ＰＨＳ等系统的通信距离有限，需要建立很多基站，若采用智能天线技术，则可降低成本；无线本地环路系统的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，进行上行波束赋形，达到最佳接收效果。天线波束赋形等效于提高天线增益，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；ＦＤＭＡ系统采用智能天线技术，与通常的三扇区基站相比，Ｃ／Ｉ值平均提高约８ｄＢ，大大改善了基站覆盖效果；频率复用系数由７改善为４，增加了系统容量。在网络优化时，采用智能天线技术可降低无线掉话率和切换失败率。ＴＤＭＡ系统采用智能天线技术，可提高Ｃ／Ｉ指标。据研究，用４个 ３０°天线代替传统的１２０°天线，Ｃ／Ｉ可提高６ｄＢ，提高了服务质量。在满足ＧＳＭ系统Ｃ／Ｉ比最小的前提下，提高频率复用系数，增加了系统容量；ＣＤＭＡ系统系统采用智能天线技术，可进行话务均衡，将高话务扇区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的扇区；通过智能天线灵活的辐射模式和定向性，可进行软／硬切换控制；智能天线的空间域滤波可改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本，也可减少多址干扰，提高系统性能。
 
２．提高频谱利用效率
    容量和频谱利用率的问题是发展移动通信根本性的问题。智能天线通过空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小，干扰最小，合理利用无线资源。
    对于给定的频谱带宽，系统容量愈大，频谱利用率愈高。因此，增加系统容量与提高频谱效率一致。为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量，必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术，用自适应天线代替普通天线。由于天线波束变窄，提高了天线增益及Ｃ／Ｉ指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。
    未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案，可在不影响通话质量的情况下，将基站配置成全向连接，大幅度提高基站容量。
 
三、对系统性能的改善及需解决的问题
 
１．智能天线对系统性能的改善
    智能天线可以明显改善无线通信系统的性能，提高系统的容量。具体体现在下列方面：
    1)提高频谱利用率。采用智能天线代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。
    2)迅速解决稠密市区容量瓶颈。智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。
    3)抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，改善了系统质量，提高了系统可靠性。对于软容量的CDMA系统，信干比的提高还意味着系统容量的提高。
    4)抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方向的增益最小，降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。
    5)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。通过此方法，用2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(averagerevenueperuser)值、加强自身竞争力的必然手段。
 
２．在实际应用中需要解决的问题
    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，必须考虑所带来的问题，并在标准和产品设计上解决这些问题。
    1)全向波束和赋形波束
    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，这是系统设计时所必须考虑的。
    2)智能天线的校准
    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。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。
    3)智能天线和其他抗干扰技术的结合
    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他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(jointdetection)、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。
    4)设备复杂性的考虑
    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到16之间。
 

最简单的说就是只能天线应用的SDMA的技术，增加了一种多址方式，当然就增加了容量了

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