《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能天線技術(shù)在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
摘要: 最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá),、聲納,、軍事抗干擾通信,,用來(lái)完成空間濾波和定位等,。近年來(lái),,隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播,、組網(wǎng)技術(shù),、天線理論等方面的研究逐漸深入,,現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速,,數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高,利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能,,天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度不斷提高,。... ...
Abstract:
Key words :
       一、智能天線應(yīng)用背景
  最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá),、聲納,、軍事抗干擾通信,用來(lái)完成空間濾波和定位等,。近年來(lái),,隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù),、天線理論等方面的研究逐漸深入,,現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速,數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高,,利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能,,天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度不斷提高。 

        
智能天線技術(shù)可用于具有復(fù)雜電波傳播的移動(dòng)通信環(huán)境,。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向,,產(chǎn)生空間定向波束,使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOADirectionofArrinal),,旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向,,達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的,。同時(shí),智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異,,通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾,,使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下,,使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要,。實(shí)際上,它使通信資源不再局限于時(shí)間域,、頻率域或碼域而拓展到了空間域,,屬于空分多址(SDMA)體制。第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到智能天線在降低網(wǎng)絡(luò)干擾方面的重要作用,,因此,,在3G標(biāo)準(zhǔn)如WCDMAcdma2000中,支持智能天線的條款已經(jīng)出現(xiàn),,智能天線已成為3G的重要組成部分,。

        
目前除了極少數(shù)的國(guó)家有正式的3G商用網(wǎng),我國(guó)和大多數(shù)地區(qū)3G仍然處于試驗(yàn)網(wǎng)的階段,,預(yù)計(jì)未來(lái)兩到三年內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)仍然是移動(dòng)話務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò),。在中國(guó)大中城市GSM網(wǎng)的用戶數(shù)以每年約20%比例增加,在部分熱點(diǎn)地區(qū),,每平方公里承載的話務(wù)量甚至達(dá)到了1500erl,。GSM網(wǎng)絡(luò)的容量在硬件配置充分的環(huán)境下完全受限于網(wǎng)絡(luò)的頻率資源,在有限的頻寬下,,要增加網(wǎng)絡(luò)容量,,只能減小頻率復(fù)用距離,而頻率復(fù)用距離越近,,網(wǎng)絡(luò)的干擾越高,。 

         
根據(jù)目前GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn),在保證使用合適的小區(qū)信號(hào)的前提下,,要保持網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量在客戶可接受的話音質(zhì)量(清晰無(wú)雜音)范圍內(nèi),,則必須按照載干比在18dB以上進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。無(wú)論是按照傳統(tǒng)的4/12頻率復(fù)用方式還是利用MRP1*3頻率復(fù)用方式,,在現(xiàn)有頻寬下均最多按照12dB的載干比進(jìn)行頻率規(guī)劃,,剩余的載干比只能依靠動(dòng)態(tài)功率控制、跳頻,、不連續(xù)發(fā)射等功能的增益進(jìn)行補(bǔ)償,。降低網(wǎng)絡(luò)的干擾水平、提高系統(tǒng)的載干比在GSM高速增長(zhǎng)期,,特別是在GPRS業(yè)務(wù)正式商用后顯得非常重要,,因此不少GSM生產(chǎn)廠商和運(yùn)營(yíng)商都在考慮將3G標(biāo)準(zhǔn)中的智能天線用于GSM網(wǎng)絡(luò)中,,一些廠商如愛立信、麥得威等公司在話務(wù)高的局部區(qū)域開展了相應(yīng)的研究和試驗(yàn),,并取得了較理想的效果,。
  二、智能天線的原理
  具有高增益,、窄波束相位陣列天線的智能切換天線正在替代傳統(tǒng)的扇區(qū)天線。一個(gè)多波束的天線面板包括了4個(gè)30?(或者22.5?)的波束,,因而接收信號(hào)時(shí)能夠接收到比標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)天線更少的干擾信號(hào),,故而提高接收信號(hào)的質(zhì)量。根據(jù)理論計(jì)算,,一個(gè)包括4個(gè)可切換的窄波束天線的平均C/I值可比傳統(tǒng)的3-扇區(qū)天線系統(tǒng)增加6dB,。 

       
智能天線系統(tǒng)以時(shí)隙為基礎(chǔ)連續(xù)地進(jìn)行波束選擇,以確保用戶在通話過(guò)程中的話音質(zhì)量,。  

      
用于試驗(yàn)的智能天線有兩部分組成,,即一根多波束陣列天線和一根雙極化天線,這兩部分可整體封裝在一個(gè)天線平板中也可以分開使用,。多波束陣列天線是一個(gè)由6?8天線陣源的天線陣列形成的4個(gè)水平3dB波瓣寬度22.5?多波束陣列天線,,一般稱其為窄波束天線,其主要功能是發(fā)射話務(wù)信道的信號(hào)(TCH)和接收上行信號(hào),;雙極化天線包含2個(gè)水平3dB波瓣寬度90?天線,,一般稱其為寬波束天線,其功能是發(fā)射控制信道的信號(hào)(如:BCCH,,SDCCHCBCH等等),。
  三、智能天線在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)例
  1.引入智能天線的小區(qū)選擇
  由于智能天線引入時(shí)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)做相應(yīng)的硬件改造,,同時(shí)考慮到其價(jià)格,,在目前的GSM網(wǎng)絡(luò)中比較適合的策略是在局部站點(diǎn)引入智能天線。引入智能天線的目的主要在于利用其特點(diǎn)降低網(wǎng)內(nèi)的頻率干擾,,因此建議引入智能天線的無(wú)線基站選擇那些站點(diǎn)位置高,、對(duì)其他小區(qū)干擾嚴(yán)重的站點(diǎn)。如深圳的試驗(yàn)站點(diǎn)選擇了市區(qū)的一個(gè)小區(qū),,該站點(diǎn)比周圍站點(diǎn)的高度高出約10,、與周圍站點(diǎn)平均站距為500,在該小區(qū)覆蓋區(qū)域存在較多的信號(hào)重疊覆蓋,。
  2.道路測(cè)試中下行干擾的改善
  為了更明顯地對(duì)比引入智能天線前后對(duì)下行干擾的情況,,在試驗(yàn)過(guò)程中,我們?nèi)藶榈貙⑴c試驗(yàn)小區(qū)方向正對(duì)的小區(qū)頻率改為與試驗(yàn)小區(qū)同頻,。理論上,,智能天線將下行信號(hào)強(qiáng)度集中在有話務(wù)的區(qū)域,,因此會(huì)降低對(duì)其他小區(qū)的干擾,其中(a)為使用普通定向天線的小區(qū)覆蓋情況,,(b)為使用智能天線的小區(qū)覆蓋情況,。
  (1)下行信號(hào)強(qiáng)度的比較
  在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)對(duì)比智能天線引入前后的下行信號(hào)強(qiáng)度的變化,,可評(píng)估其對(duì)下行干擾的改善,,智能天線通過(guò)減少下行場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到降低對(duì)其他小區(qū)干擾的目的。在試驗(yàn)中針對(duì)智能天線不同波束方向在忙時(shí)(1000-1200)進(jìn)行了持續(xù)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試(超過(guò)15分鐘),。

       
信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)降低程度在1.4-8.1dbm間變化,,信號(hào)強(qiáng)度變化不同的原因,一方面是天線的扇形覆蓋,,另一方面是話務(wù)在不同波束方向的分布不同,。
  (2)載干比的對(duì)比測(cè)量
  由于原網(wǎng)絡(luò)中頻率復(fù)用距離很遠(yuǎn),,同頻干擾很小,,為了加強(qiáng)對(duì)比效果我們將與試驗(yàn)小區(qū)方向正對(duì)的鄰小區(qū)改為同頻小區(qū)(這種情況在目前的扇區(qū)天線下是會(huì)引起嚴(yán)重質(zhì)差應(yīng)盡量避免的)。選中的鄰小區(qū)是最可能受到試驗(yàn)小區(qū)干擾的,,特別是在該區(qū)域的一條主干道上,,選中的小區(qū)為服務(wù)小區(qū),試驗(yàn)小區(qū)為第一鄰區(qū),。選擇主干道上的7個(gè)點(diǎn)為C/I的測(cè)試點(diǎn),,利用TEMSinvestgation測(cè)試頻點(diǎn)1C/I值,對(duì)比更換智能天線前后的C/I值,。 

        
更換天線前后,,干擾信號(hào)強(qiáng)度變化曲線規(guī)律一致,說(shuō)明更換前后的無(wú)線環(huán)境是類似的,。對(duì)比更換前后的干擾小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度,,應(yīng)用智能天線后下行干擾最大可降低3.3dB,相當(dāng)于降低了53%的下行干擾,。測(cè)試點(diǎn)1,、23的下行干擾沒(méi)有改善,,估計(jì)是由于測(cè)試點(diǎn)周圍有阻擋引起測(cè)試點(diǎn)收到較多的反射信號(hào),。
  3.統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比
  在試驗(yàn)期間,我們對(duì)比掉話率,、SQI(話音質(zhì)量指示),、話務(wù)掉話比等各項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行了總體觀察,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了智能天線后,,試驗(yàn)小區(qū)及周圍鄰小區(qū)話務(wù)質(zhì)量有了一定的改善,。

     
1)話音信道掉話率指標(biāo)的前后對(duì)比如,。  

       
使用智能天線后,小區(qū)集的掉話率指標(biāo)有一定提升,,使用了智能天線后,,平均掉話率從0.46%下降為0.41%

     
2SQI指標(biāo)情況

       
SQI的等級(jí)比例在應(yīng)用智能天線前后的變化為例,,整個(gè)小區(qū)集的SQIGOOD比例從85.71%上升到了87.94%,,這表明在應(yīng)用智能天線后用戶可以享受到更好的語(yǔ)音質(zhì)量。

     
3)話務(wù)掉話比是可以較全面地衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化的一個(gè)指標(biāo),,在應(yīng)用智能天線前后,,話務(wù)掉話比也有明顯提升,從105.22分鐘提高到128.24分鐘,,即兩個(gè)連續(xù)掉話的時(shí)間間隔擴(kuò)展了23分鐘。
  4.上行干擾的改善
  理論上,,由于智能天線是多波束的天線,,因而接收信號(hào)時(shí)能夠?qū)⒔邮盏亩鄰叫盘?hào)進(jìn)行最大比例合路計(jì)算得到比標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)天線更少的干擾信號(hào),故而提高接收信號(hào)的質(zhì)量,,達(dá)到改善上行干擾的目的,。與下行干擾的改善不同的是,應(yīng)用智能天線后只改善應(yīng)用了智能天線的小區(qū),,而下行干擾的改善是針對(duì)整個(gè)區(qū)域的小區(qū),。 

      
上行干擾的指標(biāo)由統(tǒng)計(jì)人員通過(guò)OSS的上行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、手機(jī)發(fā)射功率變化,、話務(wù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)三個(gè)方面進(jìn)行分析,。
  (1OSS統(tǒng)計(jì)的上行質(zhì)量統(tǒng)計(jì) 

        
在愛立信系統(tǒng)中,,可通過(guò)BTS收集上行信號(hào)的質(zhì)量得知,,應(yīng)用智能天線后小區(qū)的上行質(zhì)量有所提高。
 ?。?/span>2OSS統(tǒng)計(jì)的手機(jī)功率變化 

        
由于在系統(tǒng)中已應(yīng)用了上行的功率控制,,因此手機(jī)的發(fā)射功率一直根據(jù)BTS測(cè)量到的上行信號(hào)強(qiáng)度和上行質(zhì)量情況來(lái)調(diào)節(jié)的,手機(jī)的發(fā)射功率越小,,說(shuō)明上行的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量越好,,在上行信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯的情況下,手機(jī)的發(fā)射功率與上行信號(hào)質(zhì)量就有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。愛立信的OSS統(tǒng)計(jì)中有針對(duì)手機(jī)發(fā)射功率的統(tǒng)計(jì),,應(yīng)用智能天線后手機(jī)滿功率(33dB)的比例從40%降低到18%,手機(jī)平均發(fā)射功率減少了2.7dB,,相當(dāng)于在空中手機(jī)發(fā)射功率降低了46%,,這對(duì)上行干擾的改善是很大的,。
  (3)上行質(zhì)差引起掉話統(tǒng)計(jì) 

        
應(yīng)用智能天線前后上行質(zhì)差掉話統(tǒng)計(jì)指標(biāo)也有一定提高,,上行質(zhì)差掉話比例從9.7%下將到了1.6%(上行質(zhì)差掉話比例是指上行質(zhì)差引起的掉話占所有掉話的比例),。應(yīng)用了智能天線后上行干擾有顯著改善。
  四,、小結(jié)

  通過(guò)已開展的GSM網(wǎng)絡(luò)中的智能天線應(yīng)用可見,,智能天線可以匹配原網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況,通過(guò)上下行的波束切換進(jìn)行干擾控制,。在上行方面,,智能天線為試驗(yàn)小區(qū)提供載干比增益,從而提高了試驗(yàn)小區(qū)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量,;在下行方面,,智能天線減少了對(duì)試驗(yàn)小區(qū)的相鄰小區(qū)的干擾,其實(shí)質(zhì)是分配了移動(dòng)通信系統(tǒng)工作的空間區(qū)域,,使空間資源之間的交疊最小,,干擾最小,合理利用無(wú)線資源給網(wǎng)絡(luò)(包括試驗(yàn)小區(qū))帶來(lái)下行載干比增益,,通過(guò)改善下行載干比增益提高頻率復(fù)用的距離,,從而提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量也提高了網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線容量,為網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)容奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

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