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、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、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)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號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、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、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)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號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)雜電波傳播的移動通信環(huán)境。智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。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)擴容的需要。實際上，它使通信資源不再局限于時間域、頻率域或碼域而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。第三代移動通信標準組織已經(jīng)認識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標準如WCDMA和cdma2000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)的國家有正式的3G商用網(wǎng)，我國和大多數(shù)地區(qū)3G仍然處于試驗網(wǎng)的階段，預(yù)計未來兩到三年內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)仍然是移動話務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。在中國大中城市GSM網(wǎng)的用戶數(shù)以每年約20%比例增加，在部分熱點地區(qū)，每平方公里承載的話務(wù)量甚至達到了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)運營的經(jīng)驗，在保證使用合適的小區(qū)信號的前提下，要保持網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量在客戶可接受的話音質(zhì)量（清晰無雜音）范圍內(nèi)，則必須按照載干比在18dB以上進行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。無論是按照傳統(tǒng)的4/12頻率復(fù)用方式還是利用MRP或1*3頻率復(fù)用方式，在現(xiàn)有頻寬下均最多按照12dB的載干比進行頻率規(guī)劃，剩余的載干比只能依靠動態(tài)功率控制、跳頻、不連續(xù)發(fā)射等功能的增益進行補償。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)廠商和運營商都在考慮將3G標準中的智能天線用于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，并取得了較理想的效果。
智能天線技術(shù)可用于具有復(fù)雜電波傳播的移動通信環(huán)境。智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。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)擴容的需要。實際上，它使通信資源不再局限于時間域、頻率域或碼域而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。第三代移動通信標準組織已經(jīng)認識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標準如WCDMA和cdma2000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)的國家有正式的3G商用網(wǎng)，我國和大多數(shù)地區(qū)3G仍然處于試驗網(wǎng)的階段，預(yù)計未來兩到三年內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)仍然是移動話務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。在中國大中城市GSM網(wǎng)的用戶數(shù)以每年約20%比例增加，在部分熱點地區(qū)，每平方公里承載的話務(wù)量甚至達到了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)運營的經(jīng)驗，在保證使用合適的小區(qū)信號的前提下，要保持網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量在客戶可接受的話音質(zhì)量（清晰無雜音）范圍內(nèi)，則必須按照載干比在18dB以上進行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。無論是按照傳統(tǒng)的4/12頻率復(fù)用方式還是利用MRP或1*3頻率復(fù)用方式，在現(xiàn)有頻寬下均最多按照12dB的載干比進行頻率規(guī)劃，剩余的載干比只能依靠動態(tài)功率控制、跳頻、不連續(xù)發(fā)射等功能的增益進行補償。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)廠商和運營商都在考慮將3G標準中的智能天線用于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，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。一個多波束的天線面板包括了4個30?(或者22.5?)的波束，因而接收信號時能夠接收到比標準扇區(qū)天線更少的干擾信號，故而提高接收信號的質(zhì)量。根據(jù)理論計算，一個包括4個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)以時隙為基礎(chǔ)連續(xù)地進行波束選擇，以確保用戶在通話過程中的話音質(zhì)量。
用于試驗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天線平板中也可以分開使用。多波束陣列天線是一個由6?8天線陣源的天線陣列形成的4個水平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（TCH）和接收上行信號；雙極化天線包含2個水平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（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。
智能天線系統(tǒng)以時隙為基礎(chǔ)連續(xù)地進行波束選擇，以確保用戶在通話過程中的話音質(zhì)量。
用于試驗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天線平板中也可以分開使用。多波束陣列天線是一個由6?8天線陣源的天線陣列形成的4個水平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（TCH）和接收上行信號；雙極化天線包含2個水平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（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。
三、智能天線在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實例
1．引入智能天線的小區(qū)選擇
由于智能天線引入時需對網(wǎng)絡(luò)做相應(yīng)的硬件改造，同時考慮到其價格，在目前的GSM網(wǎng)絡(luò)中比較適合的策略是在局部站點引入智能天線。引入智能天線的目的主要在于利用其特點降低網(wǎng)內(nèi)的頻率干擾，因此建議引入智能天線的無線基站選擇那些站點位置高、對其他小區(qū)干擾嚴重的站點。如深圳的試驗站點選擇了市區(qū)的一個小區(qū)，該站點比周圍站點的高度高出約10米、與周圍站點平均站距為500米，在該小區(qū)覆蓋區(qū)域存在較多的信號重疊覆蓋。
2．道路測試中下行干擾的改善
為了更明顯地對比引入智能天線前后對下行干擾的情況，在試驗過程中，我們?nèi)藶榈貙⑴c試驗小區(qū)方向正對的小區(qū)頻率改為與試驗小區(qū)同頻。理論上，智能天線將下行信號強度集中在有話務(wù)的區(qū)域，因此會降低對其他小區(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）下行信號強度的比較
在實際應(yīng)用中通過對比智能天線引入前后的下行信號強度的變化，可評估其對下行干擾的改善，智能天線通過減少下行場強達到降低對其他小區(qū)干擾的目的。在試驗中針對智能天線不同波束方向在忙時（10：00-12：00）進行了持續(xù)的場強測試（超過15分鐘）。
信號場強降低程度在1.4-8.1dbm間變化，信號強度變化不同的原因，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。
信號場強降低程度在1.4-8.1dbm間變化，信號強度變化不同的原因，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）載干比的對比測量
由于原網(wǎng)絡(luò)中頻率復(fù)用距離很遠，同頻干擾很小，為了加強對比效果我們將與試驗小區(qū)方向正對的鄰小區(qū)改為同頻小區(qū)（這種情況在目前的扇區(qū)天線下是會引起嚴重質(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)，試驗小區(qū)為第一鄰區(qū)。選擇主干道上的7個點為C/I的測試點，利用TEMSinvestgation測試頻點1的C/I值，對比更換智能天線前后的C/I值。
更換天線前后，干擾信號強度變化曲線規(guī)律一致，說明更換前后的無線環(huán)境是類似的。對比更換前后的干擾小區(qū)信號強度，應(yīng)用智能天線后下行干擾最大可降低3.3dB，相當于降低了53%的下行干擾。測試點1、2、3的下行干擾沒有改善，估計是由于測試點周圍有阻擋引起測試點收到較多的反射信號。
更換天線前后，干擾信號強度變化曲線規(guī)律一致，說明更換前后的無線環(huán)境是類似的。對比更換前后的干擾小區(qū)信號強度，應(yīng)用智能天線后下行干擾最大可降低3.3dB，相當于降低了53%的下行干擾。測試點1、2、3的下行干擾沒有改善，估計是由于測試點周圍有阻擋引起測試點收到較多的反射信號。
3．統(tǒng)計指標的對比
在試驗期間，我們對比掉話率、SQI（話音質(zhì)量指示）、話務(wù)掉話比等各項指標并進行了總體觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了智能天線后，試驗小區(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的前后對比如。
使用智能天線后，小區(qū)集的掉話率指標有一定提升，使用了智能天線后，平均掉話率從0.46%下降為0.41%。
（2）SQI指標情況
以SQI為“好”的等級比例在應(yīng)用智能天線前后的變化為例，整個小區(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)量變化的一個指標，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，即兩個連續(xù)掉話的時間間隔擴展了23分鐘。
（1）話音信道掉話率指標的前后對比如。
使用智能天線后，小區(qū)集的掉話率指標有一定提升，使用了智能天線后，平均掉話率從0.46%下降為0.41%。
（2）SQI指標情況
以SQI為“好”的等級比例在應(yīng)用智能天線前后的變化為例，整個小區(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)量變化的一個指標，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，即兩個連續(xù)掉話的時間間隔擴展了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，因而接收信號時能夠?qū)⒔邮盏亩鄰叫盘栠M行最大比例合路計算得到比標準扇區(qū)天線更少的干擾信號，故而提高接收信號的質(zhì)量，達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整個區(qū)域的小區(qū)。
上行干擾的指標由統(tǒng)計人員通過OSS的上行質(zhì)量統(tǒng)計、手機發(fā)射功率變化、話務(wù)統(tǒng)計指標三個方面進行分析。
上行干擾的指標由統(tǒng)計人員通過OSS的上行質(zhì)量統(tǒng)計、手機發(fā)射功率變化、話務(wù)統(tǒng)計指標三個方面進行分析。
（1）OSS統(tǒng)計的上行質(zhì)量統(tǒng)計
在愛立信系統(tǒng)中，可通過BTS收集上行信號的質(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。
在愛立信系統(tǒng)中，可通過BTS收集上行信號的質(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。
（2）OSS統(tǒng)計的手機功率變化
由于在系統(tǒng)中已應(yīng)用了上行的功率控制，因此手機的發(fā)射功率一直根據(jù)BTS測量到的上行信號強度和上行質(zhì)量情況來調(diào)節(jié)的，手機的發(fā)射功率越小，說明上行的信號強度和信號質(zhì)量越好，在上行信號強度無明顯的情況下，手機的發(fā)射功率與上行信號質(zhì)量就有一定的對應(yīng)關(guān)系。愛立信的OSS統(tǒng)計中有針對手機發(fā)射功率的統(tǒng)計，應(yīng)用智能天線后手機滿功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機平均發(fā)射功率減少了2.7dB，相當于在空中手機發(fā)射功率降低了46%，這對上行干擾的改善是很大的。
由于在系統(tǒng)中已應(yīng)用了上行的功率控制，因此手機的發(fā)射功率一直根據(jù)BTS測量到的上行信號強度和上行質(zhì)量情況來調(diào)節(jié)的，手機的發(fā)射功率越小，說明上行的信號強度和信號質(zhì)量越好，在上行信號強度無明顯的情況下，手機的發(fā)射功率與上行信號質(zhì)量就有一定的對應(yīng)關(guān)系。愛立信的OSS統(tǒng)計中有針對手機發(fā)射功率的統(tǒng)計，應(yīng)用智能天線后手機滿功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機平均發(fā)射功率減少了2.7dB，相當于在空中手機發(fā)射功率降低了46%，這對上行干擾的改善是很大的。
（3）上行質(zhì)差引起掉話統(tǒng)計
應(yīng)用智能天線前后上行質(zhì)差掉話統(tǒng)計指標也有一定提高，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。
應(yīng)用智能天線前后上行質(zhì)差掉話統(tǒng)計指標也有一定提高，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，通過上下行的波束切換進行干擾控制。在上行方面，智能天線為試驗小區(qū)提供載干比增益，從而提高了試驗小區(qū)運營質(zhì)量；在下行方面，智能天線減少了對試驗小區(qū)的相鄰小區(qū)的干擾，其實質(zhì)是分配了移動通信系統(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，合理利用無線資源給網(wǎng)絡(luò)(包括試驗小區(qū))帶來下行載干比增益，通過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)的運營質(zhì)量也提高了網(wǎng)絡(luò)的無線容量，為網(wǎng)絡(luò)的進一步擴容奠定了堅實的基礎(chǔ)。
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