智能天线技术改善频谱使用效率

近 几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频 分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这 三种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（SDMA）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上， 在第四维空间上极大的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能。并将移动通信技术引入了一个更为崭 新的领域。而实现它的技术核心则是自适应智能天线技术。

自适应智能天线技术是一种软件技术，是当今软件无线电技术的基础。它使用了自适应 阵列信号处理软件，对所有用户的无线信号进行高速时空处理从而实时调整无线信号的传输，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号。即使基站在充满噪音 和干扰的环境中，也能监测并保持与多个不同的用户的通信连接,从而实现空分多址（SDMA）的效果。在网络中，这种先进的基站性能可以用来增加基站覆盖范 围，从而降低网络成本，提高系统容量，最终达到提高频率使用效率的目的。SDMA可以与任何空间调制方式或频段兼容，因此具有巨大的实用价值。

空 分多址的基站组件就是一种先进的自适应天线阵列系统。自适应阵列天线系统持续监控其覆盖的范围，针对不断变化的无线环境（包括移动用户和干扰信号），系统 将提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户，为用户所在的方向提供最大的增益，同时抑制其他用户的干扰，以适应用户的位置移动。

SDMA系统的处理程序如下：

1.系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形式，并存储在内存中。

2.计算机中的SDMA处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户、干扰源及其所在的位置。

3.处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略，每位用户的信号接收质量将大大提高，而其它用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽。

4.系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。在此基础上，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道—空间信道实现高效的传输。

5.在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。

利 用上述流程，SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道，每一条信道都可以完全获得整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论 上而言，带有m个单元的阵列能够在每条普通信道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可 见，SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍地提高频谱使用效率。

三、自适应智能天线技术提高频谱使用率 

自 适应智能天线技术是一种物理层技术，它并不影响系统的高层协议，因此，它适用于各种无线接口。按照对传统的智能天线的理解，自适应智能天线技术由于其技术 特点的限制仅适用于TDD系统，而现在随着这一新技术的不断完善，它在FDD系统中的应用同样能达到理想的效果。实验及现场测试表明，自适应智能天线技术 能应用于PHS，WLL，GSM/GPR/EDGE，WCDMA，CDMA2000等系统，使系统的容量及覆盖范围都成倍地提高。

在现 有的PHS商用系统中，有近十万台基站装备了自适应智能天线系统，而其中近五万台装备在中国。由于使用了自适应智能天线技术，基站通过上行信息分析每个用 户及干扰源的位置，为每个用户波束赋形，以增强用户的信号增益，同时最大限度地降低对其他用户的干扰，这样，网络的频率复用模式可以从传统的（7，3）复 用，改为（4，3）复用，甚至（1，3）复用，频率的复用距离可以减小一倍或数倍，且网络的服务质量不变。在此基础上，SDMA技术的应用，可以使系统增 加多达一倍的空分信道。系统的总容量达到数倍地增加。

对于GSM/GPRS/EDGE系统而言，跳频技术的应用是传统的提高系统容量的方 式，但跳频技术只能起到平均网络干扰的作用，并不能主动地降低网络的干扰电平，虽然它也在一定程度上缓解了热点地区的容量与频谱间的矛盾，但它只是对网络 容量的一种优化调整，并没有在根本上改善频谱的使用效率。而采取自适应智能天线技术，结合传统的调频技术，可以使传统的跳频负载的限制由原来的50%提高 到100%，且频率的复用模式可以由原来的（1，3）改为更紧密地（1，1）复用。网络的仿真及现场测试表明，采用自适应智能天线技术后，跳频负载提高到 100%后，网络的服务质量不低于调整前。也就是说，频谱的使用效率较传统的提高四倍（在采取四天线阵的情况下）。

CDMA系统是一种自 干扰系统，无论IS-95CDMA，WCDMA还是CDMA2000，系统的射频污染是影响系统容量的重要因素。由于自适应智能天线系统采用有选择性的空 间传输，因此基站发射的功率可以远远低于普通的基站，从而可减少网络内的射频污染，同时减小功率放大器的规格。首先，功率可分配到每个单元，然后，由于能 量根据方向而提供，所以输送到每个单元的功率就随之减少。如果阵列部署有10个单元，则每个单元的放大器只需发射来自相关天线系统的1%的功率。而且能量 只集中在有效用户的位置，对其他用户位置的能量辐射最小，从而最大限度地减少网络空间的射频污染，降低干扰电平，提高系统容量。

表1及表2是加入自适应智能天线技术后各种无线接口标准下基站的容量及频谱使用效率。

表1 系统容量增加（8天线阵）

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四、软件无线电技术的雏形 

从 自适应智能天线技术的实现原理可以看出，自适应智能天线的核心在于基带的数字处理部分，它由数个软件功能模块组成。自适应智能天线系统针对不同的通信标准 以及不同的应用环境有不同的解决方案，基站系统只需通过软件置换即可实现基站设备的重新配置，而基站系统的射频结构及其它硬件结构则不需作任何调整。这正 是当今软件无线电的概念。虽然现在的自适应智能天线系统硬件平台的通用性还有一定的限制，但这种限制并不是来源于自适应智能天线技术本身。因此，从自适应 智能天线的技术特点上来看，它已具备了软件无线电技术的基本构成要件，是软件无线电技术的雏形。

结束语： 

自 适应智能天线技术以其技术的先进性正越来越多地被人们所重视，随着无线通信业务的发展，自适应智能天线技术将可以帮助运营商经济高效地完成系统的部署，从 而提供优质的服务。用户则将是这种技术的最终受益者，能够以较低的费用获得清晰的通话质量，而这就将成为通信发展的原动力，推动通信技术的不断发展。