智能天线系统的测试

戴沛军
　　目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，欧、美、日等国家非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位和作用，已经开始了大量的理论分析和研究，已开发出用于基站的智能天线，同时也建立了一些技术试验平台。本文讨论将智能天线系统投入运行前所需完成的测试问题。智能天线测试对于用户利设计制造者了解天线在应用中的性能和限制是十分重要的。其测试目的是使人们能明智地选择费用低而性能高的最佳系统。

　　多数智能天线系统运行在专门的多址协议下，而为同一多址（ＭＡ）协议设计的天线系统需要规定关于无线电信道时空结构的各种设定值，例如信道时延，多普勒和角扩展以及信道联合扩展分布。如果满足了这些设定值，且天线运行在适应的多址空中接口环境下，则在基带上采用相应的信号处理算法就能增强所希望的信号，消除（或衰减）噪声、多径干扰和共信道干扰等，从而提高系统容量，扩大系统的覆盖区域。

　　任何通信系统的基本原理都是将信号从发射机传播到接收机。由于噪声干扰和散射效应，发射出的信号是经过变形而到达接收机的。在无线电通信中，所希望的信号总是未受保护地通过单一的传播路径（称为直接路径或视距传播）到达接收机。发射的信号被远处或近处目标反射后发生振幅衰减、相位变形和显著时延并通过另外的路径到达接收机。

　　多径效应（与其它干扰信号一起争夺所希望信号占用的频率或时隙）会损害无线电传输信道，导致接收机处的错误判定，产生较大的比特差错率（ＢＥＲ）。这些因素同时也限制了通信容量和覆盖范围的扩大。以单一的天线接收机为基础的信道均衡和信号处理方法曾缓解了这些问题，但它却不能适应高数据速率的数字无线电通信高速发展的需要。

一、智能天线

　　智能天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分离效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线是提高无线电数据通信，包括蜂窝通信、个人通信和第三代宽带ＣＤＭＡ系统容量的最佳选择，可超越由信道复用和各种调制技术所达到的水平。

　　设计制造智能天线系统的主要目标就是减少符号间干扰，消除共信道干扰，减轻邻信道干扰，提高频谱利用效率，改善比特差错率，减少通信中断的概率，提高传输效率以及减少跨区转接率和串音等。通过最佳设计取得希望的改善效果，从而提高系统容量、扩大系统覆盖区域。为实现这些目标，可利用共信道干扰和多径方向的零位控制，沿用户信号直接路径或直接与多径方向的波束控制，在分离输出处提高信号对干扰和噪声比等方法。

二、测试的重要性

　　从智能天线系统的贡献来看，设计、制造和开发商对天线在室内外无线电网络和在不同结构和多址协议网络中的应用十分感兴趣。而业务提供商则希望通过了解智能天线所达到的性能，正确预算购买、安装、综合、维护和完善智能天线系统的费用，研究利用智能天线的短期与长远效益。

　　选择适用智能天线的两个主要因素是天线运行的市区／农村环境和应用的多址空中接口（ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ或ＣＤＭＡ）协议类型。一旦将智能天线应用到某一环境中，并与设定的传播条件和通信信道特性匹配得当，业务提供者则渴望了解这种阵列天线接收机的结果和成效（即对网络容量和范围的扩大）。当天线被安装和应用后，则希望能有更多的用户加入同一网络，并要求这种网络能实现比单个天线接收机更远的数据存取。

　　很明显，对于任何智能天线系统而言，都有用来确定运行环境的各种参数和统计量等的专用适当的设定值。在这些设定值下，智能天线系统被确定处于最佳状况，其提供的业务清晰、费用适中且最令人信服。另一方面，则至少存在一项（或更多）的负设定值，此时智能天线系统的业务提供存在问题，且频谱利用效率不高。

　　因此必须对智能天线系统进行测试，来验证设计和制造的天线所达到的性能要求。这种测试首先应对以上讨论的所有有效功能进行评估，并评估天线在相应的运行环境中的工作情况。完善的智能天线测试应能使业务提供商通过测试结果明智地选择天线，正确预算系统运行费用，评估短期与长远效益。此外，可据此为各种基站选择适当的智能天线系统，并了解该天线系统的多径特征和衰减模式是否是容许的。还可使业务提供商根据系统容量设定适当的频率复用因数来消除共信道干扰，根据智能天线的波束形成和调零特性确定每个蜂窝小区的尺寸。另外，天线设计制造者则把测试结果作为有效的反馈信息，考虑和调整产品的性能。

三、波束交换智能天线系统

　　最常用的智能天线系统之一是波束交换智能天线，它通过选择几组控制系数来实现多波束。扫描接收机监控预设信道频率（或ＴＤＭＡ用的时隙）上的每一波束的信号电平。除已建的Ｋ型波束外，具有安排给移动单元频率的最大信号的波束被交换给对应的基站接收机。还有为用户选择最佳波束的更完善的方法。任何波束都能被交换给任一接收机，且所有的波束都能与一独立的波束联合。值得指出的是信道在频率（时隙）上是缓慢变化的，在多波束工作中，同一波束工作于所安排频率（或时隙）的上行和下行。这种简单的结构可被添加到现有的基站设备上。

　　波束交换智能天线系统的主要测试目标是评估系统，当用户的位置和角扩展相对于固定波束方向和带宽发生变化时的反应和性能。信号到达时的多径和共信道干扰分量可用来干扰接收机，使系统性能劣化，也可用这些分量来提高系统的性能。在测试中还可应用选择方案，把不希望的分量落到预设的固定波束上，而用等于或大于希望的用户信号的增益来接收。也可将这些分量落入波束之间，而用比用户信号小的增益和灵敏度来接收。

　　以波束交换为基础的智能天线系统的测试应证明扫描接收机交换固定波速之间通信信道的有效途径，锁定到干扰上的频率（波束错误），多径环境的系统交换模式和系统的干扰抑制能力与俯仰角的关系。对其测试还应测定系统是怎样消除（或改正）衰减与信道扩散，如何允许移动用户的大角扩展与频谱扩散，如何对常规方向周围的频谱分布敏感，以及系统性能怎样依赖于分离单元之间的衰减校正。应能简便地评估这些性能，并与单一的天线接收机相比较。

四、结论

　　智能天线系统投入运行前的测试问题是十分重要的。进行这种测试的主要目的是使业务提供商获得对智能天线潜能和局限的正确认识。本文主要讨论波束交换智能天线系统的测试问题。值得注意的是，设置等于、大于或小于制造者设定的传播信道来测试天线是了解智能天线系统的业务质量和开拓实际的性能希望值的关键。

----《通信世界报》