智能天线在移动通信系统中的应用外文翻译资料

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智能天线在移动通信系统中的应用

智能或自适应天线阵列可以提高无线通讯系统的性能。在本章中，定义了涵盖范围和容量等基本术语，概述实现覆盖面、能力等的策略和改进，并讨论了相关文献。简要讨论多径缓解和阵列的方向发现应用，以及介绍了未来无线系统的演进的潜在的路径。考虑了智能天线要求和实施的问题。

智能天线通常通过切换波束或完全实现自适应阵列天线。阵列由两个或更多个天线组成（数组的元素）在空间上布置并电互连以产生定向辐射模式。在相控阵中，每个元件天线的激励电流的相位调整阵列以改变阵列的图案，通常是扫描图案最大或无效到所需的方向。虽然电流的幅度也可以变化，但相位调整导致光束转向。^【4.1】

智能天线系统由天线阵列，相关射频硬件和响应于射频改变阵列模式环境的计算机控制器组成，以提高通信或雷达系统的性能。开关束天线系统是智能天线的最简单形式。通过选择在阵列馈送中的几个不同的固定相移中，有几个固定的天线方向图可以使用相同的阵列形成。为任何给定条件的集合选择适当的模式。自适应阵列使用反馈动态控制自己的模式改变每个元件处的励磁电流的相位和/或振幅以优化接收信号。^【4.2】

智能或自适应天线正在被考虑用于无线通讯系统。智能天线可以增加一个系统的覆盖范围和容量。在多路径通道中，它们可以增加最大数据速率并由于多路径组件的取消减少衰退。还可以使用自适应天线用于方向查找，应用包括应急服务和车辆交通监控。所有这些改进已经在文献中提出并将在本文中讨论。另外，进化的可能路径，并入适应性天线进入北美蜂窝系统，被提出并讨论。最后，未来自适应天线系统的要求和实施问题将会影响它们的设计概述。

1.1 覆盖和能力改善战略

自适应天线可以增加无线通讯系统的覆盖区域和/或容量。覆盖范围仅仅是移动台和基站之间可能通信的其中的区域。容量是测量系统在给定区域中可以支持的用户数量。

本节考虑采用智能天线的三种策略。范围扩展是增加覆盖的手段，同时减少/拒绝干扰和空分多址（SDMA）方法寻求增加一个系统容量。

1.1.1范围扩展

在人烟稀少的地区，覆盖范围往往比增加容量更加重要。在这样的区域，自适应天线提供的增益可以扩展一个单元格的范围覆盖更大的面积和可能比全向或扇形天线更多的用户。该方法如图 4-1所示：

全向天线 智能天线

图4-1 .使用自适应天线的范围扩展

覆盖区域是基站天线周围有用通信的区域。在均匀传播环境中，最大传输接收范围在所有方位角方向上相同，覆盖区域由下式给出

Ac =pi;R² （4.1）

Ac是小区的覆盖区域，R是最大发射接收范围。当然，这只是一个真实环境中的情况的粗略近似，在那些地形中建筑物，植被等都会影响传播。

可以使用简单的指数路径损耗模型推导出覆盖区域与天线增益的近似关系。 在这个模型中，接收机的功率Pr

（4.2）

P_t是发射机功率，G_t和G_r分别是发射和接收天线增益，PL（d₀）是某个参考距离d处的自由空间路径损耗0从发射机（蜂窝系统的距离为1公里），R是发射接收范围，与d₀相同，gamma;是路径损耗指数，通常在3到4之间。该模型假设Rge;d₀，重新排列（4.2）

（4.3）

和从(4.1)可知,覆盖区域随天线增益而变化

（4.4）

其中G是发射或接收天线增益，另一个天线的增益是保持不变。以下示例显示如何使用a来增加覆盖范围具有可转向或切换定向梁的基站天线。

示例1

假设已经确定，使用全向天线，a特定的基站可以覆盖一个区域的全局A_c,omni= 100 km²。 此外，假设已经测量了信道的路径损耗，并且可以通过指数近似路径损耗模型，gamma;= 35。如果使用提供的智能天线系统额外增加6 dB，然后根据（4.4），系统可以覆盖给定的区域

(4.5)

或在这种情况下,或者220.8 km²。

范围扩展最适合农村地区，这里用户密度较低并且希望覆盖尽可能少的基站的面积。如果用户密度高，简单地扩大覆盖面积将导致一个比基站可以使用其有限数量的频道更多的单元格用户。在这种情况下，范围扩展仅适用于本节讨论其他方法之一。

1.1.2容量

容量与系统的频谱效率以及数量有关，就像每个用户提供的流量。频谱效率E，用通道/ km2 / MHz测量，表示为，

（4.6）

其中Bt是可用于语音信道的系统的总带宽（发送或接收），在MHz中，Bch是以MHz为单位的每个语音通道的带宽，Nc是数字每个群集的单数，而Ac是每平方公里的单位面积[4.3]。一个系统的能力用通道/ km2测量，由以下给出：

(4.7)

这里是系统中可用的发送或接收语音信道的总数。可以支持的实际用户数可以基于每个用户提供的流量和每个单元的通道数。

从（4.7）开始，显然能够以几种方式提高能力。这些包括增加分配给系统的总带宽，通过有效调制的通道减少带宽，减少群集中的单元数量，以及通过蜂房分裂减少蜂房的面积。如果不知何故多个用户可以支持每个RF信道，这也将增加容量。本文集中在使用自适应或智能天线增加容量的技术，但第4.4节也考虑其他选项。

1.1.3 干扰减少和拒绝

在人口稠密地区，增加能力是至关重要的。 两个相关增加容量的策略是下行链路上的干扰减少上行链路的干扰抑制。为了减少干扰，定向梁被转向向手机。对同频道手机的干扰只有在它们在内部时才会发生定向波束的窄波束宽度。这降低了与使用全向基站天线的系统相比共通道的概率。可以使用定向波束和/或通过在基座中形成空值来拒绝干扰站接收天线方向的干扰同频用户。干扰减少和拒绝可以允许Nc（由同频道决定）干扰，增加系统的容量。

干扰减少可以使用带有转向的阵列来实现开关梁。通过使用定向波束与手机进行通信下行链路，基站不太可能比使用全向天线干扰附近的同频道基站。这在图4-2中示出。 理论上，每个簇的细胞数量可以减少，增加光谱效率和容量如（4.6）和（4.7）[4.3]，[4.4]所示。

强大的同频干扰的时间将会很小，例如，当移动站在附近的同频道基站的主波束内时。这可以通过将当前小区内的移动台切换到另一个没有经历强大的同频干扰信道来克服。

全向天线 智能天线

图4.2 使用自适应天线的干扰减少：定向波束干扰蜂房较少

示例2

一个具有Nch = 280通道和使用七节点频率重用模式（Nc = 7）全向基站的系统天线。每个单元格覆盖一个A = 50 km²区域。从式4.7可知，容量为C_omni=或0.8频道/km²。通过使用智能天线在基站，同频干扰减少，Nc可以减至4。新的容量C _smart=或1.4频道/km²。

关于干扰减少和拒绝使用智能天线的问题已经写下了很多。下面总结了几篇有趣论文的方法和结果。

在[4.4]中通过建中断概率为1％的和a所需的C / I为20 dB的模，如果一个蜂房是由8个理想梁覆盖，其中所有能量集中在主梁中波束宽度为pi;，那么光谱效率增加3倍。假如使用32梁那光谱效率增加11倍。对于8 dB所需的C / I，可以看到较小的改进。本文考虑一个具有对数正态（sigma;= 6dB）阴影和瑞利衰落渠道。

[4.5]中提出了一个从基站覆盖360度圆形阵列。阵列中仅有几个元素用于形成每个光束，因此可知此阵列近似一个小的线性阵列。对7个活性元素进行模拟，移动台的均匀分布和路径损耗指数gamma;= 4的信道。一个在反向信道上平均C / I的改善约为10dB，15dB或更多将会被实现。

[4.6]中报道的仿真表明，自适应天线在具有覆盖的宏，微和微微小区的CDMA系统中可以改善光谱效率高达15％。

在[4.7]中将10元素扫描光束阵列与120度扇区天线进行比较。频道模型包括瑞利衰落，sigma;= 6dB正常对数阴影，2.5Hz的多普勒频移，gamma;= 35路径损耗指数。一个三小区频率重用10元素阵列模拟上行链路系统。这个系统可以支持0.3用户/单元/通道，C / I比例提高5 - 6 dB，并使用类似的系统使用扇区天线，并且仅支持0.1个用户/小区/信道。

[4.8]提出了完全频率复用。8元环形自适应天线在基站用于发射和接收。两者都是上行链路假设使用pi;/ 4的时分双工系统来模拟下行链路DQPSK。信道模型包括指数gamma;= 35的路径损耗，具有sigma;= 6 dB正常对数阴影瑞利衰落。建单个发送接收路径和两个发送接收路径模。在双路情况下，两条路径在0.0和1.0之间变化。

在[4.8]中使用的模型中，假定上行和下行衰落为不相关，即使上行链路和下行链路使用相同的频率。结果是，随着多径分量之间的相关性增加，上行链路C / I得到改善，而使用相同天线方向的下行链路C / I随着相关性增加而减小。对于双路模型，16元圆形阵列提供了信号与干扰比大于13 dB概率的95％在上行链路和上行链路中。考虑元素间距为0.5至5.0lambda;。大数组元件间距可以形成较窄的波束，并且与具有较小间距的阵列形成零点。对于单路径模型，尽管存在栅瓣仍可以看出大的元件间距的最佳性能。

广义智能电池概念在4.9。一个实现这个概念的方法包括使用自适应天线减少所需的C / I（以全向测量）。这允许系统在集群中具有更少的单元并提高光谱效率。

上行链路的干扰抑制可以通过形成在手机在其他小区来自co频道的干扰信号的方向上为零基站天线图形直接完成。这在[4.10] - [4.13]中讨论。干扰拒绝也可以通过以类似于下行链路上的干扰减少的方式将基站接收天线的光束导向电池内的手机来实现。在这种情况下，来自主梁的方向的干扰将会降低。

在[4.10]中显示，可以使用具有L N个元素的天线来将N-1干扰置零并实现L 1折天线分集增益，以抵抗多径衰落。由于该阵列具有L N-1个自由度，可以使用N-1个自由度来形成N-1置零和剩余的L自由度来提供L 1倍的分集。IS-54（北美TDMA蜂窝）系统的仿真表明有两个元素，系统容量几乎翻倍。五个元素完成频率重用是可能的，在典型的七个频谱效率上提高七倍蜂房再利用模式。

如[4.11]中所述，可以使用软件无线电来实现自适应波束形成算法。据说智能天线应用允许三节点重用模式，具有双倍的容量和三倍的七小区呼叫到达率系统。考虑了C / I改进的三种方法。第一个在移动方向增加获得收益，第二个是减轻多径衰落，第三个是干扰源的归零。描述了使用常数模数算法（CMA）自适应接收波束在上行链路上使用监控音频音（SAT）来区分信号的系统。在下行链路中，四分之一使用固定每120度扇区的光束。 天线具有超过20 dBi的增益。系统将基带信号重新调制为RF以便由标准小区站点接收机接收。

自适应阵列只能拒绝足够分离的干扰信号与所需信号成角度。自适应阵列可以与同频道组合干扰消除器。阵列可以排除具有与期望信号分离足够角度的干扰信号。干扰消除器用于拒绝具有接近期望信号[4.12]的到达角的干扰信号。

在[4.13]中具有10个元素均匀线性阵列的系统的上行链路模拟了波长间间距一半。仅模拟上行链路。考虑了两种方法。第一个是使用加权子空间的方向发现配件，之后是线性最小二乘估计（LLSE）波束成形。这也是称为到达方向（DOA）方法。在第二种方法中，每一种移动台发送与其他手机参考信号不相关的参考信号。参考信号用于区分手机。一个瑞利衰落通道被建模，其中散射体被假定为在手机周围圆形，每个手机有20个反射。考虑两个相同元件同频道手机，并忽略其他元件的干扰。用DOA方法改进SINR大于15 dB，而参考方法显示较少改进，对于分散组件的到达角度的差异较小。该参考方法执行比DOA方法在零散零件的到达角度有更好的变化。

1.1.4空分多址

自适应天线还允许基站与两个或更多个使用空分多址（SDMA）在同一频率上的手机通信。在空间上分区多路访问

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