智能天線技術在GSM網絡中的應用
摘要： 最初的智能天線技術主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能，天線系統的可靠性與靈活程度不斷提高。... ...
Abstract：
Key words :
一、智能天線應用背景
最初的智能天線技術主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現代數字信號處理技術發展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能，天線系統的可靠性與靈活程度不斷提高。
智能天線技術可用于具有復雜電波傳播的移動通信環境。智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，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，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。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認識到智能天線在降低網絡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出現，智能天線已成為3G的重要組成部分。
目前除了極少數的國家有正式的3G商用網，我國和大多數地區3G仍然處于試驗網的階段，預計未來兩到三年內GSM網絡仍然是移動話務的主要承載網絡。在中國大中城市GSM網的用戶數以每年約20%比例增加，在部分熱點地區，每平方公里承載的話務量甚至達到了1500erl。GSM網絡的容量在硬件配置充分的環境下完全受限于網絡的頻率資源，在有限的頻寬下，要增加網絡容量，只能減小頻率復用距離，而頻率復用距離越近，網絡的干擾越高。
根據目前GSM網絡運營的經驗，在保證使用合適的小區信號的前提下，要保持網絡質量在客戶可接受的話音質量（清晰無雜音）范圍內，則必須按照載干比在18dB以上進行無線網絡規劃。無論是按照傳統的4/12頻率復用方式還是利用MRP或1*3頻率復用方式，在現有頻寬下均最多按照12dB的載干比進行頻率規劃，剩余的載干比只能依靠動態功率控制、跳頻、不連續發射等功能的增益進行補償。降低網絡的干擾水平、提高系統的載干比在GSM高速增長期，特別是在GPRS業務正式商用后顯得非常重要，因此不少GSM生產廠商和運營商都在考慮將3G標準中的智能天線用于GSM網絡中，一些廠商如愛立信、麥得威等公司在話務高的局部區域開展了相應的研究和試驗，并取得了較理想的效果。
智能天線技術可用于具有復雜電波傳播的移動通信環境。智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，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，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。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認識到智能天線在降低網絡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出現，智能天線已成為3G的重要組成部分。
目前除了極少數的國家有正式的3G商用網，我國和大多數地區3G仍然處于試驗網的階段，預計未來兩到三年內GSM網絡仍然是移動話務的主要承載網絡。在中國大中城市GSM網的用戶數以每年約20%比例增加，在部分熱點地區，每平方公里承載的話務量甚至達到了1500erl。GSM網絡的容量在硬件配置充分的環境下完全受限于網絡的頻率資源，在有限的頻寬下，要增加網絡容量，只能減小頻率復用距離，而頻率復用距離越近，網絡的干擾越高。
根據目前GSM網絡運營的經驗，在保證使用合適的小區信號的前提下，要保持網絡質量在客戶可接受的話音質量（清晰無雜音）范圍內，則必須按照載干比在18dB以上進行無線網絡規劃。無論是按照傳統的4/12頻率復用方式還是利用MRP或1*3頻率復用方式，在現有頻寬下均最多按照12dB的載干比進行頻率規劃，剩余的載干比只能依靠動態功率控制、跳頻、不連續發射等功能的增益進行補償。降低網絡的干擾水平、提高系統的載干比在GSM高速增長期，特別是在GPRS業務正式商用后顯得非常重要，因此不少GSM生產廠商和運營商都在考慮將3G標準中的智能天線用于GSM網絡中，一些廠商如愛立信、麥得威等公司在話務高的局部區域開展了相應的研究和試驗，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的扇區天線。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天線更少的干擾信號，故而提高接收信號的質量。根據理論計算，一個包括4個可切換的窄波束天線的平均C/I值可比傳統的3-扇區天線系統增加6dB。
智能天線系統以時隙為基礎連續地進行波束選擇，以確保用戶在通話過程中的話音質量。
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，其主要功能是發射話務信道的信號（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，其功能是發射控制信道的信號（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。
智能天線系統以時隙為基礎連續地進行波束選擇，以確保用戶在通話過程中的話音質量。
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，其主要功能是發射話務信道的信號（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，其功能是發射控制信道的信號（如：BCCH，SDCCH和CBCH等等）。
三、智能天線在GSM網絡中的應用實例
1．引入智能天線的小區選擇
由于智能天線引入時需對網絡做相應的硬件改造，同時考慮到其價格，在目前的GSM網絡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內的頻率干擾，因此建議引入智能天線的無線基站選擇那些站點位置高、對其他小區干擾嚴重的站點。如深圳的試驗站點選擇了市區的一個小區，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，在該小區覆蓋區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，我們人為地將與試驗小區方向正對的小區頻率改為與試驗小區同頻。理論上，智能天線將下行信號強度集中在有話務的區域，因此會降低對其他小區的干擾，其中（a）為使用普通定向天線的小區覆蓋情況，(b)為使用智能天線的小區覆蓋情況。
（1）下行信號強度的比較
在實際應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，另一方面是話務在不同波束方向的分布不同。
?。?/span>2）載干比的對比測量
由于原網絡中頻率復用距離很遠，同頻干擾很小，為了加強對比效果我們將與試驗小區方向正對的鄰小區改為同頻小區（這種情況在目前的扇區天線下是會引起嚴重質差應盡量避免的）。選中的鄰小區是最可能受到試驗小區干擾的，特別是在該區域的一條主干道上，選中的小區為服務小區，試驗小區為第一鄰區。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律一致，說明更換前后的無線環境是類似的。對比更換前后的干擾小區信號強度，應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律一致，說明更換前后的無線環境是類似的。對比更換前后的干擾小區信號強度，應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．統計指標的對比
在試驗期間，我們對比掉話率、SQI（話音質量指示）、話務掉話比等各項指標并進行了總體觀察，發現應用了智能天線后，試驗小區及周圍鄰小區話務質量有了一定的改善。
（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”的等級比例在應用智能天線前后的變化為例，整個小區集的SQIGOOD比例從85.71%上升到了87.94%，這表明在應用智能天線后用戶可以享受到更好的語音質量。
（3）話務掉話比是可以較全面地衡量網絡質量變化的一個指標，在應用智能天線前后，話務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”的等級比例在應用智能天線前后的變化為例，整個小區集的SQIGOOD比例從85.71%上升到了87.94%，這表明在應用智能天線后用戶可以享受到更好的語音質量。
（3）話務掉話比是可以較全面地衡量網絡質量變化的一個指標，在應用智能天線前后，話務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將接收的多徑信號進行最大比例合路計算得到比標準扇區天線更少的干擾信號，故而提高接收信號的質量，達到改善上行干擾的目的。與下行干擾的改善不同的是，應用智能天線后只改善應用了智能天線的小區，而下行干擾的改善是針對整個區域的小區。
上行干擾的指標由統計人員通過OSS的上行質量統計、手機發射功率變化、話務統計指標三個方面進行分析。
上行干擾的指標由統計人員通過OSS的上行質量統計、手機發射功率變化、話務統計指標三個方面進行分析。
?。?/span>1）OSS統計的上行質量統計
在愛立信系統中，可通過BTS收集上行信號的質量得知，應用智能天線后小區的上行質量有所提高。
在愛立信系統中，可通過BTS收集上行信號的質量得知，應用智能天線后小區的上行質量有所提高。
?。?/span>2）OSS統計的手機功率變化
由于在系統中已應用了上行的功率控制，因此手機的發射功率一直根據BTS測量到的上行信號強度和上行質量情況來調節的，手機的發射功率越小，說明上行的信號強度和信號質量越好，在上行信號強度無明顯的情況下，手機的發射功率與上行信號質量就有一定的對應關系。愛立信的OSS統計中有針對手機發射功率的統計，應用智能天線后手機滿功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機平均發射功率減少了2.7dB，相當于在空中手機發射功率降低了46%，這對上行干擾的改善是很大的。
由于在系統中已應用了上行的功率控制，因此手機的發射功率一直根據BTS測量到的上行信號強度和上行質量情況來調節的，手機的發射功率越小，說明上行的信號強度和信號質量越好，在上行信號強度無明顯的情況下，手機的發射功率與上行信號質量就有一定的對應關系。愛立信的OSS統計中有針對手機發射功率的統計，應用智能天線后手機滿功率（33dB）的比例從40%降低到18%，手機平均發射功率減少了2.7dB，相當于在空中手機發射功率降低了46%，這對上行干擾的改善是很大的。
?。?/span>3）上行質差引起掉話統計
應用智能天線前后上行質差掉話統計指標也有一定提高，上行質差掉話比例從9.7%下將到了1.6%（上行質差掉話比例是指上行質差引起的掉話占所有掉話的比例）。應用了智能天線后上行干擾有顯著改善。
應用智能天線前后上行質差掉話統計指標也有一定提高，上行質差掉話比例從9.7%下將到了1.6%（上行質差掉話比例是指上行質差引起的掉話占所有掉話的比例）。應用了智能天線后上行干擾有顯著改善。
四、小結
通過已開展的GSM網絡中的智能天線應用可見，智能天線可以匹配原網絡的覆蓋情況，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提供載干比增益，從而提高了試驗小區運營質量；在下行方面，智能天線減少了對試驗小區的相鄰小區的干擾，其實質是分配了移動通信系統工作的空間區域，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絡(包括試驗小區)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用的距離，從而提高了網絡的運營質量也提高了網絡的無線容量，為網絡的進一步擴容奠定了堅實的基礎。
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