天线分集技术

　　天线分集技术
　　1分集概念
　　在移动无线电环境中信号衰落会产生严重问题。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，它使接收信号大大地恶化了。虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际;而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。通常在接收站址使用分集技术，因为接收设备是无源设备，所以不会产生任何干扰。分集的形式可分为两类，一是显分集，二是隐分集。下面仅讨论显分集，它又可以分为基站显分集与一般显分集两类。
　　基站显分集是由空间分离的几个基站以全覆盖或部分覆盖同一区域。由于有多重信号可以利用，就大大减小了衰落的影响。由于电波传播路径不同，地形地物的阴影效应不同，所以经过独立衰落路径传播的多个慢衰落信号是互不相关的。各信号同时发生深衰落的概率很小，若采用选择分集合并，从各支路信号中选取信噪比最佳的支路，即选出最佳的基站和移动台建立通信，以消除阴影效应和其他地理影响。所以基站显分集又称为多基站分集。
　　一般显分集用于抑制瑞利衰落，其方法有传统的空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和场分量分集等多种方法。
　　2分集与合成
　　分集特性决定于分集分支的数量和接收分集之间的相关系数。四种常用的合成技术：最大比合成技术（MRC），等增益合成技术（EGC），选择合成技术（SEC），转换合成技术（SWC）。这些合成技术是天线技术中重要的组成部分，但由于超出本教材的范围，此处就不再做具体介绍了。在移动通信中，通常采用空间分集和极化分集，分集增益可在5dB左右。下面就对这两种方法进行讨论。
　　3空间分集
　　空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的。在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变动。空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小，在这种情况下，由于深衰落难得同时发生，分集便能把衰落效应降到最小。为此必须确定必要的空间间隔。
　　垂直天线间隔大于水平天线间隔。目前工程中常见的空间分集天线由两副（收/发，收）或者三副（收，发，收）组成。
　　4极化分集
　　在前面已经介绍了电磁波的极化现象。目前在越来越多的工程中广泛使用了极化天线。天线通过两种极化——水平极化和垂直极化——而用一个频率携带两种信号。理论上，由于媒质不引入耦合影响，也就不会产生相互干扰。但是在移动通信环境中，会发生互耦效应。这就意味着，信号通过移动无线电媒质传播后，垂直极化波的能量会泄漏到水平极化波去，反之亦然。幸运的是，和主能流相比，泄漏能量很小，通过极化分集依旧可以得到良好的分集增益。极化分集天线的最大优点在于只需安装一副天线即可，节约了安装成本。
　　5空间分集和极化分集的比较
　　极化分集最大的好处是可以节省天线安装空间，空间分集需要间隔一定距离的两根接收天线，而极化分集只需一根，在这一根天线中含有两种不同的极化阵子。一般空间分集可以获得3.5dB的链路增益。由于水平极化天线的路径损耗大于垂直极化天线（水平极化波的去极化机会大于垂直极化波），因此对于一个双极化天线，其增益的改善度比空间分集要少1.5dB左右。但双极化分集相对空间分集在室内或车内能提供较低的相关性，因此又能获得比空间分集多1.5dB的改善。比较起来，双极化接收天线的好处就是节省天线安装空间。作为发射天线，如果基站收发天线共用，且采用双极化方式，则采用垂直和水平正交极化阵子的双极化天线和采用正负45度正交极化阵子双极化天线相比较（假设其它条件相同），在理想的自由空间中（假定手机接收天线是垂直极化），手机接收天线接收的信号前者好于后者3dB左右。但在实际应用环境中，考虑到多径传播的存在，在接收点，各种多径信号经统计平均，上述差别基本消失，各种实验也证明了此结论的正确。但在空旷平坦的平原，上述差异或许还存在，但具体是多少，还有待实验证明，可能会有1-2dB的差异。综上所述，在实际应用中，两种双极化方式的差别不大，目前市场上正负45度正交极化天线比较常见。

　　赋形波束技术
　　在蜂窝移动系统中，降低同信道干扰始终是一个复杂的问题。赋形波束技术 提高了空间频谱重用。 有两种类型的赋形波束。一种是赋形水平面的辐射方 向图，即扇形波束;另外一种是赋形垂直面的辐射方向图。 在蜂窝系统中， 通过使用扇形波束来代替全向波束时，蜂窝间干扰距离增加，从而使基地站 天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可能低的电平，而基地站天线对其业 务区辐射达到尽可能高的电平。
　　当固定在一定高度的天线照射在一有限的水平面区域内，天线的垂直方向图 表明由于有旁瓣零点的存在，在需要覆盖的区域就有可能产生盲区问题。通 过使用垂直平面的余割平方赋形波束功率方向图，可以消除主瓣下方的零点， 从而使所需覆盖区域有相等的接收信号电平。该技术也称为零点填充技术。
　　全球蜂窝系统基本上都使用的一项波束处理技术，即波束倾斜技术。该技术的主要目的是倾斜主波束以压缩朝复用频率的蜂窝方向的辐射电平而增加载干比的值。在这种情况下，虽然在区域边缘载波电平降低了，但是干扰电平 比载波电平降低得更多，所以总的载干比是增加了。从严格意义上来说，波 束倾斜并不是真正的赋形波束技术，但是用途却是相同的。目前，使波束下 倾的方法有两种。一种是电调下倾，通过改变天线阵的激励系数来调整波束 的倾斜情况。还有一种就是机械调整，改变天线的下倾角。
　　对应不同的波束下倾方法，天线分为电调天线和机械天线。 电调天线采用机 械加电子方法下倾15° 后，天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明 显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆 盖面积缩小，但不会产生干扰，这样的方向图是我们需要的。 电调天线有两 种，一种是预设固定电气下倾角天线;另外一种是可以在现场根据需要进行 电气下倾角调整的天线，下面描述的是后一种电调天线。而机械天线下倾 15° 后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，虽 然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内， 在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，造成干扰。造成这种情况的原因 是：电调天线与地面垂直安装（可以选择0° ~5° 机械下倾），天线安装好 以后，在调整天线下倾角度过程中，天线本身不动，是通过电信号调整天线 振子的相位，改变水平分量和垂直分量的幅值大小，改变合成分量场强强度， 使天线的覆盖距离改变，天线每个方向的场强强度同时增大或减小，从而保 证在改变倾角后，天线方向图形状变化不大。而机械天线与地面垂直安装好 以后，在调整天线下倾角度时，天线本身要动，需要通过调整天线背面支架 的位置，改变天线的倾角，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线 垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图严重变形。因此电调天线 的优点是：在下倾角度很大时，天线主瓣方向覆盖距离明显缩短，天线方向 图形状变化不大，能够降低呼损，减小干扰。另外在进行网络优化、管理和 维护时，若需要调整天线下倾角度，使用电调天线时整个系统不需要关机， 这样就可利用移动通信专用测试设备，监测天线倾角调整，保证天线下倾角 度为最佳值。电调天线调整倾角的步进度数为0.1° ，而机械天线调整倾角的步进度数为1° ，因此电调天线的精度高，效果好。
　　电调天线安装好后，在调整天线倾角时，维护人员不必爬到天线安放处，可以在地面调整天线下倾角度，还可以对高山上、边远地区的基站天线实行远程监控调整。而调整机 械天线下倾角度时，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测， 机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳 下倾角度有一定的偏差。另外机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需 要维护人员在夜间爬到天线安放处调整，而且有些天线安装后，再进行调整 非常困难，如山顶、特殊楼房处。另外，一般电调天线的三阶互调指标为- 150 dBc，机械天线的三阶互调指标为-120 dBc，相差30 dBc，而三阶互调指标对消除邻频干扰和杂散干扰非常重要，特别在基站站距小、载频多的高 话务密度区，需要三阶互调指标达到-150 dBc左右，否则就会产生较大的干扰。

　　智能天线
　　随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信 技术引起人们极大关注。如何消除同信道干扰（CCI）、多址干扰（MAI）与多径 衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能 天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术（switched beam technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向， 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除 或抑制干扰信号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能 天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。
　　传统无线基站的最大弱点是浪费无线电信号能量，在一般情况下，只有很小 一部分信号能量到达收信方。此外，当基站收听信号时，它接收的不仅是有 用信号而且还收到其它信号的干扰噪声。智能天线则不然，它能够更有效地 收听特定用户的信号和更有效地将信号能量传递给该用户。不同于传统的时 分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入 了第四维多址方式：空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同 地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线 相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著 降低用户信号彼此间干扰。