PHS系统中的智能基站

    智能天线技术利用基带数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线主波束即最大增益点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，从而给有用信号带来最大增益，有效减少多径效应所带来的影响，达到对干扰信号删除和抑制的目的。使用自适应阵列天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域，提高系统容量，提高数据传输速率，提高频谱利用效率，降低基站发射功率，减少信号间干扰与电磁环境污染等。

1 智能天线

1.1 智能天线的阵列结构
    智能天线一般采用4～16天线阵元结构，阵列的方向图和阵元间距可看成滤波器在时域上的离散信号的幅度响应和取样周期。在时域，根据Nyquist采样定理，一个带限信号有最高频率，此信号由它的离散取样唯一决定，取样率等于或大于2倍最高频率。如果取样率小于2倍最高频率，则会出现重叠混淆。在空域，取样率对应于规范化的阵元间距的逆，最高频率对应于1。根据Nyquist采样定理，为避免空间混淆，阵列的阵元间距应该小于或等于载波的半波长。然而，阵元间距也不能任意小，因为两个靠得太近的阵元会有互耦效应。阵元间距应该有足够的距离以避免空间混淆并使互耦最小。在实际线阵中，阵元间距常保持在半波长。
    智能天线系统中阵元分布方式有直线形、圆环形和平面形等多种方式。智能天线采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。智能天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于有线传输的线缆，有效地克服了干扰对系统的影响。[1]
    虽然天线阵列是射频前端的重要设备，但智能天线技术的核心部分还在于基带处理部分。基带处理采用时域、空域或两者相结合的自适应算法，将自适应阵列天线接收到的信号进行加权合并，从而使信号与干扰噪声比最大。采用了智能天线技术的智能基站天线波束具有指向性，可以对通话用户进行波束指向，对干扰用户进行零陷波束处理，并自适应地调整波束方向来跟踪通话用户。

1.2 智能天线的技术优势
    智能天线具有如下技术优势：
    (1)抗衰落，减少多径效应
    采用智能天线控制接收方向，天线能自适应地在用户方向形成波束，并对接收到的信号进行自适应加权处理，使有用接收信号的增益最大，延迟波方向的增益最小，减小了信号衰落的影响。
    (2)抗干扰
    抗干扰技术的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入射角的无线电波，可调整控制天线阵单元的激励“权值”。智能天线的调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，将天线“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，提高系统可靠性。
    (3)增加系统容量
    自适应阵列天线另外一个好处是增加系统容量。首先，由于自适应阵列天线波束变窄，提高了天线增益及载干比(CIR)指标，减少了移动通信系统的同频干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率。使用智能天线后，不需要增加新的基站就可改善系统覆盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。其次，在TDD模式中自适应阵列天线可以带来很大的空分增益。
    (4)增加基站覆盖面积
    采用自适应阵列天线的基站由于改进了系统CIR和信干噪比(SINR)指标，同时对单个或某组用户的覆盖定向增强，可以大大提高蜂窝小区的覆盖面积，并使基站之间的距离可以更远。
    (5)提高频谱利用效率
    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缩短1倍或缩短数倍，且网络的服务质量不变。在此基础上，SDMA技术的应用，可以使得系统增加多达1倍的空分信道，使系统的总容量产生成倍的增加[2]。
    (6)提高通信的安全性
    通信技术中，在整个小区内都可以拦截用户的空中接口无线信号。由于自适应无线技术对某个特定用户形成的波束方向性很强，且可以跟随用户移动，这样就提高了窃听的难度，使采用自适应阵列无线技术后，通信的安全性得到大大增强。
    (7)实现移动台定位业务
在移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即可对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，从而计算出用户终端的方位。

2 PHS系统中的智能基站

2.1 基本原理
    智能基站由于采用了智能天线技术，因而，其天线波束具有指向性，即对通话用户可以进行波束指向，对干扰用户进行零陷波束处理。而非智能基站的天线不具有波束指向性，因此无法对通话用户进行波束指向，同时也无法对干扰用户进行抑制。PHS智能基站波束方向图如图1所示。

智能基站实现过程如图2所示。

    智能基站在基带信号处理部分的主要功能有：
    (1)上行链路
    对手机信号到达天线的方向进行估计，得出对应的波束权值，然后通过合适的智能算法对接收来的手机信号进行运算处理。
    (2)下行链路
    在对手机信号接收方向进行估计后，运用适当的算法将接收方向的信号特性参数转化为发信方向的特性参数，然后将该特性参数作用于发信部分，从而实现了数字波束的指向性[3]。在图2中有两个手机(PS)，PS1为通信用户，PS2为产生同频干扰信号的用户。
    对于上行链路，假设PS1的手机发送信号为ST1，PS2的手机发送信号为ST2，智能基站(CS)在4根天线ANT1、ANT2、ANT3、ANT4上收到的信号分别为x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)，则经过权值计算后的输出y(t )满足下述等式：

    在式(1)中hij为多径系数，N(t )为噪声。
采用自适应算法，可以使得：

    于是得到输出信号：y(t )=sT1(t )+N(t )，即干扰PS2被抑制。
对于下行链路，假设PS1的手机接收信号为sR1，PS2的手机接收信号为sR2，则期望用户PS1的信号sR1可以表示为：

    对于期望用户有∑wihi1=1，从而sR1(t )=s(t )+N1(t )。
干扰PS2的sR2可以表示为：

    由于干扰抑制特性，即∑wihi2=0，从而sR2(t )=N2(t )。
    总之，在通话手机PS1的方向上形成了指向性，在干扰手机PS2的方向上形成了零陷，这就是智能基站对干扰进行抑制的基本原理。

2.2 算法准则
    在智能天线算法实现中面临的是：输入阵列信号x，如何求一个权矢量w，使阵列信号经过加权输出一个标量y集中到某一个期望方向[4]。下面以恒模算法为例说明，在移动通信中，发射的信号是±1，波束形成输出的复信号模应是恒定的。根据这一信号特征，可以采用相应的目标函数用于搜索权矢量。
    假设以最小均方差作为代价函数，则：

J=E{|y(n )-d(n )|2}   (4)

    式(4)中y(n )=wH(n )x(n )，e(n )=d(n )-y(n )。
    则迭代公式：

w(n+1)=w(n )+μ(n )υ(n )     (5)

    式5中μ(n )为第n次迭代的更新步长，υ(n )为第n次迭代的更新方向。
    一般用估计值代替υ(n)=-2e(n)x(n)，则更新方向选取迭代公式

w(n+1)=w(n )-μx(n )e*(n )     (6)

式(6)中e(n )可以根据下式求得：

    在选择智能算法时，通常从如下几个方面考虑：
    (1)收敛率
    一个快速率的收敛能够很快适应一个未知统计特性的平稳环境。
    (2)跟踪性
    当自适应算法工作于不稳定的环境，算法需要跟踪环境的统计性能变化。
    (3)稳健性
    稳健性指当输入数据是病态时，算法能够很好工作的能力。
    (4)计算需求
    包括完成一次迭代所需要的运算量和存贮数据与程序所需要的存储器大小，以及程序对于处理器或DSP/FPGA等器件的需要投资等。

3 PHS智能天线的应用

3.1  PHS阵列天线
    PHS系统中的智能天线所使用的天线阵为4面立体结构，由4根对称排列的独立天线组成，每根天线包含4个基本振子。
    每根天线中的半波振子是由2节约4 cm(l/4)长的紫铜管组成，4个半波振子连接在一起，实现垂直方向信号的空间分集。各振子之间的间距l各不相同，形成不同下倾角天线，如5°、10°天线等等。水平位置错开的4根独立天线则实现水平方向的信号分集。水平方向振子间距为半波长的奇数倍，16个阵元共同形成菊花状阵列天线方向图。

3.2 并行连接工作方式
    通常PHS两个基站使用并联电缆捆绑连接，两个基站共用一个空中控制信道(CCH)，称为并行连接方式。这时，基站与系统之间的ISDN接口线分别连接到每一个基站(CS)，系统网管(NMS)定义这两个基站是捆绑的。基站有8根天线，天线分双层安装，基站可挂在支架上，也可放在地面的专用平台上。基站采用全向天线，根据实际覆盖情况，可选择不同的俯仰角。根据需要可加装避雷针。基站侧面进线，方便安装与观测。捆绑基站方式主要用于多数地区的信号覆盖及较高话务量的吸收，捆绑连接并不影响智能天线的工作方式。

3.3 提供分组型数据业务
    PHS智能基站可以为用户提供24小时在线无线分组数据业务，可建立与移动梦网类似的业务，当然用户需要支持分组数据的终端。
多个用户可同时分享基站提供的分组数据通道。支持分组数据的PHS(或专用)用户终端产生的业务信息，经基站和基站控制中心(CSC)处理后，通过传输设备与局端的数据业务设备连接，由数据业务设备提供相应业务。分组数据业务处理过程如图3所示。

3.4 智能基站的性能测试
    在设计过程中为验证智能基站的性能指标，除进行常规的电性能测试外，还必须做干扰抑制、方向性等测试。

    图4为业务信道(TCH)方向性测试连接方式。

    测试时，选定入射角度后固定权值，此时智能基站得到某一时刻的场强值，当然如果测试设备可以确定转台与定向天线之间的入射角度，则不需要转动转台来定入射角度，也就不需要场强值了；然后，启动监控计算机上转台测试软件，转台转动满一圈(360°)后，即可绘制出如图1所示的波束方向图。
    需要说明的是，为避免外界的干扰信号，测试最好在专业的微波暗室中进行。

4 结束语
    目前，随着在PHS系统中自适应阵列天线技术的日臻成熟，采用智能天线技术的PHS基站增加了一些优越性能：例如，输出功率增大，接收灵敏度增高，切换减少，通话质量提高，可支持高速移动，取得了帧同步，能通过网络下载实现基站软件的升级等。目前，全球已有数十万个PHS基站装备了自适应阵列天线，其优越的性能和良好的性价比得到运营商和用户的一致认可。

5 参考文献

    [1] Godara L C. Application of Antennas Array to Mobile Communications, Part Ⅰ: Performance Improvement, Feasibility and System Considerations [J]. IEEE, 1997,85(7): 1031-1059.
    [2] Liberti J C, Rapport T S. Smart Antenna for Wireless Communication: IS-95 and Third Generation CDMA Application [M]. Prentice Hall PTR, 1999.
    [3] Yasunori Akatsuka. Approach to Advanced PHS [J]. PHS MoU Group Newsletter, 2002, 41(10):23-26.
    [4] Communications Technology: MobileCommunication Terminals Add Convenience to Lifestyles [Z]. SANYO Electric Co., Ltd., 2002.

收稿日期：2003-10-02

[摘要] 文章介绍了智能天线技术基本原理，分析了PHS智能基站的实现方法，探讨了PHS智能基站的技术特点及应用方式。

[关键词] 智能天线；个人手持电话系统；智能基站；应用

[Abstract] The basic principle of PHS smart antenna technology is introduced, then realizing methods of adaptive array PHS base station are analyzed. Features and applications of adaptive array PHS base station are finally discussed.

[Keywords] smart antenna; personal handy-phone system; smart base station; application