Антенные технологии в мобильной связи

2021-10-11 www.whwireless.com

Приблизительно 10 минут на чтение

В антенна является незаменимым компонентом мобильной связи и играет очень важную роль, он расположен между приемопередатчиком и пространством распространения электромагнитных волн и обеспечивает эффективную передачу энергии между ними. Путем разработки характеристик излучения антенны можно управлять пространственным распределением электромагнитной энергии, чтобы улучшить использование ресурсов и оптимизировать качество сети. Интеллектуальная антенна стала горячей точкой в ​​недавних международных исследованиях мобильной связи, особенно в связи с развитием 3G.

A, мобильная антенна с использованием ключевой технологии

⒈ симметричный генератор и антенная решетка

Форма антенны, используемая в текущем мобильная связь является в основном линейной антенной, то есть длина излучающего тела антенны l намного больше ее диаметра d. Линейная антенна основана на симметричном генераторе. Когда длина волны, определяемая изменением частоты высокочастотного тока через провод, намного больше, чем длина провода, можно считать, что амплитуда и фаза тока на проводе одинаковы, только его значение с Время t для синусоидальных изменений, этот короткий провод называется токовым элементом или диполем Герца, он может использоваться как независимая антенна или стать сложным антенным компонентом. Сложное электромагнитное поле антенны в космосе можно рассматривать как результат итеративного сложения электромагнитных полей, генерируемых множеством токовых элементов. Излучаемая мощность токового элемента - это среднее значение электромагнитной энергии, излучаемой наружу через сферу за единицу времени. Энергия излучаемого поля больше не будет возвращаться источнику волны, поэтому это потеря энергии для источника. Вводя понятие схемы, мы используем эквивалентное сопротивление для выражения этой части излучаемой мощности, тогда это сопротивление называется сопротивлением излучения, сопротивление излучения текущего элемента составляет:

RΣ = 80π2 (l / λ) 2 (l)

Диаграмма направленности текущего элемента может быть получена путем интегрирования расчета. Когда l / λ <0,5, по мере увеличения l / λ карта направлений становится резкой и имеет только основной закрылок, который перпендикулярен оси осциллятора; когда l / λ> 0,5, появляется вторичный лоскут, а по мере увеличения l / λ исходный вторичный лоскут постепенно становится основным, в то время как исходный основной лоскут становится вторичным лоскутом; при l / λ = 1 основная заслонка исчезает. Это изменение направленности в основном вызвано изменением распределения тока на осцилляторе.

Несколько симметричных генераторов объединены в антенную решетку. Согласно симметричному расположению осциллятора, антенная решетка могут быть разделены на линейный массив, плоский массив и трехмерный массив и т. д., разные устройства имеют разные коэффициенты массива. В соответствии с принципом направленного умножения, используя тот же симметричный осциллятор, что и антенная решетка единичной антенны, при условии, что положение выравнивания или фаза подачи, вы можете получить разные характеристики направленности. Мобильная связь в всенаправленная антенна с высоким коэффициентом усиления базовой станции представляет собой генератор для коаксиального расположения, сжатия вертикальной поверхности ширины луча и энергии излучения, сконцентрированной в направлении, перпендикулярном генератору, для улучшения усиления антенны.

В характеристики направленности антенны и усиление

Характеристики направленности антенны можно использовать для описания диаграммы направленности, но число, выражающее концентрацию электромагнитной энергии излучения антенны, часто используется коэффициент направленности D. Он определяется как: при той же мощности излучения, направленная антенна в максимальное направление излучения в дальней зоне точки плотности потока мощности (единица площади через мощность электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля) и отсутствие направленной антенны в точке плотности потока мощности. плотность соотношения.

И поскольку потери самой антенны очень малы, можно считать, что мощность излучения антенны мала, можно считать, что мощность излучения в мире равна входной мощности, то есть эффективность антенны η = 100%, тогда антенна усиление G = η - D = D, то есть усиление антенны и коэффициент направленности антенны по значению равны.

Чтобы улучшить коэффициент усиления антенны, в случае сохранения тех же характеристик излучения в горизонтальной плоскости, в основном полагаются на уменьшение ширины заслонки излучения в вертикальной плоскости. Изменение длины вибратора на усиление очень ограничено, антенная решетка в настоящее время является основным средством достижения высокого усиления. Линейный массив - самый простой и практичный всенаправленная антенная решетка , в соответствии с осью вибратора на той же оси, в соответствии с определенным интервалом расстояния, чтобы расположить ряд излучения осциллятора, может находиться в плоскости, перпендикулярной оси усиленного поля излучения. Однако для получения наилучших результатов необходимо правильно выбрать интервал между генераторами и фазой подачи. В качестве излучателя может использоваться полуволновой генератор или в горизонтальной плоскости всенаправленная производительность других источников излучения, таких как сложенный генератор или различные коаксиальные антенны и т. Д. Антенная решетка с общей осью - это базовая станция, обычно используемая антенна с высоким коэффициентом усиления , для этого требуется, чтобы блок излучения имел одинаковую амплитудную и фазовую подачу, подачу и последовательную подачу двух видов подачи. Еще одна всенаправленная антенна с высоким коэффициентом усиления - это ряд направленные антенны ориентированы в разные стороны, образуя приближение всенаправленного излучения. Однако, когда антенна должна быть установлена ​​в средней части большой башни, направленность коаксиальной антенной решетки будет нарушена из-за влияния отражения башни, когда направленная антенная решетка, разумно расположенная вокруг башни, может решите эту проблему. Что еще более важно, когда частотное мультиплексирование в система сотовой связи, направленная антенна может лучше уменьшить одинаковые и соседние частотные помехи и повысить скорость частотного мультиплексирования. Отражатель с углом 120 ° или плоский отражатель с углом 120 ° можно использовать в ячейке сектора 120 °, отражатель с углом 60 ° можно использовать в ячейке сектора 60 °.

Всенаправленная антенна обычно используется для сетей с меньшим количеством мобильных пользователей или для областей с меньшей плотностью пользователей, таких как пригороды, сельские районы и т. Д., Ее горизонтальная направленность должна составлять 360o, ширина луча по вертикали с половинной мощностью в соответствии с усилением антенны может иметь 13o или 6,5o. направленная антенна обычно используется для областей с более высокой плотностью мобильных пользователей, таких как город, вокзал, коммерческий центр и т. д., его горизонтальная половина мощности Ширина луча обычно 65o, 90o, 105o, 120o, вертикальная ширина луча половинной мощности в соответствии с усилением антенны может иметь 34o, 16o или 8o и т. Д.

Использование технологии разнесения для улучшения усиления

Из-за плохой среды распространения беспроводной сигнал вызовет замирание по глубине, доплеровский сдвиг и т. д., так что уровень приема снижается до близкого уровня теплового шума, фаза также вызывает случайные изменения во времени, что приводит к ухудшению качества связи. В связи с этим мы можем использовать технологию разнесенного приема, чтобы уменьшить влияние замирания, получить разнесение и улучшить чувствительность приема. Разнесенная антенна имеет пространственное разнесение, разнесение по направлениям, разнесение поляризации и разнесение компонентов поля. Пространственное разнесение - это использование нескольких приемных антенн для достижения. На передающей стороне используется пара антенн для передачи, а на приемной стороне используется несколько антенн для приема. Расстояние между антеннами на приемном конце d ≥ λ / 2 (λ для рабочей длины волны), чтобы характеристики затухания выходного сигнала приемной антенны не зависели друг от друга, то есть когда выходной сигнал приемная антенна очень низкий, выход других приемных антенн не обязательно в этот же момент также появляется явление низкой амплитуды, с помощью соответствующей схемы слияния, чтобы выбрать амплитуду сигнала, наилучшее отношение сигнал / шум на всем пути, чтобы получить амплитуда сигнала и отношение сигнал / шум выбираются соответствующей схемой объединения для получения полного выходного сигнала приемной антенны. Это снижает эффект замирания канала и повышает надежность передачи. Этот метод используется в системах мобильной связи с аналоговым частотным разделением каналов (FDMA), цифровых системах с временным разделением каналов (TDMA) и системах с кодовым разделением каналов (CDMA).

Преимуществом приема с пространственным разнесением является высокий выигрыш от разнесения, но недостатком является то, что отдельная приемная антенна требуется для. Чтобы преодолеть этот недостаток, в последние годы и начали производство направленных антенн с двойной поляризацией. В мобильной связи две расположенные в одном месте с направлением поляризации, ортогональные друг другу антенны, излучаемые сигналом, демонстрируют взаимно некоррелированные характеристики замирания. Используя эту функцию, в одном и том же месте в передатчике с вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией две пары передающих антенн, в том же месте в приемнике с вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией две пары приемных антенн, вы можете получить две Характеристики замирания на дороге поляризационной составляющей Ex и Ey не связаны. Так называемая направленная антенна с двойной поляризацией - это две пары приемных антенн с вертикальной и горизонтальной поляризацией, интегрированные в физический объект, через поляризацию разнесения приема для достижения эффекта приема с пространственным разнесением, поэтому разнесение поляризации на самом деле является особым случай пространственного разнообразия. Преимущество этого метода заключается в том, что для него требуется только одна антенна, которая компактна и экономит место. Недостатком является то, что его эффект разнесенного приема ниже, чем у пространственного разнесения. приемные антенны , и поскольку мощность передачи должна быть распределена между двумя антеннами, это приведет к потере мощности сигнала 3 дБ.

Выигрыш от разнесения зависит от некоррелированных характеристик антенн базовой станции и достигается за счет разделения положений антенн в горизонтальном или вертикальном направлении. Разделение пространственного местоположения гарантирует, что две приемные антенны принимают сигналы мобильной станции с разных путей, а также обеспечивает соответствие этих двух антенн требованиям определенной степени изоляции. Если используются кросс-поляризационные антенны, необходимо соблюдать те же требования к изоляции. Для поляризационного разнесения антенны с двойной поляризацией ортогональность антенны в двух источниках кросс-поляризационного излучения является основным фактором для определения выигрыша от разнесения восходящего беспроводного сигнала. Выигрыш от разнесения зависит от того, обеспечивают ли два источника излучения с кросс-поляризацией в антенне с двойной поляризацией одинаковую напряженность поля сигнала в одной и той же зоне покрытия. Два кросс-поляризованных источника должны иметь хорошие ортогональные характеристики и поддерживать хорошие характеристики горизонтального слежения по всему сектору 120 ° и переключаемое перекрытие, заменяя охват, достигаемый антенной с пространственным разнесением. Наиболее кросс- поляризованные антенны имеют хорошие электрические характеристики в направлении основной створки диаграммы поля антенны, но для антенны базовой станции также требуется поддерживать хорошие характеристики кросс-поляризации на краю соты и в пределах переключаемого перекрытия. Чтобы получить эффект покрытия, антенна должна иметь высокое разрешение кросс-поляризации во всем диапазоне секторов. Антенна с двойной поляризацией во всем секторе ортогональных характеристик, то есть некоррелированный сигнал порта приемной антенны с двумя разнесениями, определяет общий эффект разнесения антенны с двойной поляризацией. Чтобы получить хороший сигнал с некоррелированными характеристиками в антенне с двойной поляризацией двух приемных портов, изоляция между двумя портами обычно требует более 30 дБ.

Разнесенная антенна разделяет многолучевые сигналы так, чтобы они не коррелировались друг с другом, а затем разделенные сигналы объединяются с помощью методов комбинирования, чтобы получить максимальное усиление отношения сигнал / шум. Обычно используемые методы слияния - это выборочное слияние, слияние с переключением, слияние с максимальным коэффициентом усиления, слияние с равным усилением и т. Д., Эта статья не будет подробно обсуждаться.

Во-вторых, интеллектуальная антенная технология

⒈ традиционные ограничения антенны

В последние годы, с постоянным развитием коммуникационных потребностей, технология интеллектуальных антенн стала в центре внимания, она помогает операторам беспроводных сетей достичь 2 очень важных целей: улучшить более высокую скорость передачи данных и увеличить пропускную способность сети. В сетях GPRS, EDGE и 3G операторы начинают использовать беспроводные сети, чтобы предлагать своим абонентам услуги пакетной передачи данных. Как и в случае с голосовыми услугами, услуги передачи данных также требуют определенного качества радиосигнала для достижения требуемой скорости передачи, которая зависит от отношения несущей к помехе (C / I) сети. Низкое отношение C / I серьезно повлияет на скорость передачи и качество обслуживания; на средней и поздней стадиях Сеть GSM пропускная способность системы увеличивается, ячейки разделяются, и последующее увеличение помех препятствует дальнейшему увеличению пропускной способности системы, поэтому традиционных всенаправленных и направленных антенн уже недостаточно. Интеллектуальные антенны используют технологию цифровой обработки сигналов для генерации пространственно направленного луча, предоставляя каждому пользователю узкий направленный луч, так что сигнал передается и принимается в эффективной направленной области, полностью используя эффективную мощность передачи сигнала и уменьшая электромагнитное загрязнение и взаимные помехи, вызванные всенаправленным излучением сигнала, таким образом улучшая отношение несущей к сухому, а также с улучшенным отношением несущей к сухому, более высокими скоростями передачи данных и большей пропускной способностью сети.

Помехи являются важным фактором ограничения производительности и пропускной способности сотовых систем, вызывая перекрестные помехи, потерю вызовов или ухудшение сигнала вызова и отвлечение пользователя, и, что наиболее важно, они ограничивают жесткость рабочих частот многократного использования и, следовательно, степень пропускной способности трафика. может быть извлечен из фиксированного радиочастотного спектра. Помехи могут исходить от другого мобильного терминала, других сотовых станций, работающих на той же частоте, или утечки внеполосной радиочастотной энергии в выделенный спектр. Наиболее распространенными типами сотовых помех являются помехи в совмещенном канале и помехи в соседнем канале. Помехи в совмещенном канале вызываются излучениями из несмежных ячеек, использующих одну и ту же частоту. Эти помехи наиболее заметны вблизи границы соты, когда физическое разделение от соседних сот, использующих ту же частоту, находится на самом низком уровне. Помехи в соседнем канале вызываются утечкой из соседних ячеек, использующих ту же частоту для пользовательского канала. Это происходит в соседних каналах, где пользователь работает в непосредственной близости от приемника телефонного абонента или где сигнал пользователя значительно слабее, чем сигнал пользователя соседнего канала. Для пользователя более высокое отношение C / I означает меньшие помехи, меньше прерванных вызовов и улучшенное качество звука; для оператора более высокое отношение C / I позволяет передавать сигналы на большее расстояние и более жесткое частотное мультиплексирование, тем самым увеличивая пропускную способность всей системы.

Многолучевая интеллектуальная антенна Peal

Интеллектуальная антенна представляет собой антенную решетку, она состоит из N антенных блоков, каждый антенный блок имеет M наборов весов, может формировать M различных направлений луча, количество пользователей M может быть больше, чем количество антенных блоков N. По форме используемой карты направления антенны интеллектуальную антенну можно разделить на 2 категории: многолучевая антенна и адаптивная антенная решетка.

Многолучевые антенны используйте несколько параллельных лучей для покрытия всей пользовательской области, причем каждый луч указывает в фиксированном направлении, а ширина луча зависит от количества элементов в массиве. Когда пользователь перемещается по соте, базовая станция выбирает другой луч соответственно, чтобы полученный сигнал был самым сильным. Однако, поскольку его лучи не направлены произвольно, они могут быть только частично согласованы с текущей средой передачи. Когда пользователь находится не в центре фиксированного луча, а на краю луча, а сигнал помехи находится в центре луча, эффект приема является наихудшим, поэтому многолучевая антенна не может достичь наилучшего прием сигнала. Однако по сравнению с адаптивной антенной решеткой он имеет преимущества простой конструкции, отсутствия необходимости судить о направлении прихода пользовательских сигналов и быстрого времени отклика. Что еще более важно, тот же луч восходящей линии связи также может использоваться для нисходящей линии связи, обеспечивая, таким образом, усиление и по нисходящей линии связи. Однако из-за искажения сектора, такого как разница в диаграммах направленности между лучами, усиление, получаемое многолучевой антенной, неравномерно распределено по углу. Иногда разница между лучами может достигать 2 дБ, а также существует вероятность того, что они заблокируют неправильный луч из-за многолучевого распространения или помех, поскольку они не могут подавить мешающие сигналы, которые находятся в том же луче, что и полезный сигнал. Многолучевые антенны, также известные как антенны с переключением лучей, на самом деле можно рассматривать как метод между секторальными направленными антеннами и полностью адаптивными антеннами. Многолучевая антенна заслуживает изучения следующего содержания: как разделить воздушное пространство, то есть определить проблему луча, в том числе по количеству и форме; реализация отслеживания луча, в основном, относится к реализации алгоритмов быстрого поиска и т.д .; Теоретическая взаимосвязь коммутации луча и адаптивного формирования луча и т. д.

Адаптивная антенная решетка

Адаптивная антенная решетка (Adaptive Antenna Array), первоначально использовавшаяся в радарах, гидролокаторах, военных, в основном использовалась для завершения пространственной фильтрации и позиционирования, например, радар с фазированной антенной решеткой представляет собой относительно простую адаптивную антенную решетку. Адаптивная антенна - это антенная решетка, которая непрерывно регулирует свою собственную карту направленности посредством управления с обратной связью. Его карта направления похожа на карту амебы, которая не имеет фиксированной формы и изменяется в зависимости от сигнала и помех. Обычно используется структура элементов антенной решетки 4 ~ 16, расстояние между элементами массива 1/2 длины волны, интервал слишком велик, степень корреляции каждого принятого сигнала уменьшается, интервал слишком мал, образует ненужный вспомогательный клапан на карте направленности. Интеллектуальная антенна использует технологию цифровой обработки сигналов (DSP) для определения направления прихода пользовательского сигнала и формирования главного луча в этом направлении для создания пространственного канала. Поскольку адаптивная антенна может формировать различные карты направленности антенны и может быть обновлена ​​с помощью программного обеспечения для завершения адаптивного алгоритма и адаптивной настройки карты направленности, она может повысить гибкость системы без изменения конфигурации аппаратного обеспечения системы, поэтому она также известна как программная антенна. Недостатком адаптивной антенной решетки является более сложный алгоритм и более медленный динамический отклик.

Ядро адаптивная антенна Исследование адаптивного алгоритма, было предложено много известных алгоритмов, в общем, есть две категории неслепых алгоритмов и слепых алгоритмов. Неслепой алгоритм - это алгоритм, который должен использовать опорный сигнал (последовательность ведущей частоты или канал ведущей частоты), в это время приемник знает, что отправлено, обработка алгоритма сначала определяет отклик канала, а затем в соответствии с определенными критериями, такие как оптимальный критерий принудительного обнуления (принудительное обнуление) для определения значения взвешивания или непосредственно в соответствии с определенными критериями для определения или постепенной корректировки значения взвешивания, чтобы обеспечить выход интеллектуальной антенны и известную максимальную корреляцию входного сигнала. Критериями корреляции являются MMSE (минимальная среднеквадратичная ошибка), LMS (наименьшая среднеквадратичная ошибка) и LS (наименьшие квадраты). Слепые алгоритмы не требуют передатчик для передачи сигнал с известной частотой, алгоритм обратной связи решения (Decision Feedback) - это особый тип слепого алгоритма, приемник оценивает отправленный сигнал и использует его в качестве опорного сигнала для вышеупомянутой обработки, но следует отметить, что сигнал решения и Фактический сигнал передается между небольшой ошибкой. Слепые алгоритмы обычно используют свойства, присущие самому модулированному сигналу, независимо от конкретных битов передаваемой информации, и обычно основаны на различных алгоритмах на основе градиента, использующих разное количество ограничений. Неслепые алгоритмы обычно менее подвержены ошибкам и сходятся быстрее, чем слепые алгоритмы, но они требуют определенного количества потраченных впустую системных ресурсов. Сервисный канал мультиплексирования с временным разделением каналов.

Следует отметить, что интеллектуальная антенна использует беглый луч для восходящего сигнала каждого пользователя, но когда пользователь не передает, только в состоянии приема и перемещается в зоне покрытия базовой станции (состояние ожидания), база станции невозможно узнать местоположение пользователя, она может использовать только всенаправленный луч для передачи (например, синхронный, широковещательный, пейджинговый и другие физические каналы в системе), то есть базовая станция должна иметь возможность обеспечивать всенаправленный и направленный беглый луч. Это требует гораздо более высокой мощности передачи для всенаправленных каналов, что необходимо учитывать при проектировании системы.

Пение примеров умная антенна Приложения

Некоторые интеллектуальные антенны уже используются в коммерческих целях, например, интеллектуальная антенная система SpotLight GSM от Metaware в США, которая с хорошими результатами использовалась Shanghai Unicom, заменив 120 ° секторная антенна с четырьмя 30 ° антенны. Система основана на запатентованном алгоритме выбора оптимального луча для преобразования передающего и принимающего лучей. Радиочастотная энергия передается в нисходящем направлении в назначенных 30 ° луч на каждом временном интервале вместо всего 120 ° сектор, поэтому внутриканальные помехи в соседних сотах значительно уменьшаются. Точно так же открытый луч для приема внутриканальных помех эффективно уменьшается со 120 ° до 30 °. Это эффективно снижает внутриканальные помехи в 4 раза для 30 ° антенна по сравнению с одиночной 120 ° секторная антенна , что теоретически эквивалентно увеличению C / I на 6 дБ. Это усиление приводит к улучшению как восходящей линии связи (телефонная трубка-базовая станция), так и нисходящей линии связи (базовая станция-мобильный телефон) канала связи.

улучшены. На стороне восходящей линии связи отношение несущей к сухой для ячеек с интеллектуальными антенными системами увеличивается, в то время как на стороне нисходящей линии увеличивается отношение несущей к сухой ячеек в том же частотном диапазоне, которые уже были видны. SpotLight GSM выполняет преобразование луча без дополнительной связи с базовой станцией, поэтому установка системы SpotLight GSM не увеличивает коммуникационную нагрузку на базовую станцию. Фактически, нагрузка на процессор базовой станции снижается из-за меньшего количества недействительных тестовых вызовов и повторного набора из-за помех или плохого покрытия. Кроме того, было обнаружено, что в сотах, где использовалась интеллектуальная антенна, не только эффективно улучшилась пропускная способность сети и качество в сотах, но и средняя принимаемая и передаваемая мощность мобильных телефонов в сотах снизилась на 2-3 дБ, особенно мощность передачи мобильных телефонов, которая снизилась до 54% ​​от исходного уровня, а процент мобильных телефонов, передающих на полной мощности, снизился с 22% до 8%. прожектор GSM Умный За счет уменьшения мощности передачи и приема мобильных телефонов антенна уменьшает излучение электромагнитных волн от мобильных телефонов на человеческое тело, а за счет повышения пропускной способности и качества сети сокращает количество новых базовых станций, устанавливаемых в сети. ячейка, поэтому она известна как «зеленая антенна».

В-третьих, вывод

Как важная часть мобильной связи, антенна играет огромную роль в улучшении производительности и качества сети. Антенная технология быстро развивается, технология разнесения антенн является важным средством повышения эффективности системы, режим разнесения имеет пространственное разнесение и поляризационное разнесение и т. Д .; для удобства конструирования и обслуживания имеется электрически регулируемый угол наклона угловая антенна ; Чтобы гарантировать, что карта направления мира не деформируется и не искажается, разработка встроенной антенны угла наклона. Интеллектуальная антенна, особенно в последние годы, представляет собой направление развития технологии антенн мобильной связи, она показала большие преимущества в практическом применении, но необходимы дальнейшие исследования и улучшения для увеличения скорости отклика при назначении луча и переключении.

www.whwireless.com