智慧型天线及其在未来无线通讯系统的发展运用.PDF

智慧型天線及其在未來無線通訊系統的發展運用 林高洲 壹、 前言 隨著無線通訊需求的迅速發展，多媒體資訊交流的急遽增加， 下一世代的無線通訊技術將必需滿足高速率、高容量、高品質與高 彈性等運用需求，亟需藉助高效率的頻譜運用技術來支持，其中頻 譜勢必成為日益寶貴的資源之一；基此 考慮，無線通訊系統應特別 考慮到「無線接取 (Radio Access)能力」的提升，期能達到最佳的頻 譜運用效率；在諸多的技術發展中，智慧型天線 (Smart Antenna)技 術即為一提升頻譜資源效率、系統容量和通訊品質的有效途徑。 基於智慧型天線技術已蓬勃發展的運用於現有通訊系統中，並 即將廣泛納入未來不同無線通訊系統規範中之考量 ，本文除將扼要 介紹智慧型天線技術的原理、功能、特色外，並將進一步說明智慧 型天線在未來無線通訊系統的研製運用與發展 趨勢，期能使讀者能 充分瞭解「智慧型天線技術」在無線通訊統運用之重要性，並能有 效掌握其未來發展趨向。 貳、 智慧型天線的基本概念 智慧型天線之概念 [1-5]源自於適應性天線陣列 (Adaptive Antenna Array)[6] ，最初是應用於雷達、聲納和軍事通訊領域，近年來由於 數位訊號處理技術的迅速發展、 IC 處理速度的提高和價格的普及， 使得智慧型天線技術在商用無線通訊 系統中的運用可能性大幅提 高。所謂智慧型天線，可視為一種充分利用空間資源進行訊號品質 1 提升、干擾抑制或消除( )及適應性波束調整的機制。其最初的運用 模式是利用天線陣列提供之天線增益 (Antenna Gain)用以提升訊號雜 訊比 (SNR) ；而為對抗無線通道的多路徑衰落現象，亦可利用天線陣 列進行空間分集 (Spatial Diversity) ，以獲得分集增益(Diversity Gain) ；另一種更具智慧的方式是利用訊號方向性之波束形成 (Beamforming)技術，它能運用具自我適應、調整功能之演算法驅動 陣列天線，使之產生特定的波束形狀， 將主波束對準目標訊號用以 強化接收品質，同時調整零陷 (Null)點，使之對準干擾訊號用以抑制 或消除( ) 干擾，從而達到增加系統容量、擴大涵蓋面和提高傳輸率 的多重目的（如圖一）。 基地台 圖一： 智慧型天線 (Smart Antenna)運用示意 值得一提的是，智慧型「 Smart 」能力並非來自天線本身，而在 於藉由巧妙的基頻或包括中頻( 數位訊號處理) (Digital Signal Process, DSP)演算法，有效執行無線通道估計、訊號判別、分集、等化、耙 狀接收等工作，最終是產生一個能極大訊號對干擾雜訊比 (Signal-to- Interference-Plus-Noise Ratio, SINR) ，或極小BER的空時場型。 2 智慧型天線技術藉由空間自由度之引入，提供一個可受控制的 空間多重進接(Spatial Division Multiple Access, SDMA)能力（如圖 二） [1-2] 。SDMA的主要效果在壓抑共通道干擾 (Cochannel Interference) ，可在不影響通訊品質的前提下提升系統容量，或在不 改變系統容量的前提下提升通訊品質 。傳統使用之固定扇形區分 (Sectorization)通常可提升少許容量或通訊品質，但在引進智慧型天 線後，改善程度可大幅提高，其原因是智慧型天線不僅能有效地消 除干擾，同時也能對目標訊號提供較大的增益。未來， SDMA的終 極理想目標是希望能達到每一用戶與基地台之間，均有一專屬的波 束做為其上下鏈結之通道，而不同用戶 之波束經由特殊設計後，具 有不相互干擾之特性（如圖一）。