智慧型天線之基本概念

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波束形成的功能是為了要接收空間中特定角度的訊號同時削減其它方向的 干擾，形成波束(beam)就像是專門接收空間中特定方向的入射能量。一般的天線 系統在接收空間中傳遞的訊號經常會遭遇到干擾訊號的影響，干擾源通常來自空 中不同的方位，這時分割空間就可以將訊號抽取出來。波束形成理論可以計算空 間中訊號的來源角度，調整每根天線各自所對應的權值(weighting)，利用波束 形成器可以將天線所接收到的訊號資料與權值相乘，這樣就可以得到空間濾波的 效果，所以波束形成器可以視為空間濾波器。

2.3 智慧型天線之基本概念

智慧型天線系統的定義如下[1]：「智慧型天線是由一組採特定幾何排列形 式的天線元件所組成，利用切換式、掃描式或適應性的方式控制主動性元件達成 改變無線電波輻射的場型，具有提升訊號干擾比、服務區域範圍、通道容量等系 統操作參數的功能。」

最初智慧型天線技術主要應用於雷達、聲納、軍事用途等，用來完成空間濾 波和定位等，90年代以來，陣列信號處理技術逐漸被引入無線通訊領域。

智慧型天線系統是利用波束形成的原理以達到空間分隔多工的概念，可用來 做為有效傳送及接收信號能量，進而增加通道容量和提高通訊品質的目標。如圖 2.6所示，基地台利用一組天線陣列傳送信號，透過形成不同的波束將個別用戶 訊號傳送指向給不同方位的使用者，利用空間分隔多工存取的特性提升系統的通

道容量。不同於單一天線使用全向性的傳輸模式，使用固定的傳送方向除了可讓 接收端接收到最大的能量之外，同時也會對其它接收設備產生較小的干擾。相同 地在接收端也可以藉由波束形成的技巧，將波束指向能接收最大傳輸功率的方向 藉此提高接收能量，同時可以抑制落於該窄波束以外的干擾信號源，達到最大的 訊號干擾雜訊比(maximum signal-to-interference-plus-noise ratio，MSINR)。

圖2.6 傳送端波束形成(beamforming)示意圖

2.3.1 智慧型天線對系統的改善及主要用途

智慧型天線系統利用控制主動元件來改變電波輻射場型，除了增加發射效 率、系統涵蓋範圍及達到改善通訊品質的優點外，藉由空間分隔多重進接存取 (Space Division Multiple Access，SDMA)的概念可以達到系統通道容量的增 加。此外智慧型天線系統也可以改善由多重路徑衰減(multipath fading)所造成 的影響，下面將對各項智慧型天線的優點加以描述與分析：

z 有效發射和接收傳送功率

由於智慧型天線不同於全向性天線(omni-directional antenna)，它具有在 特定方向上形成較大的天線增益之特性，因此在相同細胞(cell)大小條件之下，

基地台可以降低發射機的功率。倘若行動用戶端能同時使用智慧型天線架構，亦 能增加對傳送訊號功率的接收。

z 增加系統涵蓋範圍

使用傳統單一全向性天線之系統，在傳送信號時會對360^o進行全方位傳送，

因此容易造成功率的浪費。而智慧型天線系統只對使用者所在的特定方位進行傳 送，因此在相同發射功率的條件下，使用者能在較遠的距離接收到由基地台所發 射的訊號，使得基地台的服務區域擴大而增加系統的涵蓋範圍。

z 改善通道容量及頻譜再使用率

在無線通訊系統中如何改善通道容量以及有效利用頻譜資源是個重要的議 題。在不降低通訊品質為前題之下，增加用戶數量可以提高頻譜使用率，使得通 道容量越大且頻譜使用效率越高，亦即增加通道容量可以使更多用戶以相同的資 料傳輸速率進行通訊，進而增加頻譜使用效率。利用智慧型天線波束形成技術，

系統的操作功率比傳統系統低，可增加載波干擾比(carrier-to-interference ratio，CIR)。此外利用空間分隔多重進接存取的技術能提高通道頻譜的再使用 率，進而增加系統容量。

z 降低多重路徑衰減的影響

由於電波的多重路徑傳播特性，將造成接收天線所收到的信號為各路徑成份 的加成，而每個路徑成份則會因其傳播路徑長度、遮蔽物特性等不同因素影響，

造成其振幅大小、訊號相位、到達時間、到達方向等的變化。智慧型天線系統可 使用波束形成技術來抑制多重路徑成份，進而減少因多重路徑效應所造成的影 響。智慧型天線會依據使用者所在位置產生一特定方向的窄波束來傳遞訊號，因 此基地台將傳送方向較集中且功率較大的信號，而其它方向則會因為波束場型 (beam pattern)的限制而降低其傳送功率，利用此多重路徑消除(multipath cancellation)方式，可使得接收端在接收信號時能減少多重路徑數目及有效降 低路徑延遲效應。

z 提升通訊品質

在通訊系統中，分析通訊品質的方法通常是在一定訊雜比的條件下分析位元 錯誤率(bit error rate，BER)或符元錯誤率(symbol error rate，SER)，或是 在一定的位元錯誤率或符元錯誤率條件下比較訊雜比的需求。一般來說，增加通 訊品質的做法是利用提高訊雜比的方式來達到所要求的位元錯誤率或符元錯誤 率。智慧型天線系統可利用其所產生之特定波束場型來提升接收端對功率的接 收，此外在傳送端使用智慧型天線可以在不增加發射功率的前題下增加訊雜比，

同時有效控制傳送方向降低對其它鄰近細胞的用戶所造成同頻干擾(cochannel interference，CCI)問題，提高訊號干擾比而達到提升通訊品質的目的。