天線微型化助攻　智慧天線跨入可攜式裝置

隨著行動通訊技術的頻寬迅速成長，越來越多用戶開始利用行動網路傳輸多媒體資訊，行動通訊業者如中華電信等亦開始利用3G與高速下鏈封包存取(HSDPA)網路提供影像串流服務，以增加平均每戶貢獻值(ARPU)。在電信業者主動提倡，以及消費者已經養成在網路上觀賞多媒體內容的使用習慣交互作用下，未來行動通訊網路中勢必將充斥更多影音資料封包。然而，不管在網路上觀賞如YouTube等視訊網站上的影片，還是透過行動網路收看視訊串流節目，都會對網路資料傳輸速率、網路容量、服務品質(QoS)及頻寬配置帶來嚴苛的考驗。  

為了確保用戶的滿意度，電信業者進行網路布建時，除了必須提升基地台系統的封包處理能力及回程線路頻寬外，亦須將充滿不確定性因素的空中介面納入通盤考量。具備因應射頻環境變化做出適應性調整能力的智慧型天線技術，由於具備視現場射頻環境變化而做出對應調整的能力，因而成為確保通訊品質的有效途徑之一。  

此外，由於波束成型(Beam Forming)等技術的導入，使得採用智慧型天線技術的基地台設備涵蓋範圍往往比採用傳統全指向性天線更廣，因此，若要在地廣人稀的區域部署基地台時，智慧型天線更將成為電信業者樽節網路營運成本支出的有效技術。  

然而，導入智慧型天線並不是基地台等大型設備的專利。隨著天線持續微型化，越來越多可攜式裝置與消費性產品也開始導入多重天線架構，如支援802.11n無線區域網路的筆記型電腦與家用無線網路接取點等設備。  

展望未來，由於長程演進計畫(LTE)與全球微波存取互通介面(WiMAX)皆已明確地將支援多重天線架構納入技術演進規畫，可攜式裝置採用智慧型天線技術似乎已成大勢所趨。  

多重天線普及為智慧型天線奠定基礎  

智慧型天線原本應用於雷達、聲納等軍用通訊系統，其硬體基礎建立在天線陣列(Antenna Array)等多重天線架構上。採用多重天線組成天線陣列可以獲得更高的天線增益效果，進而提供額外的訊噪比(SNR)以對抗無線通道必然出現的多重路徑衰退(Multi-path Loss)現象，進而獲得更穩定的訊號品質。除了天線增益之外，採用多重天線亦可實現空間分集(Spatial Diversity)，亦即以多重通道獨立接收同一個訊號，最後再將來自不同通道所接收的資訊整合成一個接收結果。由於多重通道同時受到零陷(Null)點干擾的機會微乎其微，因此從接收端的觀點來看，這種接收方式可以獲得額外的增益效果，此一效果稱為分集增益。  

隨著多重天線技術更為成熟，研究人員開始利用無線射頻的訊號指向性，進而演化出波束成型技術。這種先進天線技術與其他天線陣列技術不同，早期天線陣列所能獲得的增益效果是透過增加天線數量而達成的，但波束成型技術則可在天線數量固定的情況下，透過演算法的幫助來動態調整驅動天線的方式，進而產生特定的波束形狀，並將主波束對準訊號接收端發射，藉以提升訊號接收品質。更先進的波束成型技術甚至可利用原本會對通訊傳輸造成干擾的零陷點來提升通訊品質，例如調整零陷點，使之對準干擾訊號並將之中和掉，進而達成提升系統容量、擴大訊號涵蓋範圍等設計目標。  

從智慧型天線的演進過程可知，智慧型天線的定義相當混雜，如多重輸入多重輸出(MIMO)架構可算是智慧型天線的一種，波束成型技術則是智慧型天線技術演化的另一個支派，且這兩種天線技術均已大量導入消費性通訊設備中，如802.11n便將MIMO技術列為標準；無線區域網路晶片大廠如博通(Broadcom)、創銳訊(Atheros)等，亦曾在802.11a/b/g等上一代無線區域網路方案中實作波束成型技術支援。  

不管是多重收發架構還是波束成型技術，這兩大智慧型天線技術在硬體上皆具備同樣的元素，亦即多重天線架構。因此，只要是具備多重天線的系統，基本上都具備導入智慧型天線技術的潛力。  

軟體技術為智慧型天線大腦  

雖然多重天線架構為智慧型天線的實現關鍵，但若缺乏演算法搭配，多重天線架構仍然稱不上是真正的智慧型天線。在智慧型天線系統中扮演大腦角色的數位訊號處理(DSP)演算法，其所執行的任務包含無線通道估計、訊號判別、分集、等化、耙狀接收等，最終目的在於產生一個訊號對干擾雜訊比(Signal to Interference Plus Noise Ratio, SINR)極大化的結果，或位元錯誤率(Bit Error Ratio, BER)極低的空時場型。根據不同的天線切換架構，DSP的運算負擔也會有所不同。  

圖1　波束切換式智慧型天線

圖1為波束切換式(Beam Switch)智慧型天線概念圖，這個架構會利用多個指向不同方向的波束覆蓋整個通訊區域，當用戶進入某特定波束的涵蓋區(Beam Footprint)時，智慧型天線會切換至該波束，使得接收訊號強度達到最大。其增益效果根據理論計算，採用30度窄波束天線來進行波束切換的智慧型天線系統可以比傳統三扇區定向性和全向性系統的載波干擾比(Carrier to Interference Ratio, C/I)提升達6dB到11dB。值得注意的是，由於C/I增益提升的緣故，使基地台系統可大量重複利用同一頻段來服務不同用戶卻不至於出現同頻干擾的情況，因此採用智慧型天線有助提升網路容量。  

由於這種架構相對簡單，對天線系統而言，也僅須處理用戶移動到不同窄波天線涵蓋區時切換天線的動作(如圖1中從A點移動到A'點)，因此波束切換式智慧型天線具備容易實現的優點。  

事實上，這類波束成型技巧正是由於較易實現，而成為廣受高效能無線區域網路方案採用的智慧型天線技術，如美商Airgain便已擁有相關的軟硬體解決方案，但由於其主攻應用領域為對成本較敏感的家用產品市場，因此仍採用三扇定向式天線。但即便如此，其天線增益效果仍普遍比一般無線區域網路所採用的傳統全向性天線高出數dB。  

圖2　適應性智慧型天線

圖2為比波束切換式智慧型天線更先進的適應性智慧型天線，這類智慧型天線運用數位訊號處理和動態陣列技巧，將訊號指向性與傳輸通道的特性一併納入計算範圍內，並動態地調整不同天線間的天線權值(Weights)，以產生所需之波束場型(Beam Pattern)。  

這種波束成型技術與波束切換式最顯著的差異在於，切換式智慧型天線系統以遠端系統所在位置屬於哪支窄波束天線管轄來決定由哪支天線提供服務，但由於切換式智慧型天線的訊號發射角度是固定的，因此其所發射出來的波束場型與遠端系統之間可能會有些許角度誤差；但在適應性智慧型天線系統中，由於天線處理器會視遠端設備所在的方位角，同時由多支天線合成出所需的波束場型，因此波束可對準目標訊號發射並抑制其他干擾訊號(如圖2中從A點移動到A'點)，因此適應性智慧型天線擁有極高的效益，即使必須執行複雜的適應性演算法，對DSP晶片的效能需求也會隨之提升，因而帶來較高的硬體成本，但仍為目前業界投入研發的主流。  

從基地台走向用戶端　Arraycomm解放智慧型天線潛力  

事實上，適應性智慧型天線軟體所使用的演算法是一門極為艱深的學問，除了聯手壟斷全球行動通訊基地台市場的前幾大基地台業者如諾基亞西門子(Nokia Siemens)、阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、北電(Nortel)等有培養自家團隊專門研發之外，僅Arraycomm等少數幾家公司擁有成熟且經實地驗證的演算法，其他投入智慧型天線技術研發的軟體公司不是經營不善遭到購併，便是被迫退出市場。  

由此亦可看出為何目前投入智慧型天線技術研發的單位仍以軍方及政府研究單位為主，如台灣的中山科學研究院、工研院等單位。值得一提的是，Arraycomm的創辦人--即為有手機之父稱號的馬丁庫柏(Martin Cooper)，在其領導下，Arraycomm從草創至今已經累積超過四百項智慧型天線專利，並在全球擁有三十萬個商業部署案例。  

近日Arraycomm發表其針對HSDPA用戶端設計的多重天線訊號處理演算法。在英國倫敦所進行的實地測試結果，證明智慧型天線方案在提升網路傳輸速率方面最高可較傳統天線高出29%。Arraycomm指出，由於HSDPA等行動寬頻技術涵蓋範圍更小，行動網路營運商為了拓展服務涵蓋範圍，勢必要部署更多基地台設備。然而，密集部署基地台的結果，使得整個HSDPA系統涵蓋範圍內出現更多網路邊緣區域(圖3)。在網路邊緣區域中，終端裝置除了會受到原本就難以避免的本地端干擾之外，鄰近網路的基地台訊號亦會對通訊造成干擾，使得射頻環境極為惡劣。因此，雖然HSDPA的理論頻寬可達14.4Mbit/s，但在頻寬分享與各種訊號干擾等負面因素影響下，其實際頻寬往往僅剩下理論值的十分之一。

圖3　由於HSDPA的特性，在整個網路涵蓋範圍內將到處遍布射頻狀況惡劣的邊緣區。圖3左為GSM等第二代行動通訊蜂巢網路布建架構，右為HSDPA的蜂巢網路布建。圖中黑色區塊即為訊號覆蓋範圍重疊的網路邊緣區。

為了驗證智慧型天線演算法解決網路邊緣干擾問題的能力，Arraycomm將A-MAS 3i的波束成型技術等智慧型天線演算法部署到具備兩支收發天線的測試用數據卡上，在三個由不同公司所營運的HSDPA網路中進行測試(圖4)。表1為標準干擾狀態下(G=0dB)，採用智慧型天線的數據卡與3GPP標準數據卡間的效能差異比較。圖5與圖6則分別為干擾嚴重區域(G<0dB)與射頻狀況良好(G>0dB)區域的實測結果。

資料來源：Arraycomm 圖4　Arraycomm在倫敦進行智慧型HSDPA數據卡實地測試時所採用的架構

表1　在標準狀況下，智慧型天線與標準接收器的效能比較。
調變方式	Ec/lor(dB)	G=0dB
		3GPP標準接收器效能平均值(kbit/s)	實測平台效能最差狀態(kbit/s)
QPSK	-6	891	965
	-3	1,510	1,591

資料來源：Arraycomm  

資料來源：Arraycomm 圖5　在干擾嚴重的情況下，智慧型天線所能帶來的效能提升顯著。

資料來源：Arraycomm 圖6　在頻譜狀況良好的情況下，智慧型天線英雄無用武之地。

整體而言，即使僅在用戶端導入智慧型天線技術，在網路邊緣區仍可獲得29%的通訊頻寬提升，而在某些干擾特別嚴重的區域，其所帶來的效能提升更超過一倍，但若在射頻環境狀況良好的區域，其效能提升效果就不甚顯著，僅4%。但由於前述HSDPA的特性使得整個網路涵蓋範圍內到處充斥網路邊緣區域，因此整體而言導入智慧型天線演算法的裝置仍可獲得顯著的通訊速率提升。  

Arraycomm在報告中進一步指出，由於具備雙接收器的HSDPA數據卡在市場上逐漸普及，且展望即將展開部署的長程演進計畫(LTE)與全球微波存取互通介面(WiMAX)用戶端裝置更普遍將雙接收器設計列為基本規格，因此在用戶端設備導入智慧型天線的基礎環境已經確立。  

告別傻瓜天線　智慧型天線時代即將來臨  

各種行動寬頻技術雖然號稱擁有極高的傳輸速率，但根據世界各地部署的情況顯示，行動寬頻網路的紙上傳輸速率與實際速率存在顯著的落差，關鍵即在於網路實際部署的環境中充滿各種不確定的干擾源，且隨著每一個基地台的實際涵蓋範圍不斷縮小，不同基地台之間共頻干擾的情況若無妥善處理，將使得網路的實際效能大幅縮水。  

具備適應性波束成型等功能的智慧型天線由於可在基地台與用戶端之間建立準確的波束場型，因而可大幅降低通訊干擾的問題，且在天線微型化的趨勢下，不僅基地台對用戶端可導入智慧型天線技術，用戶端也可透過智慧型天線向基地台發射精準的波束訊號，進一步降低干擾的問題。因此，智慧型天線全面普及勢必將成為無線通訊的未來趨勢，值得業界持續關注。  

參考資料

‧智慧型天線及其應用，梁開泰，1999 ‧智慧型天線及其在未來無線通訊系統的發展運用，林高洲，2003 ‧A-MAS- 3i Receiver for Enhanced HSDPA Data Rates, Arraycomm, 2008