TD-SCDMA智能天線系統(tǒng)的特點及測試
摘要： 本文簡要介紹了智能天線的原理、智能天線陣的物理特性和波束賦形,、智能天線算法的實現(xiàn),。最后對TD-SCDMA智能天線的現(xiàn)場測試進行了分析，指出了測試時應(yīng)注意的事項,。... ...
Abstract：
Key words :
本文簡要介紹了智能天線的原理、智能天線陣的物理特性和波束賦形,、智能天線算法的實現(xiàn),。最后對TD-SCDMA智能天線的現(xiàn)場測試進行了分析，指出了測試時應(yīng)注意的事項,。
1,、智能天線的原理
智能天線通常被定義為一種安裝于移動無線接入系統(tǒng)基站側(cè)的天線陣列，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元,，獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性,。其原理是將無線電信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束,，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達方向（direction of arrival,，DOA），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達方向,，達到高效利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的,。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異,，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾,，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。
在TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線基本思想是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶,，接收模式下,，來自窄波束之外的信號被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大,，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小,。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶，在相同時隙,、相同頻率或相同地址碼的情況下,。仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑來區(qū)分。
TD-SCDMA由于上下行無線鏈路使用同一載頻,，無線傳播特性近似相同,，能夠很好地支持智能天線技術(shù)，智能天線的使用增加了TD-SCDMA無線接口的容量,。
TD-SCDMA智能天線主要實現(xiàn)2種波束：廣播波束和業(yè)務(wù)波束,。廣播波束是在廣播時隙形成，實現(xiàn)對整個小區(qū)的廣播,，所以要求波束寬度很寬,，盡量做到小區(qū)無縫隙覆蓋。業(yè)務(wù)波束是在建立具體的通話鏈路后形成,，也就是形成跟蹤波束,，它會針對每一個用戶形成一個很窄的波束，這些波束會緊緊地跟蹤用戶,。由于波束很窄,，能量比較集中。在相同功率情況下,，智能天線能將有用信號強度增加,，同時減小對其他方向用戶的干擾，由于智能天線能很好地集中信號,，所以發(fā)射機可以適當(dāng)?shù)販p小發(fā)射功率。
2,、智能天線陣的物理特性和波束賦形
常見的智能天線陣列一般分為360°全向陣列和120°平面扇區(qū)陣列,。全向天線陣主要適用于用戶密度較低的農(nóng)村地區(qū)和偏遠山區(qū)，可作360°全向小區(qū)覆蓋,。平面天線陣主要覆蓋120°的扇形區(qū)域,。通常一個三扇區(qū)基站便可以覆蓋360°范圍。平面天線陣由于具有較好的波束賦形性能,，能夠形成更窄的波瓣寬度,，具有更強的旁瓣抑制能力并提供更高的賦形增益，所以成為目前TD-SCDMA智能天線的主流,，應(yīng)用于用戶密集的廣大城區(qū)環(huán)境的覆蓋,。
智能天線陣的陣元個數(shù)通常為4-16個。目前系統(tǒng)中用得比較多的是8個陣元振子構(gòu)成的天線陣,。天線陣元數(shù)越多,，其增益越高,，波束賦形的能力亦越強，但同時造價和實現(xiàn)的復(fù)雜度也會大大增加,。在將來,，估計4陣元的智能天線也會逐漸投入應(yīng)用，可以在降低系統(tǒng)實現(xiàn)成本的基礎(chǔ)上提供更為經(jīng)濟的選擇,。當(dāng)然,。具體應(yīng)用需要同時考慮經(jīng)濟性與性能之間的平衡。
智能天線每個天線陣元物理特性完全一樣,，因而單天線波瓣圖具有非常相似的特征,。多個天線陣元以一定的間距（通常為1/2λ）排列成天線陣列。再通過算法對各個天線陣元的信號（包括振幅和相位）進行控制,，最終形成具有方向性的下行波束,。
圖1、圖2是8陣元全向智能天線單個陣元在垂直和水平方向的波瓣,。
1,、智能天線的原理
智能天線通常被定義為一種安裝于移動無線接入系統(tǒng)基站側(cè)的天線陣列，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元,，獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性,。其原理是將無線電信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束,，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達方向（direction of arrival,，DOA），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達方向,，達到高效利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的,。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異,，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾,，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。
在TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線基本思想是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶,，接收模式下,，來自窄波束之外的信號被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大,，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小,。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶，在相同時隙,、相同頻率或相同地址碼的情況下,。仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑來區(qū)分。
TD-SCDMA由于上下行無線鏈路使用同一載頻,，無線傳播特性近似相同,，能夠很好地支持智能天線技術(shù)，智能天線的使用增加了TD-SCDMA無線接口的容量,。
TD-SCDMA智能天線主要實現(xiàn)2種波束：廣播波束和業(yè)務(wù)波束,。廣播波束是在廣播時隙形成，實現(xiàn)對整個小區(qū)的廣播,，所以要求波束寬度很寬,，盡量做到小區(qū)無縫隙覆蓋。業(yè)務(wù)波束是在建立具體的通話鏈路后形成,，也就是形成跟蹤波束,，它會針對每一個用戶形成一個很窄的波束，這些波束會緊緊地跟蹤用戶,。由于波束很窄,，能量比較集中。在相同功率情況下,，智能天線能將有用信號強度增加,，同時減小對其他方向用戶的干擾，由于智能天線能很好地集中信號,，所以發(fā)射機可以適當(dāng)?shù)販p小發(fā)射功率。
2,、智能天線陣的物理特性和波束賦形
常見的智能天線陣列一般分為360°全向陣列和120°平面扇區(qū)陣列,。全向天線陣主要適用于用戶密度較低的農(nóng)村地區(qū)和偏遠山區(qū)，可作360°全向小區(qū)覆蓋,。平面天線陣主要覆蓋120°的扇形區(qū)域,。通常一個三扇區(qū)基站便可以覆蓋360°范圍。平面天線陣由于具有較好的波束賦形性能,，能夠形成更窄的波瓣寬度,，具有更強的旁瓣抑制能力并提供更高的賦形增益，所以成為目前TD-SCDMA智能天線的主流,，應(yīng)用于用戶密集的廣大城區(qū)環(huán)境的覆蓋,。
智能天線陣的陣元個數(shù)通常為4-16個。目前系統(tǒng)中用得比較多的是8個陣元振子構(gòu)成的天線陣,。天線陣元數(shù)越多,，其增益越高,，波束賦形的能力亦越強，但同時造價和實現(xiàn)的復(fù)雜度也會大大增加,。在將來,，估計4陣元的智能天線也會逐漸投入應(yīng)用，可以在降低系統(tǒng)實現(xiàn)成本的基礎(chǔ)上提供更為經(jīng)濟的選擇,。當(dāng)然,。具體應(yīng)用需要同時考慮經(jīng)濟性與性能之間的平衡。
智能天線每個天線陣元物理特性完全一樣,，因而單天線波瓣圖具有非常相似的特征,。多個天線陣元以一定的間距（通常為1/2λ）排列成天線陣列。再通過算法對各個天線陣元的信號（包括振幅和相位）進行控制,，最終形成具有方向性的下行波束,。
圖1、圖2是8陣元全向智能天線單個陣元在垂直和水平方向的波瓣,。
圖1 單天線垂直方向
圖2 單天線水平方向
從圖1,、圖2可以看出。全向智能天線的單天線陣元不管是垂直方向還是水平方向,，在基本物理特性上仍然有較為明顯的方向特性,。多個單天線陣元環(huán)形排列成圓陣后，其實際波束將由各天線陣元不同權(quán)重因子的激勵信號來決定,。
圖3,、圖4是2種典型的全向智能天線陣波束賦形。
圖3 全向陣廣播波束
圖4 全向陣業(yè)務(wù)波束
從圖3,、圖4可以看出,，一定方向性的單陣元天線在組成陣列后，可以形成類似于圓形的全向廣播波束,，也可以形成指向性很明顯的業(yè)務(wù)波束,。全向波束面向全小區(qū)所用用戶，主要用于公用信道（PCCPCH,，SCCPCH,，PICH，FPACH等）作系統(tǒng)廣播,。而指向性波束承載業(yè)務(wù)信道（DPCH）主要對指定用戶方向進行業(yè)務(wù)波束賦形,，減少對其他方向用戶的干擾。
8陣元智能天線平面陣是由8個相隔一定間距的天線陣元依次排列而形成的直線陣列,。通常天線校準(zhǔn)口位于陣列正中,，即第4和第5個陣元之間。各單天線陣元除位置不同外，仍和全向天線一樣,，具有完全相同的物理特性,。平面智能天線陣的賦形特性較全向天線陣有較大不同。
對于廣播波束,，需要考慮對于整個120°小區(qū)的均勻覆蓋,。在實際布網(wǎng)時。小區(qū)的覆蓋范圍將主要取決于廣播波束的覆蓋,，所以對于廣播波束的設(shè)計可以接近小區(qū)理想的蜂窩六邊形,。
對于業(yè)務(wù)波束，雖然在不同角度上智能天線物理賦形特性不盡相同,，但總體上看,，賦形增益將高于廣播波束增益。更為重要的是波束寬度大大減小,，從而抑制了對其他用戶的干擾,。在業(yè)務(wù)波束中，通常與法線夾角為0°方向的波束具有最大的賦形增益和最窄的波瓣寬度,。
3,、智能天線算法的實現(xiàn)
智能天線算法主要分為切換波束算法和自適應(yīng)算法。在TD-SCDMA系統(tǒng)中,，2種算法都有應(yīng)用,。TD-SCDMA通過采用波束賦形算法，形成空間定向波束,，使天線陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號DOA,，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號DOA，因此能充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度地抑制干擾信號,，從而能更有效地增加系統(tǒng)容量和提高頻譜利用率,。
目前比較常用的波束賦形算法有2種：GOB算法和EBB算法。GOB算法是一種固定波束掃描的方法,，對于固定位置的用戶,，其波束指向是固定的，波束寬度也隨天線陣元數(shù)目而確定,。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時，它通過測向確定用戶信號DOA,，然后根據(jù)信號DOA選取預(yù)先設(shè)定的波束賦形系數(shù)進行加權(quán),，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比,。EBB算法是一種自適應(yīng)的波束賦形算法,，方向圖沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。其原則是使期望用戶接收功率最大的同時,，還要滿足對其他用戶干擾最小,。
自適應(yīng)算法與切換波束算法相比較，在很多方面諸如：最大化期望用戶接收功率,、減少對非期望用戶的發(fā)射功率以及靈活適應(yīng)各種不同天線陣列類型更有優(yōu)勢,。同時，自適應(yīng)算法在波束產(chǎn)生上并不拘于固定方向和形狀,，因而更加靈活并且可以更準(zhǔn)確地對用戶所在實際位置進行賦形,。在多徑環(huán)境下，指向用戶的波束也可能會有多個,，其根本目標(biāo)是提高期望用戶的載干比并避免對其他用戶形成干擾,。綜合來看，自適應(yīng)算法將會是智能天線波束賦形算法發(fā)展的方向,。
4,、TD-SCDMA智能天線的現(xiàn)場測試要點
對于智能天線的性能測試，首先需要對智能天線陣物理性能進行測試,。這類測試需要建立專門的電磁測試環(huán)境,，在暗室（anechoic chamber）內(nèi)進行。智能天線的物理性能測試一般會由專業(yè)的智能天線制造廠家在專門的測試平臺上進行,，其相關(guān)技術(shù)測試數(shù)據(jù)對智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)非常重要,。
對于智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中的測試流程，在室內(nèi)部分通常分為在實驗室的白箱測試,、黑箱測試以及系統(tǒng)集成測試,，其主要目的是對算法實現(xiàn)與軟硬件集成進行功能性驗證。而對智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中綜合性能的評判,，最后還需在外場實際網(wǎng)絡(luò)中進行,。TD-SCDMA智能天線外場測試主要目的是通過外場實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，驗證智能天線技術(shù)在鏈路性能和網(wǎng)絡(luò)性能上對TD-SCDMA整體網(wǎng)絡(luò)性能的提升,。
從前面理論分析中可以看出,，盡管存在不同算法和實現(xiàn)上的差異，但各類智能天線從總體上都具有良好的賦形增益和干擾消除性能,。因而在實際的現(xiàn)場測試中,，也可以通過合理的測試用例進一步驗證智能天線在實際系統(tǒng)中的性能。
一般來講?，F(xiàn)場對智能天線的測試可分為：智能天線通信鏈路性能測試和智能天線網(wǎng)絡(luò)性能測試,。通信鏈路性能測試主要關(guān)注在單小區(qū)情況下，智能天線在DOA跟蹤,、天線上下行增益,、干擾消除方面的性能,。智能天線網(wǎng)絡(luò)性能驗證，一般需要在TD-SCDMA組網(wǎng)的條件下進行,。尤其在同頻組網(wǎng)條件下,，可以充分驗證智能天線技術(shù)、動態(tài)信道分配技術(shù)等對于同頻網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)干擾的抑制作用,，并可驗證智能天線技術(shù)最終轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)的覆蓋,、容量以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升作用。必須指出,。在實際測試中,。對于特定的站點環(huán)境，并不是所有的測試用例都能夠完全適用,。這是由于在實際外場情況下,，站點周圍并不是理想的傳播環(huán)境。建筑物的阻擋,，多徑傳播與干擾,，實際信道環(huán)境與理想信道模型的差別，具體站點配置和測試業(yè)務(wù)配置等,，都可能引入一些不確定因素,，進而對測試結(jié)果造成影響。因此選擇合適的測試站點,、盡量簡化測試配置以及排除不確定的干擾因素可以進一步提高測試的準(zhǔn)確性,。
在覆蓋測試中還需要注意，對于不同的業(yè)務(wù),，首先必須從鏈路預(yù)算及實測結(jié)果中判斷業(yè)務(wù)是受限于上行還是下行,，因為這也會影響到最終結(jié)論。下面通過幾個測試用例及實際測試結(jié)果來說明智能天線在現(xiàn)場測試的情況,。
4.1 DOA的跟蹤
測試終端在基站周圍的移動過程中,，智能天線可通過對測試終端上行信號的估計，產(chǎn)生相應(yīng)的下行波束指向被測用戶,。在基站側(cè),，專用的監(jiān)測工具軟件可以根據(jù)智能天線不同天線單元工作時的權(quán)重因子，計算出實際天線生成的波束指向,。在終端圍繞基站天線移動的情況下,，由于權(quán)重因子的不斷調(diào)整和變化，波束指向也會隨著變化,。而實際終端相對于基站在某一時刻的具體位置亦可在測試過程中得知,，從而能夠判斷波束賦形DOA跟蹤的有效性，
對于多測試終端的情況,，基站將分別對每一用戶的上行進行估計,，并對每一用戶產(chǎn)生特定波束。
在某些DOA測試用例中,，對于基站的DOA定位精度可以做更為精確的測試,，其思想是通過限定測試終端移動的范圍，在移動路線中進行若干定點測試,，并提取該時刻對應(yīng)的基站側(cè)實時天線權(quán)重因子,，再由該權(quán)重因子所激勵的天線波束指向與實際終端相對基站位置進行比較。由于扇區(qū)天線具有很強的波束賦形效果,，包括較窄的主波束寬度和明顯的旁瓣抑制能力,，所以其DOA定位精度更高。
4.2 智能天線波束賦形增益的驗證
在業(yè)務(wù)為下行受限的情況下,，通過在基站一側(cè)打開和關(guān)閉波束賦形,，可以很容易通過測試進一步驗證波束賦形增益對業(yè)務(wù)覆蓋的影響。
在基站的上行方向,。智能天線自身的增益（多天線接收）并不通過軟件開關(guān)控制,。所以對上行受限的業(yè)務(wù)測試，可以采用其他方式進行,。如通過固定上行的信噪比來比較單天線和8天線情況下測試終端發(fā)射功率的不同,，得出上行接收鏈路智能天線的增益。這里主要介紹下行受限條件下的測試,。由于測試中一般采用單用戶語音業(yè)務(wù),，無論從鏈路預(yù)算結(jié)果還是實測結(jié)果，在城區(qū)環(huán)境下都是上行受限,。所以在測試開始前,，為了簡化測試條件，必須通過OAM設(shè)置,，降低基站發(fā)射功率,，使上行受限轉(zhuǎn)化為下行受限。實際上,，也可以通過增加小區(qū)用戶數(shù)和對下行加擾的方式,，使上行受限轉(zhuǎn)變成下行受限。
在測試中,，系統(tǒng)功率控制會大大影響智能天線測試結(jié)果,，應(yīng)該關(guān)閉。測試過程選取與線陣天線0°主波束（-90°～+90°）方向大致相同的路線進行,。利用路測工具分別記錄在同一路線上測試終端在波束賦形開啟和關(guān)閉情況下的下行碼功率和掉話點,，并進行對比。
實測路測數(shù)據(jù)顯示,，波束賦形開啟業(yè)務(wù)覆蓋可達1.7 km,，波束賦形關(guān)閉覆蓋僅1 km,。這說明在同等條件下，波束賦形開啟比波信道賦形增益,。
4.3 智能天線容錯性能測試
不管是全向智能天線還是平面扇區(qū)智能天線,，由于陣元數(shù)量較多，對天線上下行通路性能的實時狀態(tài)及天線校準(zhǔn)（初始校準(zhǔn)及周期性校準(zhǔn)）指標(biāo)有嚴格要求,。在實際網(wǎng)絡(luò)運行中,，有可能發(fā)生個別天線通路由于硬件或天饋系統(tǒng)損壞而發(fā)生故障的情況，所以有必要考慮8陣元天線陣工作在少于額定數(shù)量陣元時的性能,。智能天線必須保證在只有部分通路工作時的性能仍能達到現(xiàn)網(wǎng)運行基本要求,，至少不能因為個別天線通路出現(xiàn)故障而嚴重降低整體系統(tǒng)性能。
對于廣播波束來講,，其波束賦形在整個網(wǎng)絡(luò)運行期間要求保持穩(wěn)定,，因為廣播波束覆蓋實際反映了整個小區(qū)形狀與大小。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則,，小區(qū)的覆蓋必須在網(wǎng)絡(luò)運行中保持穩(wěn)定,。在個別天線通路發(fā)生故障時，智能天線系統(tǒng)需要根據(jù)故障情況動態(tài)調(diào)整各工作天線的廣播權(quán)重因子,。保證小區(qū)形狀和大小不發(fā)生過度畸變并對故障通路做定期檢測,。在廣播波束的系統(tǒng)設(shè)計中，需要根據(jù)具體的某個天線通路發(fā)生的問題進行實時檢測,，設(shè)計并存儲用于容錯判決的相關(guān)數(shù)據(jù)并能根據(jù)情況正確做出應(yīng)對,。
對業(yè)務(wù)波束來講，如果采用自適應(yīng)的EBB算法,，智能天線能夠最大限度根據(jù)算法來自動優(yōu)化下行波束賦形,。不受限于天線數(shù)目。但由于陣元數(shù)量的減少,，天線的賦形性能會不同程度地降低,。所以在實際運行中，保持天線系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性尤為重要,。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。