智能天線對(duì)TD-SCDMA無線網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響

TD-SCDMA目前所用的智能天線（以下簡稱智能天線，SA）實(shí)現(xiàn)了空分多址，利用用戶的來波方向（DOA）的不同來區(qū)分用戶，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量均有影響。SA是TD-SCDMA的標(biāo)志性技術(shù)，目前TD-SCDMA采用賦形波束智能天線，通過“智能”部分產(chǎn)生多個(gè)賦形波束，每個(gè)波束跟蹤一個(gè)激活用戶，達(dá)到降低干擾、提高增益、增大覆蓋和提高容量的效果。

?空分能力

?　　如果基站信息處理能力不受限，可以設(shè)想，由于用戶的位置分布不可能重合，這個(gè)空分的“址”數(shù)量巨大。然而，TD-SCDMA智能天線目前的賦形波束并非理想的射線，存在空間分辨率問題，即以多大的空間精度區(qū)分用戶，這取決于賦形波束的水平、垂直波瓣寬度。

?　　目前TD-SCDMA采用的智能天線的賦形波束僅在水平方向上跟隨激活用戶移動(dòng)，即賦形波束的方位角在跟蹤用戶，而下傾角不變，可以看成二維空間的自動(dòng)跟蹤，而不是立體自動(dòng)跟蹤，這就造成一個(gè)問題：若采用以基站為極點(diǎn)的極坐標(biāo)刻畫該基站的覆蓋區(qū)域，極角為0～360度，波束之間的干擾隔離與賦形波束的波瓣寬度、旁瓣泄漏等工程因素有關(guān)。

?　　參考目前TD-SCDMA采用的多個(gè)廠家的SA設(shè)備指標(biāo)：公共信道不賦形，全向SA公共信道波束寬度為360度，120度板狀SA公共信道波束寬度為120度；業(yè)務(wù)信道賦形，陣元數(shù)為8的全向SA賦形波束寬度為45度，陣元數(shù)為8的120度板狀SA賦形波束寬度為15度，也就是可以將覆蓋區(qū)域分成8個(gè)子區(qū)域。

?性能增益

?　?。ㄒ唬└采w增益

?　　天線對(duì)覆蓋的增益作用是通過增大等效輻射功率實(shí)現(xiàn)的，其原理是將能量集中于一個(gè)空間或方向內(nèi)，SA對(duì)覆蓋的增益也是通過使能量集中于目標(biāo)用戶方向來獲得的，然而有了上述空間分辨率問題，則需具體考慮如下工程效果，以陣元數(shù)N=8的全向SA為例：

?　　A.當(dāng)所有用戶集中在45度內(nèi)，賦形造成的覆蓋增益最大，即理論上的10logNdB=9dB，其物理含義為：當(dāng)所有用戶位于一個(gè)賦形波束內(nèi)，SA將能量集中于原來1/8的空間，能量密度增強(qiáng)了8倍（9dB）?？紤]存在非理想因素而需預(yù)留的工程裕量，還要減去2～3dB，一般取為+6～＋7dB。

?　　B.當(dāng)用戶在以基站為極點(diǎn)的極坐標(biāo)系的極角意義上均勻分布時(shí)，比如各用戶的極角以45度間隔均勻分布，由于SA將能量集中的空間不變，能量密度未增強(qiáng)，賦形增益理論上應(yīng)為0dB。

?　　可見，“TD-SCDMA智能天線的賦形增益（覆蓋）有多大”并不是一個(gè)能給出精確回答的問題，與如下因素有關(guān)：

?　　（1）激活用戶的分布

?　　對(duì)于集中分布的情況增益大，對(duì)于均勻分布的情況增益小，對(duì)于只有1個(gè)激活用戶的情況，賦形增益可以達(dá)到工程上的最大值。

?　　（2）賦形波束寬度

?　　賦形波束的波瓣窄容易集中能量、減少干擾，反之則容易造成波束重疊，邏輯上的不同波束在物理上成為一個(gè)波瓣。

?　　（3）工程因素

?　　比如傳播環(huán)境，城市中高樓林立，信號(hào)傳播經(jīng)歷多徑、反射、折射等，SA通過DOA來決定賦形波束指向，但DOA本身也存在空間分辨率問題，經(jīng)歷反射等過程后信號(hào)來波角度可能擴(kuò)散。

?　　（二）容量增益

?　　TD-SCDMA的SA對(duì)容量的增益指SA通過空分實(shí)現(xiàn)空間濾波，隔離了多用戶干擾，使得系統(tǒng)可以滿碼道或接近滿碼道工作。

?　　由此可以認(rèn)為：在SA的一個(gè)波束內(nèi)不會(huì)存在干擾降低和容量增益，結(jié)合TD-SCDMA的業(yè)務(wù)時(shí)隙情況，若想通過SA的空分實(shí)現(xiàn)容量增益，需使同一個(gè)時(shí)隙的基本資源單位（BRU）對(duì)應(yīng)不同的賦形波束。

?　　A.語音業(yè)務(wù)

?　　一個(gè)語音用戶占用兩個(gè)BRU，一個(gè)時(shí)隙有16個(gè)BRU，最多可承載8個(gè)語音用戶，若8個(gè)用戶分布于8個(gè)波束，滿碼道工作理論上是可能的，但若用戶集中分布，則容量增益減小，用戶集中于一個(gè)SA波束則容量增益為0dB。

?　　B.數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

?　　TD-SCDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率跨度大，根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)用戶占用1個(gè)或多個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙至少占用8個(gè)BRU，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最低承載速率為64kbps，占用同一時(shí)隙的8個(gè)BRU，即造成8個(gè)BRU（等價(jià)于4個(gè)語音用戶）集中在一個(gè)波束中，因?yàn)殡y以通過波束將干擾用戶分開，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量增益會(huì)大大縮小。

?矛盾及解決

?　　目前的TD-SCDMA智能天線增益受到用戶分布、波束寬度、傳播環(huán)境的影響。獲得覆蓋增益要求用戶分布集中，而獲得容量增益則要求同一時(shí)隙內(nèi)的用戶不集中在一起，從而產(chǎn)生了矛盾。

?　　另外，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的智能天線容量增益縮小，也導(dǎo)致上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量受鄰區(qū)干擾影響嚴(yán)重。對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)，正確解調(diào)的條件是信噪比高于解調(diào)門限，由于用戶間的相互干擾，就會(huì)形成最大極限容量。要增加本扇區(qū)用戶容量，就需要降低扇區(qū)間干擾；而在各扇區(qū)負(fù)荷相同時(shí)，同樣頻率復(fù)用方式下的扇區(qū)間干擾就會(huì)存在下限。按照3GPP25.105對(duì)基站接收性能的要求，對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在衰落信道下，要求Ioc/Ior（外扇區(qū)干擾Ioc與扇區(qū)內(nèi)干擾Ior之比）一般在-10dB以下；而根據(jù)A.J.維特比的《CDMA擴(kuò)頻通信原理》以及TonyW.Wong等的研究，對(duì)于1×1頻率復(fù)用方式，理想功率控制下的CDMA網(wǎng)絡(luò)上行Ioc/Ior只能達(dá)到-2.6dB，基于該值可以推導(dǎo)出：沒有智能天線時(shí)，8個(gè)BRU成為單時(shí)隙上行容量的極限。對(duì)于話音業(yè)務(wù)，可以借助智能天線的容量增益（約兩倍），實(shí)現(xiàn)滿碼道工作；而對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因?yàn)橛脩艏?，容量增益很?。?個(gè)BRU的極限容量就只能支持64kbps以下的上行業(yè)務(wù)速率了。需要說明的是，當(dāng)鄰小區(qū)負(fù)載很輕時(shí)，例如對(duì)孤立小區(qū)，仍然可以實(shí)現(xiàn)-10dB以下的Ioc/Ior，這時(shí)是可以實(shí)現(xiàn)144kbps及384kbps業(yè)務(wù)速率的。另外，對(duì)于下行鏈路，用戶距離NodeB位置近時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)良好的Ioc/Ior，1×1頻率復(fù)用方式下也可以達(dá)到很高的下行速率。

?　　對(duì)于上述兩個(gè)矛盾，規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要采用多種技術(shù)手段來解決：

?　　第一，采用較寬松的頻率復(fù)用方式或控制鄰區(qū)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)上行中高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

?　　TD-SCDMA單頻點(diǎn)帶寬窄，有條件在組網(wǎng)初期采用較為寬松的頻率復(fù)用方式(如1×3)，這樣就減少了同頻鄰區(qū)數(shù)，從而減少Ioc，那么即使在智能天線對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量增益很小時(shí)，也可以解決上行的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量問題。根據(jù)分析，1×3頻率復(fù)用方式就基本可以滿足中高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的鄰區(qū)干擾要求了。

?　　或者，通過無線資源調(diào)度合理分配相鄰各小區(qū)的資源，降低相鄰小區(qū)的負(fù)荷來減小Ioc，也能夠解決1×1頻率復(fù)用方式下的上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量問題。

?　　第二，對(duì)于覆蓋設(shè)計(jì)預(yù)留余量，并且以信道平衡時(shí)的參數(shù)計(jì)算覆蓋半徑、布置站點(diǎn)

?　　SA的覆蓋增益受用戶因素的影響，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期可能效果較好，隨著用戶話務(wù)量增多，其賦形增益可能減小。此外，還需要考慮業(yè)務(wù)信道和沒有賦形的公共信道之間覆蓋平衡問題。所以，在覆蓋規(guī)劃中應(yīng)對(duì)智能天線的增益留有設(shè)計(jì)余量。