從智能天線與傳統(tǒng)蜂窩基站天線比較談TD-SCDMA組大網(wǎng)（宏

從智能天線與傳統(tǒng)蜂窩基站天線比較談TD-SCDMA組大網(wǎng)（宏蜂窩）的可能性

在聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)組第12次工作會(huì)上，西安海天天線董事長肖良勇教授做了題為《從智能天線與傳統(tǒng)蜂窩基站天線比較談TD-SCDMA組大網(wǎng)（宏蜂窩）的可能性》的報(bào)告，從射頻及電波傳播角度，就TD-SCDMA單獨(dú)組網(wǎng)的可行性進(jìn)行論證。報(bào)告引起了各與會(huì)企業(yè)的一致重視，希望能更深入地了解西安海天在TD-SCDMA智能天線領(lǐng)域的研發(fā)成果。
IMT-2000是國際電信聯(lián)盟（ITU）提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。最早稱為未來公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)（FPLMTS），其目的在于全球使用統(tǒng)一的頻率，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)全球漫游和提供多種業(yè)務(wù)。IMT-2000總共包括了5大標(biāo)準(zhǔn)體系，其中TD-SCDMA、WCDMA、和CDMA2000，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是主宰移動(dòng)市場(chǎng)的航母。
TD-SCDMA采用智能天線和多用戶聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。無線傳輸技術(shù)是決定系統(tǒng)性能和容量的關(guān)鍵技術(shù)，也是各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中差異最大的部分，并且任何高層的協(xié)議和應(yīng)用都是以物理層為基礎(chǔ)，為物理層服務(wù)。TD-SCDMA的物理層關(guān)鍵技術(shù)包括上行同步、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、信道估計(jì)和接力切換等。
在基站使用陣列天線進(jìn)行收發(fā)，并且結(jié)合基帶時(shí)空信號(hào)處理，可以大大改善系統(tǒng)的性能。在未來的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站（和移動(dòng)臺(tái)）使用陣列天線進(jìn)行時(shí)空聯(lián)合自適應(yīng)處理已經(jīng)成為系統(tǒng)擴(kuò)容的一個(gè)重要內(nèi)容。TD-SCDMA技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是智能天線技術(shù)，從某種意義上講，TD-SCDMA系統(tǒng)是基于智能天線設(shè)計(jì)的。對(duì)于其他的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，智能天線技術(shù)的引入仍然是系統(tǒng)性能（質(zhì)量和容量）改善的重要內(nèi)容。
在與大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司合作下，我公司開展了對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線陣列的研發(fā)，下面將給出我們研究的結(jié)果。
1 智能天線性能介紹
1.1 工作原理
我公司研發(fā)智能天線如圖1和圖2所示，

圖1 全向陣列天線? 圖2? 扇區(qū)陣列天線

下面以扇區(qū)陣列天線的性能介紹智能天線的工作原理。該智能天線陣列有兩種工作模式。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于用戶通常分布在不同方向（也有用戶方向重合的情況），加之無線移動(dòng)信道的多徑效應(yīng)，有用信號(hào)僅存在一定的空間分布而并非整個(gè)蜂窩小區(qū)或者整個(gè)扇區(qū)。當(dāng)基站接收信號(hào)時(shí)，即在上行鏈路中，來自各個(gè)用戶的有用信號(hào)到達(dá)基站的方向可能不同；當(dāng)基站發(fā)射信號(hào)時(shí)，即在下行鏈路中，可被用戶有效接收的也只是部分信號(hào)。考慮到上述因素，調(diào)整天線的方向圖使其能定向性的發(fā)射和接收就非常合適了，這也就是波束形成（Beam Forming）（可在射頻、中頻或基帶實(shí)現(xiàn)），把這種模式定義為工作模式。
智能天線系統(tǒng)在未通話狀態(tài)時(shí)基站仍然需要向扇區(qū)內(nèi)所有用戶發(fā)送公共控制信息，并通過小區(qū)內(nèi)不同方向的用戶返回給基站的信息來判斷用戶方向和數(shù)量。這種功能要求基站天線的方向圖能夠均勻地覆蓋整個(gè)扇區(qū)，即廣播模式。如圖3虛線所示。

而通常提到的波束形成分兩種方法：切換波束陣列（Switching Beam Array）和跟蹤波束陣列（Tracking Beam Array）。對(duì)于切換波束陣列，預(yù)先形成一定數(shù)量角度固定的窄波束，僅在數(shù)字信號(hào)處理中采用算法計(jì)算出切換到“最優(yōu)”波束使波束指向期望用戶方向。這種方法只能通過低副瓣來降低干擾。而跟蹤波束陣列能夠?qū)崟r(shí)形成權(quán)值使主波束跟蹤期望用戶，并在干擾用戶方向形成零陷以提高信噪比。這種方法的缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)得到權(quán)值的計(jì)算量顯著增加。
從陣列綜合的角度出發(fā)，陣列形式的設(shè)計(jì)和激勵(lì)權(quán)值的確定是兩個(gè)核心的問題。陣列形式一旦設(shè)計(jì)好之后就是固定不變的了，可以調(diào)整的只能是激勵(lì)權(quán)值。激勵(lì)權(quán)值即激勵(lì)幅度、相位可分別通過衰減器、移相器或者在基帶中使用DSP芯片實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上述兩種工作模式，考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度：先根據(jù)廣播模式對(duì)方向圖要求綜合陣列結(jié)構(gòu)和激勵(lì)權(quán)值；再對(duì)求出的陣列結(jié)構(gòu)綜合工作模式激勵(lì)權(quán)值。
1.2 天線性能
TD-SCDMA系統(tǒng)采用智能天線技術(shù)，可以將發(fā)射功率集中至小區(qū)內(nèi)活動(dòng)UE所在的位置，并在UE移動(dòng)過程中全程監(jiān)控。智能天線技術(shù)可以帶來以下好處：
◆ 降低小區(qū)間干擾；
◆ 降低多徑干擾的影響；
◆ 基站接收靈敏度增加9dB，故仍然可能使用低發(fā)射功率達(dá)到較遠(yuǎn)通信距離。在使用相同發(fā)射功率級(jí)別的手持機(jī)條件下，TD-SCDMA的通信距離比WCDMA要大。

下面給出我們公司設(shè)計(jì)的應(yīng)用于TD－SCDMA系統(tǒng)的4單元扇區(qū)天線陣HTZN18/209014。該天線的工作頻段同時(shí)覆蓋了TD－SCDMA的1880～1920MHz和2010～2025MHz兩個(gè)工作頻段。圖4分別給出了兩個(gè)頻段上陣列的廣播模式方向圖，具體參數(shù)
如表1。在兩個(gè)工作頻段上波瓣寬度隨頻率變化誤差僅為3.37％（1880～1920MHz）和3.06％（2010～2025MHz），遠(yuǎn)小于國標(biāo)±10％。
變量
頻率(MHz)?HPBW(度)?Ripple(dB)?Gain(dB)
2010?88.14?1.35?14.00
2018?87.69?1.18?13.96
2025?87.25?1.17?13.94
1880?93.37?1.68?13.66
1900?91.71?0.87?13.51
1920?89.94?1.07?13.39
對(duì)于邊射陣，波束掃描角度最大方向時(shí)副瓣最高，因此本文給出了工作波束掃描至扇區(qū)邊緣45o時(shí)的方向圖。圖5 給出了期望用戶方向分別為45o、67o形成的工作波束?？梢钥吹郊词棺畲笥脩粼谏葏^(qū)邊緣時(shí)由于波束形成技術(shù)可提供的信干比仍可達(dá)到10.74dB。

圖6分別模擬了系統(tǒng)給定一個(gè)期望用戶，且有一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)強(qiáng)干擾用戶情況下，在天線陣上可形成的方向圖?？梢钥吹酵ㄟ^調(diào)整陣列的單元激勵(lì)權(quán)值，可以在天線陣上形成主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶，同時(shí)在強(qiáng)干擾用戶方向形成零陷以抵消干擾用戶對(duì)系統(tǒng)的干擾。在有一個(gè)或者兩個(gè)強(qiáng)干擾用戶情況下下，由于天線陣上可以生成零陷達(dá)到-40dB以下。對(duì)于有三個(gè)強(qiáng)干擾用戶情況下，由于單元數(shù)目限制，形成方向圖零點(diǎn)數(shù)目少于干擾數(shù)目。但是所有零點(diǎn)的數(shù)值均小于－33dB，對(duì)干擾仍然具有很強(qiáng)的抑制作用。

2．三種系統(tǒng)覆蓋區(qū)域比較

TD-SCDMA系統(tǒng)中使用了多端口陣列天線，通過調(diào)整不同的權(quán)值來實(shí)現(xiàn)扇區(qū)覆蓋與波束掃描，業(yè)務(wù)波束的掃描實(shí)現(xiàn)了用戶的跟蹤。前面分別給出了兩種模式下的TD－SCDMA扇區(qū)天線陣的工作特性，圖7給出天線在跟蹤過程中天線波束掃描的效果。
而WCDMA和CDMA2000使用的天線與2G移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)用的天線相同，都是固定波束天線，圖8給出TD-SCDMA采用扇區(qū)天線陣覆蓋與WCDMA、CDMA2000采用常規(guī)波束寬度65度增益18dBi定向天線以及波束寬度120度增益16dBi定向天線覆蓋區(qū)域比較。
TD-SCDMA智能天線與WCDMA、CDMA2000傳統(tǒng)天線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋比較有以下結(jié)果：
1、無論在扇區(qū)的中心方向還是扇區(qū)的邊緣方向，TD－SCDMA系統(tǒng)天線比傳統(tǒng)天線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)：高5～8dB（在發(fā)射功率相等的情況下）；或要達(dá)到同樣信號(hào)唱片，基站的發(fā)射功率小3～6倍。
2 、傳輸距離：遠(yuǎn)77％～150％。
3、 基站數(shù)目：少2/3～5/6。
在多用戶情況下，TD-SCDMA上下鏈路平衡，而WCDMA、CDMA2000上下鏈路不平衡。

如果考慮到智能天線基站接收靈敏度與信號(hào)/噪干正相關(guān)，不僅信號(hào)增益高，而且噪聲、干擾、多徑衰落由于工作波束的變窄而大大減小，實(shí)際通信情況可能還比圖9（A）中顯示的更樂觀。
因此，從電磁波傳輸?shù)慕嵌确治?，TD-SCDMA完全可以組大網(wǎng)（宏蜂窩）。