TD—LTE智能天線性能分析和應(yīng)用研究

蒲瓊瓊

摘要：研究智能天線在TD-LTE應(yīng)用的目的在于了解智能天線技術(shù)具有的特點(diǎn)與先進(jìn)性，找到適合當(dāng)前中國(guó)無(wú)線通信領(lǐng)域中智能天線應(yīng)用的途徑。文章介紹了智能天線的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，分析了智能天線在TD-LTE具體應(yīng)用如單、雙流波束賦形的差異，SDMA空分多址應(yīng)用及誤差問(wèn)題的解決。

關(guān)鍵詞：TD-LTE智能天線；性能分析；應(yīng)用

智能天線，英文名Smart Antenna，是一種廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域的新興專(zhuān)業(yè)技術(shù)，不僅集合了自適應(yīng)天線技術(shù)、無(wú)線電軟件技術(shù)、微波技術(shù)，也涵蓋了自動(dòng)控制技術(shù)、Digital Signal Processing技術(shù)（即DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)）。同許多無(wú)線通信技術(shù)一樣，智能天線誕生之初也只在軍事領(lǐng)域有所應(yīng)用，但由于其本質(zhì)上具備了一定程度的“自適應(yīng)”功能，作為一種智能天線陣列開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)入民用通信領(lǐng)域。尤其是3G技術(shù)出現(xiàn)以后，無(wú)論是商業(yè)用途還是試驗(yàn)TDLTE都開(kāi)始廣泛使用智能天線理論與技術(shù)。

1智能天線的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

1.1特點(diǎn)

智能天線技術(shù)誕生的背景乃是由于空間通信環(huán)境對(duì)無(wú)線電通信在本質(zhì)上存在著無(wú)法回避的干擾性、不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，其影響無(wú)線電通信質(zhì)量的因素眾多，主要有多徑、時(shí)延、衰落、擴(kuò)展等。包括氣候條件、干濕度、大氣污染等大量不可控情況都會(huì)對(duì)無(wú)線通信造成負(fù)面影響。例如，同類(lèi)無(wú)線信號(hào)之間的交叉干擾、多地址信號(hào)的干擾和不同符號(hào)之間的串?dāng)_等。這些干擾源既降低了通信容量，也損害了通信質(zhì)量，既是無(wú)線通信領(lǐng)域必須解決的問(wèn)題，也是促成智能天線出現(xiàn)的本質(zhì)原因。

因此，智能天線的本職工作就是排除各種無(wú)線通信干擾因素。其一在于通過(guò)控制指向多個(gè)不同用戶的并行無(wú)線波，將空域內(nèi)的無(wú)線信息進(jìn)行過(guò)濾并定位，從而減少或降低不同無(wú)線通信用戶之間的信號(hào)干擾。其二，利用無(wú)線傳輸時(shí)信號(hào)之間存在的相干性，按實(shí)時(shí)通信需要對(duì)天線陣列進(jìn)行調(diào)整，使其改變信號(hào)發(fā)送的權(quán)值，通過(guò)在空間產(chǎn)生的預(yù)定無(wú)線波指向具體的目標(biāo)信號(hào)，由天線主瓣跟蹤目標(biāo)信號(hào)（無(wú)線通信用戶），零線或旁瓣則指向干擾信號(hào)，以此提高目標(biāo)信號(hào)質(zhì)量與移動(dòng)通信利用率，同時(shí)抑制甚至刪除干擾信號(hào)。

智能天線的安裝與使用并不在用戶端，而是在基站，主要工作原理在于影響上下行信號(hào)鏈路，比如針對(duì)上行鏈路傳輸?shù)幕殳B信號(hào)作加權(quán)處理，得到與信號(hào)對(duì)應(yīng)的無(wú)線波。又如對(duì)下行鏈路將要發(fā)射的信號(hào)作預(yù)加權(quán)處理，實(shí)現(xiàn)選擇發(fā)送信號(hào)的功能等。

1.2優(yōu)勢(shì)

智能天線優(yōu)勢(shì)眾多，比如快速掃描、捷變波束、合成功率、與雷達(dá)共形、多波束和分散布置等。

掃描速度是天線功能強(qiáng)弱的具體表現(xiàn)形式之一，也會(huì)在根本上影響無(wú)線通信效率與質(zhì)量。智能天線中的陣列式天線利用其下各子天線中具有的眾多信道單元配合數(shù)字移相器實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸中信號(hào)相位的快速切變功能，使天線掃描能力提高至在幾微秒中完成無(wú)線波形成和轉(zhuǎn)換位置。

捷變波束的目的則是提高濾波能力，依據(jù)“傅立葉變換”理論，無(wú)線方向圖與口徑照射之間通過(guò)函數(shù)轉(zhuǎn)換改變信號(hào)在各無(wú)線通道中的相位與幅度，由此實(shí)現(xiàn)無(wú)線波束改變形狀，從而提高了波束賦形的速度，增強(qiáng)了通信空間自適應(yīng)濾波的能力。

合成功率的目的在于提高功率，主要解決某些特定雷達(dá)如超遠(yuǎn)程微波雷達(dá)與毫米波雷達(dá)的正常使用問(wèn)題。工作模式為在各子陣天線或通信通道中增加放大器的形式提高發(fā)射功率，再結(jié)合移相器變化相位，以實(shí)現(xiàn)波束發(fā)射的定向照射，從而更加靈活、方便地設(shè)計(jì)各類(lèi)特殊用途的雷達(dá)系統(tǒng)。

與雷達(dá)共形是為解決天線影響雷達(dá)空氣動(dòng)力學(xué)性能的問(wèn)題，弱化乃至消除天線在非共形情況下對(duì)雷達(dá)正常運(yùn)作產(chǎn)生的負(fù)面影響。其原理是有源共形的相控陣天線具備的先進(jìn)信號(hào)處理能力為雷達(dá)共形提供了技術(shù)支持。

多波束功能主要是與捷變波束共同作用，提高天線的系統(tǒng)性能。由于具有波控信號(hào)的自由轉(zhuǎn)換性能，在同一重復(fù)周期中，不同發(fā)射波束可便捷地形成不同指向，由此實(shí)現(xiàn)信號(hào)在通道中的低噪放大再傳輸多個(gè)波束網(wǎng)絡(luò)。

分散布置是對(duì)既有的智能天線理論與技術(shù)的延伸，由于相控陣天線具有的子陣性質(zhì)，分散布置的子陣天線之間利用相位、時(shí)間與幅度的補(bǔ)償機(jī)制，再結(jié)合無(wú)線信號(hào)的處理，達(dá)到角度分辨能力與抗干擾能力的進(jìn)一步提升。這也是未來(lái)智能天線發(fā)展的總體趨勢(shì)和方向。

2應(yīng)用分析

智能天線在TD-LTE模式應(yīng)用中具有了專(zhuān)業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn)化配置，其傳輸模式更有針對(duì)性。例如3GPPR8與3GPPR9應(yīng)有各自相對(duì)獨(dú)立的基礎(chǔ)端口，前者的專(zhuān)用傳輸模式為T(mén)M7，后者則是TM8。TM7基于的專(zhuān)用導(dǎo)頻端口為單端口5，MT8基于的專(zhuān)用導(dǎo)頻端口則分別為端口7與端口8。3GPPR8與3GPPR9各自支持的波束賦形技術(shù)也有所不同，前者為單流技術(shù)，后者為雙流技術(shù)。3GPP現(xiàn)有的協(xié)議內(nèi)容中規(guī)定，LTE中的eNode B上，TDD與FDD一樣選擇專(zhuān)用導(dǎo)頻模式進(jìn)行波束賦形，然而TD-LTE是唯一針對(duì)終端要求強(qiáng)制具備波速賦形解調(diào)數(shù)據(jù)的功能。

應(yīng)用智能天線后的TD-LTE峰值速度、小區(qū)覆蓋范圍、邊緣用戶吞吐量等方面具有提高質(zhì)量、提升性能的作用。特別是當(dāng)MIMO多天線結(jié)合智能天線組合使用后，針對(duì)不同用戶波束賦形情況都能使原有性能得以提升。比如，單用戶模式下其戶空間可獲得更大的復(fù)用增益。而多用戶模式下的系統(tǒng)又可獲得更多的分集增益?？梢?jiàn)TD-LTE下的智能天線應(yīng)用無(wú)論面對(duì)何種模式均可促進(jìn)系統(tǒng)的性能提升。

2.1單、雙流波束賦形的差異

（1）單流波束賦形。即TM7模式下的波束賦形技術(shù)，無(wú)線傳輸中的UE通過(guò)測(cè)量專(zhuān)用導(dǎo)頻估算并同步相干檢測(cè)賦形以后的等效信道。為了準(zhǔn)確估算賦形后的傳輸信道，基站在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必須同步傳送一個(gè)用以賦形的專(zhuān)用信號(hào)，這就是UE的參考信號(hào)，也即專(zhuān)有導(dǎo)頻，使用單端口5，職責(zé)為業(yè)務(wù)調(diào)解TM7模式。（2）雙流波束賦形。即TM8模式下的波束賦形技術(shù)，與TM7模式下不同處在于，TM8模式對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用導(dǎo)頻端口分別為端口Z與端口8，并新增了控制信令以及8×2的天線配置，使原有的波束賦形提升為雙流傳送。在此基礎(chǔ)上，MIMO的空間復(fù)用與波束賦形實(shí)現(xiàn)了融合，最終形成雙流波束賦形。而雙流波束賦形下還可細(xì)分為單用戶與多用戶2種技術(shù)形式。

單用戶模式下，首先通過(guò)eNode B對(duì)上行信道進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)信道狀態(tài)情況后，eNode B由得到的信道數(shù)據(jù)算出2個(gè)賦形矢量，這2個(gè)賦形矢量分別對(duì)應(yīng)2個(gè)即將發(fā)射的數(shù)據(jù)流的下行賦形。單用戶模式下的雙流賦形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)用戶在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的2個(gè)增益——空間復(fù)用增益與賦形增益以及2個(gè)數(shù)據(jù)流傳送。由此實(shí)現(xiàn)提升傳送速度的同時(shí)擴(kuò)大系統(tǒng)容量的目的。

多用戶模式下，eNode B可以采用UE反饋信息和對(duì)上行信道進(jìn)行測(cè)量2種形式匹配多用戶，匹配結(jié)束后根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)生成賦形矢量，每個(gè)矢量對(duì)應(yīng)一個(gè)UE并為每個(gè)數(shù)據(jù)流完成賦形。這種技術(shù)原理基于智能天線的定向波束理論，實(shí)現(xiàn)多用戶的Spatial Division Multiple Access——SDMA空分多址功能。

2.2SDMA空分多址應(yīng)用

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，單用戶會(huì)因?yàn)樘炀€數(shù)量、終端規(guī)格與具體使用的場(chǎng)景限制而基本不能支持高Rank的數(shù)據(jù)輸送。所謂Rank是分解EBB（信道矩陣）后特征值除零以外的特征向量的數(shù)量。eNode B端會(huì)收到由UE處測(cè)得的Rank Indicator（RI，Rank數(shù)值），并根據(jù)RI在傳輸空間劃分出互不關(guān)聯(lián)、彼此獨(dú)立的信道量。當(dāng)通信系統(tǒng)中出現(xiàn)較多用戶時(shí)，eNode B端會(huì)選擇具有相對(duì)最強(qiáng)空間獨(dú)立性的2個(gè)UE，而如果eNode B端擁有多天線，則可利用賦形技術(shù)的空間隔離功能同時(shí)對(duì)多個(gè)UE進(jìn)行傳輸，這也是MIMO多用戶技術(shù)，也可稱(chēng)為MIMO多用戶與賦形技術(shù)的融合。因此，對(duì)于雙流波束賦形來(lái)說(shuō)，處于多UE狀態(tài)下時(shí)，這一技術(shù)的先進(jìn)性才能得到更大的發(fā)揮。

3需要注意的問(wèn)題

誤差現(xiàn)象是智能天線應(yīng)用于TD-LTE時(shí)需要引起注意的問(wèn)題。任何智能天線都不可能完美無(wú)缺，由于幅度或相位難以避免存在誤差，就會(huì)對(duì)天線副瓣的波束指向、電平、增益存在不同程度的影響。天線誤差現(xiàn)象一般有2種：隨機(jī)性與相關(guān)性。隨機(jī)性誤差指設(shè)備制造過(guò)程中由于精度問(wèn)題造成的物理性機(jī)械誤差，諸如輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、移相器與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)本身存在的問(wèn)題都可能引發(fā)誤差。天線單元的數(shù)量與誤差造成的影響呈正比關(guān)系，即一個(gè)陣列中的天線單元個(gè)數(shù)越少，則其誤差對(duì)性能的負(fù)面影響就越大，此時(shí)需要更加嚴(yán)格地控制誤差允量。為使相位誤差或幅度誤差減少至最少，可行的辦法是建造低副瓣天線。

相關(guān)誤差與隨機(jī)誤差的不同在于其負(fù)面影響主要引起高電平峰值副瓣，這比隨機(jī)誤差影響天線性能的程度更深。一個(gè)比較典型的例子就是移相器存在的周期性相位誤差問(wèn)題。陣列式天線由于本質(zhì)上的大規(guī)模與高成本特點(diǎn)，往往采取子陣結(jié)合的模式，而子陣模式又必然存在著結(jié)構(gòu)的周期性，由此產(chǎn)生出難以避免的高電平周期性柵瓣問(wèn)題。解決這類(lèi)問(wèn)題主要應(yīng)在天線設(shè)計(jì)階段予以規(guī)避。

4結(jié)語(yǔ)

智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用還屬于發(fā)展初期的前沿科技，雖然其技術(shù)的先進(jìn)性已經(jīng)在許多具體應(yīng)用場(chǎng)景中得到了展示，但不可否認(rèn)的是這一技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，仍然存在不少亟待解決的問(wèn)題。信息時(shí)代無(wú)線通信市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)對(duì)技術(shù)提出升級(jí)換代要求的現(xiàn)實(shí)局面及現(xiàn)有LTE在抗干擾和性能提升方面的迫切需要是促成智能天線應(yīng)用于TD-LTE的推動(dòng)力，也對(duì)既有的TDD技術(shù)中波束賦形優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展提出了更高的要求。當(dāng)前在TD-LTE智能天線應(yīng)用中仍有標(biāo)準(zhǔn)尚待完善、性能仍需檢測(cè)等不足之處，但從整體發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，在LTE與TDD的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，智能天線在TD-LTE的應(yīng)用和研究必將對(duì)未來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的走向產(chǎn)生舉足輕重的作用。