TD-LTE智能天線性能分析和應(yīng)用研究

李偉輝 鄔建軍

摘? 要：智能天線通過多根天線之間的相干操作，可以使得信號(hào)向固定方向傳輸，從而擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，提升信號(hào)的傳輸距離，從而提升整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完備了，在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，第四代天線還有著一定的缺陷，不能滿足TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的需求。為了更好地提升4G網(wǎng)絡(luò)的性能，本文重點(diǎn)分析了智能天線，詳細(xì)闡述了其對(duì)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的意義。

關(guān)鍵詞：智能天線;波束賦形;自適應(yīng);電調(diào)

中圖分類號(hào)：TN929.5;TN821.91? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0067-03

Abstract：Smart antennas can transmit signals in a fixed direction through the coherent operation of multiple antennas，thus expanding the coverage of signals and increasing the transmission distance of signals，thereby improving the performance of the whole wireless communication system. In the third generation mobile communication system，smart antenna technology is relatively complete. In the fourth generation mobile communication system，the fourth generation antenna still has some defects，which can not meet the needs of TD-LTE network. In order to improve the performance of 4G network better，this paper focuses on the analysis of smart antenna and elaborates its significance to TD-LTE network.

Keywords：smart antenna;beamforming;adaptive;electrical tuning

0? 引? 言

經(jīng)過近年來(lái)的不斷發(fā)展，移動(dòng)終端的數(shù)量每年都在飛速增長(zhǎng)，尤其到了如今的4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，移動(dòng)通信的用戶數(shù)量也呈爆炸式增長(zhǎng)。由2G的專用語(yǔ)音通信發(fā)展到今日的數(shù)據(jù)通信，如何在有限的頻譜資源上擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量已經(jīng)成為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)部署中的一個(gè)熱點(diǎn)話題。一味地增加基站的數(shù)量，提升基站覆蓋率，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)帶寬要求。智能天線從無(wú)線通信領(lǐng)域出發(fā)，通過在空中信道實(shí)現(xiàn)多層次的復(fù)用，在滿足4G網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的同時(shí)，也不用投入大量的資源成本從基站的角度做增益，是一個(gè)很棒的優(yōu)化選項(xiàng)。

智能天線經(jīng)過了3G時(shí)代的發(fā)展，各種技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完備，其后，雖然由于4G自身的特點(diǎn)存在一定局限性，但目前智能天線廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方面，被認(rèn)為是未來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，智能天線也是未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。

在3G時(shí)代，智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中表現(xiàn)得十分杰出。智能天線在3G網(wǎng)絡(luò)中取得優(yōu)越性能的原因是智能天線上行鏈路和下行鏈路的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)槠鋵?duì)稱性，智能天線的高效率得以充分發(fā)揮。此外，智能天線在降低小區(qū)間的干擾、對(duì)抗多徑衰落等方面都有著很重要的作用。

4G網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)必然的趨勢(shì)，經(jīng)過了這么多年3G的積累，以及4G自身多年的發(fā)展，必然要結(jié)合3G網(wǎng)絡(luò)中極其優(yōu)秀的智能天線技術(shù)，從而提升TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的性能。

1? TD-LTE智能天線基本組成及原理

智能天線的別名是自適應(yīng)天線陣列，它結(jié)合了自適應(yīng)天線技術(shù)和陣列天線技術(shù)，在自適應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)引入了各種定位信號(hào)源等用途的智能算法，形成了特有的智能天線技術(shù)。

通過基站內(nèi)不同天線的相關(guān)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)向特定目的地發(fā)送信息的作用。智能天線通過波束賦型等技術(shù)，可以在發(fā)端就把多根天線集合到一起，實(shí)現(xiàn)空間濾波和定位的目的。智能天線實(shí)際上就是通過已知的天線和小區(qū)的位置信息，使用信號(hào)本身固有的相位特性來(lái)對(duì)抗多徑，進(jìn)而通過各種算法定位信號(hào)源。

與傳統(tǒng)的TDMA等多址方式不同，智能天線采用了空分多址的思路。在碼率一樣、頻率一樣、時(shí)間結(jié)構(gòu)一樣的情況下，空分多址技術(shù)特有的空間傳播路徑仍然可以不同。

智能天線從用途上，可以詳細(xì)劃分為三個(gè)部分。首先是信號(hào)處理部分，這個(gè)模塊根據(jù)移動(dòng)通信的場(chǎng)景，分析天線接收端接收到的信號(hào)的特性，進(jìn)而把控天線發(fā)送端和接收端的一些傳輸性質(zhì)。信號(hào)處理部分依據(jù)的移動(dòng)通信場(chǎng)景，也可能是在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí)，通信對(duì)端關(guān)于發(fā)送信號(hào)接收情況的反饋信息。除了信號(hào)處理部分，智能天線還包括射頻天線陣列和波束賦型部分。射頻天線陣列部分是在基站完成空間過采樣的過程。

天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。已經(jīng)決定了采用什么樣的天線陣列的形式之后，就要慎重地考慮應(yīng)該選用什么樣的天線單元。在天線單元的選擇過程中，需要考慮天線本身的特性以及天線需要達(dá)到的指標(biāo)，此外還需要滿足天線單元的互相耦合特性小這一條件。

信號(hào)處理模塊決定著整個(gè)智能天線的性能，不同的信號(hào)處理模塊有著不同的信號(hào)處理算法，不同的算法有著不同的性能和復(fù)雜度，在設(shè)計(jì)智能天線的過程中，選擇性能優(yōu)良的算法尤為重要。因?yàn)橹悄芴炀€的用途有很多，因此為了滿足不同的用途，信號(hào)處理模塊的算法也大不相同，性能有優(yōu)有劣，可能特定算法在保證性能的時(shí)候復(fù)雜度達(dá)不到要求，有時(shí)可能成本超出預(yù)算，因此在設(shè)計(jì)智能天線的過程中，應(yīng)該各種算法相互補(bǔ)充，優(yōu)劣互補(bǔ)，在達(dá)到最優(yōu)的性能的同時(shí)滿足更多的需求。

2? TD-LTE智能天線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

無(wú)線通信系統(tǒng)中，多徑衰落、多徑干擾以及多徑延遲都會(huì)造成空中信道中傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真混疊和延遲等負(fù)面影響，大大降低了通信的質(zhì)量和用戶的體驗(yàn)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中往往需要把防多徑放在重要地位。此外，共信道干擾也是一個(gè)必須考慮的方面，共信道干擾值的大小決定著網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)用。針對(duì)這兩個(gè)問題，智能天線能夠完美地應(yīng)對(duì)。

智能天線通過多徑減少不同信號(hào)之間的干擾，降低多徑的負(fù)面影響，同時(shí)增大了系統(tǒng)的容量。

智能天線的主要優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：

（1）提高系統(tǒng)容量。在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶和用戶之間存在著相互干擾的問題，智能天線為了解決這一問題，將波束零點(diǎn)瞄準(zhǔn)其他的用戶，進(jìn)而大大降低了用戶和用戶之間存在的干擾。通過智能天線，移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾大幅度降低，天線接收端信號(hào)干噪比大大提升，可以更有效地利用有限的頻譜資源，因此系統(tǒng)容量大大提升。

（2）擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域。智能天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收端，對(duì)信號(hào)采用相干操作，多根天線集合到一起，可以大大地增加增益，從而提升接收和發(fā)射的功率，從這種程度上來(lái)說，大大地增加了天線發(fā)射和接收信號(hào)的距離，同時(shí)也增加了智能天線的覆蓋范圍。

（3）改善鏈路質(zhì)量。智能天線采用了空分復(fù)用的技術(shù)，與之對(duì)應(yīng)的分集方式是空間分集，在多發(fā)多收的空中信道中，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的多發(fā)多收，進(jìn)而大大改善鏈路質(zhì)量。

（4）減少多徑干擾影響。智能天線是陣列天線和自適應(yīng)天線的結(jié)合體，采用陣列天線，同時(shí)引入空間分集技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收的功能，進(jìn)而把多徑干擾分配到多個(gè)信道，從而使得多徑干擾最小化，極大地降低了多徑干擾對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響。

（5）抗衰落。智能天線可以有目的性，同時(shí)自適應(yīng)的確定信號(hào)發(fā)射和接受的方向，多根天線結(jié)合到一起能獲得更高的增益，此外結(jié)合智能天線的空間分集技術(shù)，可以極大地降低移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸時(shí)遇到衰落問題的概率。

3? TD-LTE智能天線的應(yīng)用

智能天線在4G網(wǎng)絡(luò)中，通常都是由8個(gè)天線組成一個(gè)8天線集成天線系統(tǒng)，這8根天線保持同心陣列的結(jié)構(gòu)，能夠獲得更高的增益。

4G網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于之前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，小區(qū)正朝著“小型化”和“智能化”發(fā)展，這就給智能天線提出了新的挑戰(zhàn)和方向。

為了配合移動(dòng)通信中小區(qū)智能化和小型化的規(guī)劃指標(biāo)，智能天線中的波束賦型也應(yīng)該朝著智能化和高效化的方向去設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，為了適應(yīng)智能天線的多目標(biāo)設(shè)計(jì)，基站的分布以及站點(diǎn)高度等設(shè)置也應(yīng)該更加靈活。

智能天線可以根據(jù)信號(hào)和小區(qū)的信息，以及信號(hào)的特性，估計(jì)出信號(hào)源的位置，因此在使用了智能天線后，終端不需要配備定位的功能，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)也不需要分配專門的資源來(lái)定位這項(xiàng)業(yè)務(wù)，因此提高了頻譜利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的成本。

時(shí)分雙工的工作模式，使得智能天線上行鏈路和下行鏈路傳輸是對(duì)稱的，因此可以使得傳輸過程中的干擾大大降低，進(jìn)而能夠極大地提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵性技術(shù)，要與智能天線結(jié)合到一起，需要從多方面考慮，譬如結(jié)合到一起之后的性能如何？算法復(fù)雜度高不高？實(shí)現(xiàn)難度大不大？成本是否在預(yù)算之內(nèi)？需要在各種組合之間去做一個(gè)妥協(xié)，從而滿足各方面的要求。

為了滿足4G網(wǎng)絡(luò)提出的智能化和小型化等要求，智能天線應(yīng)該滿足如下要求：

（1）電調(diào)化：采用特定算法，調(diào)整波束賦型后天線發(fā)射信號(hào)的方向。

（2）寬帶化：智能天線應(yīng)該在2G、3G、4G以及Wi-MaX全部頻段都有工作。

（3）集成化：既可契合環(huán)境又可節(jié)約成本的適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)制式的一體化智能天線。

（4）情景化：在智能天線的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該既考慮到天線的美觀，又考慮到天線的性能。

（5）小型化：為應(yīng)對(duì)4G小型化，智能天線在設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)做到小型化，采用新型的介質(zhì)諧振器。

此外，在4G網(wǎng)絡(luò)中，為了避免干擾，智能天線需要滿足小區(qū)之間一起調(diào)試的方案。同時(shí)還要考慮多小區(qū)對(duì)一個(gè)用戶進(jìn)行的多發(fā)一的波束賦型，通過在各種特殊場(chǎng)景下進(jìn)行的測(cè)試以達(dá)到提升其信號(hào)強(qiáng)度、提高資源供給的目的。按照這種方法，不斷地規(guī)劃和優(yōu)化，4G網(wǎng)絡(luò)專用的智能天線的智能特征將會(huì)越來(lái)越明顯，越來(lái)越符合4G指標(biāo)的需求，智能效果也將越來(lái)越好。

當(dāng)然，不可避免，TD-LTE智能天線在某些方面的工程應(yīng)用中存在難度，與其他所有的先進(jìn)技術(shù)一樣，4G網(wǎng)絡(luò)的智能天線發(fā)展也是一個(gè)漸變和不斷完善的過程，在4G網(wǎng)絡(luò)部署初期，必然有很多智能天線相關(guān)問題達(dá)不到工程實(shí)現(xiàn)的要求，或者達(dá)標(biāo)需要的實(shí)現(xiàn)成本較高，因此在網(wǎng)絡(luò)部署的初期，可以采用稍微低性價(jià)比的技術(shù)代替，相信伴隨著TD-LTE系統(tǒng)基站的大量建設(shè)，在情景化、小型化、電調(diào)化、寬帶化和集成化等各方面不斷進(jìn)步的情況下，智能天線將在4G網(wǎng)絡(luò)后期發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

4? 結(jié)? 論

智能天線技術(shù)在3G網(wǎng)絡(luò)中使用多年，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而不斷完善，已經(jīng)是很完備很實(shí)用的技術(shù)了。在4G網(wǎng)絡(luò)中，智能天線也發(fā)揮著極強(qiáng)的作用，在4G部署和運(yùn)營(yíng)的后期，智能天線必然在4G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)中占有一席之地。智能天線采用多天線相干特性，產(chǎn)生了一種大增益的目標(biāo)明確的傳輸方式，大大地提升了移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)脑鲆?，進(jìn)而增大了傳輸距離，降低了信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，提高了接收端信號(hào)的信噪比，提升了移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：李偉輝（1978-），男，漢族，廣東河源人，高級(jí)設(shè)計(jì)主管，工程師，本科，研究方向：無(wú)線通信工程規(guī)劃與設(shè)計(jì);鄔建軍（1972-），男，漢族，湖南沅江人，無(wú)線院移動(dòng)室經(jīng)理，高級(jí)工程師，本科，研究方向：移動(dòng)通信。