TD-SCDMA智能天線(xiàn)系統的特點(diǎn)及測試

摘要　

本文簡(jiǎn)要介紹了智能天線(xiàn)的原理、智能天線(xiàn)陣的物理特性和波束賦形、智能天線(xiàn)算法的實(shí)現。最后對TD-SCDMA智能天線(xiàn)的現場(chǎng)測試進(jìn)行了分析，指出了測試時(shí)應注意的事項。

1、智能天線(xiàn)的原理

　　智能天線(xiàn)通常被定義為一種安裝于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接入系統基站側的天線(xiàn)陣列，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線(xiàn)單元，獲取基站和移動(dòng)臺之間各個(gè)鏈路的方向特性。其原理是將無(wú)線(xiàn)電信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準用戶(hù)信號到達方向（direction of arrival，DOA），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號并消除或抑制干擾信號的目的。同時(shí)，智能天線(xiàn)技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號空間特征的差異，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。

　　在TD-SCDMA系統中智能天線(xiàn)基本思想是：天線(xiàn)以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶(hù)，接收模式下，來(lái)自窄波束之外的信號被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶(hù)接收的信號功率最大，同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶(hù)受到的干擾最小。智能天線(xiàn)是利用用戶(hù)空間位置的不同來(lái)區分用戶(hù)，在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下。仍然可以根據信號不同的空間傳播路徑來(lái)區分。

　　TD-SCDMA由于上下行無(wú)線(xiàn)鏈路使用同一載頻，無(wú)線(xiàn)傳播特性近似相同，能夠很好地支持智能天線(xiàn)技術(shù)，智能天線(xiàn)的使用增加了TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)接口的容量。

　　TD-SCDMA智能天線(xiàn)主要實(shí)現2種波束：廣播波束和業(yè)務(wù)波束。廣播波束是在廣播時(shí)隙形成，實(shí)現對整個(gè)小區的廣播，所以要求波束寬度很寬，盡量做到小區無(wú)縫隙覆蓋。業(yè)務(wù)波束是在建立具體的通話(huà)鏈路后形成，也就是形成跟蹤波束，它會(huì )針對每一個(gè)用戶(hù)形成一個(gè)很窄的波束，這些波束會(huì )緊緊地跟蹤用戶(hù)。由于波束很窄，能量比較集中。在相同功率情況下，智能天線(xiàn)能將有用信號強度增加，同時(shí)減小對其他方向用戶(hù)的干擾，由于智能天線(xiàn)能很好地集中信號，所以發(fā)射機可以適當地減小發(fā)射功率。

2、智能天線(xiàn)陣的物理特性和波束賦形

　　常見(jiàn)的智能天線(xiàn)陣列一般分為360°全向陣列和120°平面扇區陣列。全向天線(xiàn)陣主要適用于用戶(hù)密度較低的農村地區和偏遠山區，可作360°全向小區覆蓋。平面天線(xiàn)陣主要覆蓋120°的扇形區域。通常一個(gè)三扇區基站便可以覆蓋360°范圍。平面天線(xiàn)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(xiàn)的主流，應用于用戶(hù)密集的廣大城區環(huán)境的覆蓋。

　　智能天線(xiàn)陣的陣元個(gè)數通常為4-16個(gè)。目前系統中用得比較多的是8個(gè)陣元振子構成的天線(xiàn)陣。天線(xiàn)陣元數越多，其增益越高，波束賦形的能力亦越強，但同時(shí)造價(jià)和實(shí)現的復雜度也會(huì )大大增加。在將來(lái)，估計4陣元的智能天線(xiàn)也會(huì )逐漸投入應用，可以在降低系統實(shí)現成本的基礎上提供更為經(jīng)濟的選擇。當然。具體應用需要同時(shí)考慮經(jīng)濟性與性能之間的平衡。

　　智能天線(xiàn)每個(gè)天線(xiàn)陣元物理特性完全一樣，因而單天線(xiàn)波瓣圖具有非常相似的特征。多個(gè)天線(xiàn)陣元以一定的間距（通常為1/2λ）排列成天線(xiàn)陣列。再通過(guò)算法對各個(gè)天線(xiàn)陣元的信號（包括振幅和相位）進(jìn)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(xiàn)單個(gè)陣元在垂直和水平方向的波瓣。

圖1　單天線(xiàn)垂直方向

圖2　單天線(xiàn)水平方向

　　從圖1、圖2可以看出。全向智能天線(xiàn)的單天線(xiàn)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(gè)單天線(xiàn)陣元環(huán)形排列成圓陣后，其實(shí)際波束將由各天線(xiàn)陣元不同權重因子的激勵信號來(lái)決定。

　　圖3、圖4是2種典型的全向智能天線(xiàn)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(xiàn)在組成陣列后，可以形成類(lèi)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所用用戶(hù)，主要用于公用信道（PCCPCH，SCCPCH，PICH，FPACH等）作系統廣播。而指向性波束承載業(yè)務(wù)信道（DPCH）主要對指定用戶(hù)方向進(jìn)行業(yè)務(wù)波束賦形，減少對其他方向用戶(hù)的干擾。

　　8陣元智能天線(xiàn)平面陣是由8個(gè)相隔一定間距的天線(xiàn)陣元依次排列而形成的直線(xiàn)陣列。通常天線(xiàn)校準口位于陣列正中，即第4和第5個(gè)陣元之間。各單天線(xiàn)陣元除位置不同外，仍和全向天線(xiàn)一樣，具有完全相同的物理特性。平面智能天線(xiàn)陣的賦形特性較全向天線(xiàn)陣有較大不同。

　　對于廣播波束，需要考慮對于整個(gè)120°小區的均勻覆蓋。在實(shí)際布網(wǎng)時(shí)。小區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計可以接近小區理想的蜂窩六邊形。

　　對于業(yè)務(wù)波束，雖然在不同角度上智能天線(xiàn)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(hù)的干擾。在業(yè)務(wù)波束中，通常與法線(xiàn)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(xiàn)算法的實(shí)現

　　智能天線(xiàn)算法主要分為切換波束算法和自適應算法。在TD-SCDMA系統中，2種算法都有應用。TD-SCDMA通過(guò)采用波束賦形算法，形成空間定向波束，使天線(xiàn)陣列方向圖主瓣對準用戶(hù)信號DOA，旁瓣或零陷對準干擾信號DOA，因此能充分利用移動(dòng)用戶(hù)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(hù)，其波束指向是固定的，波束寬度也隨天線(xiàn)陣元數目而確定。當用戶(hù)在小區中移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)測向確定用戶(hù)信號DOA，然后根據信號DOA選取預先設定的波束賦形系數進(jìn)行加權，將方向圖的主瓣指向用戶(hù)方向，從而提高用戶(hù)的信噪比。EBB算法是一種自適應的波束賦形算法，方向圖沒(méi)有固定的形狀，隨著(zhù)信號及干擾而變化。其原則是使期望用戶(hù)接收功率最大的同時(shí)，還要滿(mǎn)足對其他用戶(hù)干擾最小。

　　自適應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(hù)接收功率、減少對非期望用戶(hù)的發(fā)射功率以及靈活適應各種不同天線(xiàn)陣列類(lèi)型更有優(yōu)勢。同時(shí)，自適應算法在波束產(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確地對用戶(hù)所在實(shí)際位置進(jìn)行賦形。在多徑環(huán)境下，指向用戶(hù)的波束也可能會(huì )有多個(gè)，其根本目標是提高期望用戶(hù)的載干比并避免對其他用戶(hù)形成干擾。綜合來(lái)看，自適應算法將會(huì )是智能天線(xiàn)波束賦形算法發(fā)展的方向。

4、TD-SCDMA智能天線(xiàn)的現場(chǎng)測試要點(diǎn)

　　對于智能天線(xiàn)的性能測試，首先需要對智能天線(xiàn)陣物理性能進(jìn)行測試。這類(lèi)測試需要建立專(zhuān)門(mén)的電磁測試環(huán)境，在暗室（anechoic chamber）內進(jìn)行。智能天線(xiàn)的物理性能測試一般會(huì )由專(zhuān)業(yè)的智能天線(xiàn)制造廠(chǎng)家在專(zhuān)門(mén)的測試平臺上進(jìn)行，其相關(guān)技術(shù)測試數據對智能天線(xiàn)在TD-SCDMA系統中的設計與實(shí)現非常重要。

　　對于智能天線(xiàn)在TD-SCDMA系統中的測試流程，在室內部分通常分為在實(shí)驗室的白箱測試、黑箱測試以及系統集成測試，其主要目的是對算法實(shí)現與軟硬件集成進(jìn)行功能性驗證。而對智能天線(xiàn)在TD-SCDMA系統中綜合性能的評判，最后還需在外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行。TD-SCDMA智能天線(xiàn)外場(chǎng)測試主要目的是通過(guò)外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，驗證智能天線(xiàn)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(shí)現上的差異，但各類(lèi)智能天線(xiàn)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(shí)際的現場(chǎng)測試中，也可以通過(guò)合理的測試用例進(jìn)一步驗證智能天線(xiàn)在實(shí)際系統中的性能。

　　一般來(lái)講?，F場(chǎng)對智能天線(xiàn)的測試可分為：智能天線(xiàn)通信鏈路性能測試和智能天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )性能測試。通信鏈路性能測試主要關(guān)注在單小區情況下，智能天線(xiàn)在DOA跟蹤、天線(xiàn)上下行增益、干擾消除方面的性能。智能天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )性能驗證，一般需要在TD-SCDMA組網(wǎng)的條件下進(jìn)行。尤其在同頻組網(wǎng)條件下，可以充分驗證智能天線(xiàn)技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等對于同頻網(wǎng)絡(luò )鄰區干擾的抑制作用，并可驗證智能天線(xiàn)技術(shù)最終轉化為對系統的覆蓋、容量以及網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的提升作用。必須指出。在實(shí)際測試中。對于特定的站點(diǎn)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(shí)際外場(chǎng)情況下，站點(diǎn)周?chē)⒉皇抢硐氲膫鞑キh(huán)境。建筑物的阻擋，多徑傳播與干擾，實(shí)際信道環(huán)境與理想信道模型的差別，具體站點(diǎn)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(jìn)而對測試結果造成影響。因此選擇合適的測試站點(diǎn)、盡量簡(jiǎn)化測試配置以及排除不確定的干擾因素可以進(jìn)一步提高測試的準確性。

　　在覆蓋測試中還需要注意，對于不同的業(yè)務(wù)，首先必須從鏈路預算及實(shí)測結果中判斷業(yè)務(wù)是受限于上行還是下行，因為這也會(huì )影響到最終結論。下面通過(guò)幾個(gè)測試用例及實(shí)際測試結果來(lái)說(shuō)明智能天線(xiàn)在現場(chǎng)測試的情況。

　　4.1　DOA的跟蹤

　　測試終端在基站周?chē)囊苿?dòng)過(guò)程中，智能天線(xiàn)可通過(guò)對測試終端上行信號的估計，產(chǎn)生相應的下行波束指向被測用戶(hù)。在基站側，專(zhuān)用的監測工具軟件可以根據智能天線(xiàn)不同天線(xiàn)單元工作時(shí)的權重因子，計算出實(shí)際天線(xiàn)生成的波束指向。在終端圍繞基站天線(xiàn)移動(dòng)的情況下，由于權重因子的不斷調整和變化，波束指向也會(huì )隨著(zhù)變化。而實(shí)際終端相對于基站在某一時(shí)刻的具體位置亦可在測試過(guò)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(hù)的上行進(jìn)行估計，并對每一用戶(hù)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(guò)限定測試終端移動(dòng)的范圍，在移動(dòng)路線(xiàn)中進(jìn)行若干定點(diǎn)測試，并提取該時(shí)刻對應的基站側實(shí)時(shí)天線(xiàn)權重因子，再由該權重因子所激勵的天線(xiàn)波束指向與實(shí)際終端相對基站位置進(jìn)行比較。由于扇區天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)在基站一側打開(kāi)和關(guān)閉波束賦形，可以很容易通過(guò)測試進(jìn)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(xiàn)自身的增益（多天線(xiàn)接收）并不通過(guò)軟件開(kāi)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(jìn)行。如通過(guò)固定上行的信噪比來(lái)比較單天線(xiàn)和8天線(xiàn)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(xiàn)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(hù)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，無(wú)論從鏈路預算結果還是實(shí)測結果，在城區環(huán)境下都是上行受限。所以在測試開(kāi)始前，為了簡(jiǎn)化測試條件，必須通過(guò)OAM設置，降低基站發(fā)射功率，使上行受限轉化為下行受限。實(shí)際上，也可以通過(guò)增加小區用戶(hù)數和對下行加擾的方式，使上行受限轉變成下行受限。

　　在測試中，系統功率控制會(huì )大大影響智能天線(xiàn)測試結果，應該關(guān)閉。測試過(guò)程選取與線(xiàn)陣天線(xiàn)0°主波束（-90°～+90°）方向大致相同的路線(xiàn)進(jìn)行。利用路測工具分別記錄在同一路線(xiàn)上測試終端在波束賦形開(kāi)啟和關(guān)閉情況下的下行碼功率和掉話(huà)點(diǎn)，并進(jìn)行對比。

　　實(shí)測路測數據顯示，波束賦形開(kāi)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(shuō)明在同等條件下，波束賦形開(kāi)啟比波信道賦形增益。

　　4.3　智能天線(xiàn)容錯性能測試

　　不管是全向智能天線(xiàn)還是平面扇區智能天線(xiàn)，由于陣元數量較多，對天線(xiàn)上下行通路性能的實(shí)時(shí)狀態(tài)及天線(xiàn)校準（初始校準及周期性校準）指標有嚴格要求。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )運行中，有可能發(fā)生個(gè)別天線(xiàn)通路由于硬件或天饋系統損壞而發(fā)生故障的情況，所以有必要考慮8陣元天線(xiàn)陣工作在少于額定數量陣元時(shí)的性能。智能天線(xiàn)必須保證在只有部分通路工作時(shí)的性能仍能達到現網(wǎng)運行基本要求，至少不能因為個(gè)別天線(xiàn)通路出現故障而嚴重降低整體系統性能。

　　對于廣播波束來(lái)講，其波束賦形在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )運行期間要求保持穩定，因為廣播波束覆蓋實(shí)際反映了整個(gè)小區形狀與大小。根據網(wǎng)絡(luò )規劃原則，小區的覆蓋必須在網(wǎng)絡(luò )運行中保持穩定。在個(gè)別天線(xiàn)通路發(fā)生故障時(shí)，智能天線(xiàn)系統需要根據故障情況動(dòng)態(tài)調整各工作天線(xiàn)的廣播權重因子。保證小區形狀和大小不發(fā)生過(guò)度畸變并對故障通路做定期檢測。在廣播波束的系統設計中，需要根據具體的某個(gè)天線(xiàn)通路發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，設計并存儲用于容錯判決的相關(guān)數據并能根據情況正確做出應對。

　　對業(yè)務(wù)波束來(lái)講，如果采用自適應的EBB算法，智能天線(xiàn)能夠最大限度根據算法來(lái)自動(dòng)優(yōu)化下行波束賦形。不受限于天線(xiàn)數目。但由于陣元數量的減少，天線(xiàn)的賦形性能會(huì )不同程度地降低。所以在實(shí)際運行中，保持天線(xiàn)系統的運行穩定性尤為重要。