TD-SCDMA智能天線系統(tǒng)的特點(diǎn)及測(cè)試

摘要　

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

1、智能天線的原理

　　智能天線通常被定義為一種安裝于移動(dòng)無線接入系統(tǒng)基站側(cè)的天線陣列，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元，獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。其原理是將無線電信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向（direction of arrival，DOA），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。

　　在TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線基本思想是：天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶，接收模式下，來自窄波束之外的信號(hào)被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大，同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分用戶，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(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑來區(qū)分。

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

　　TD-SCDMA智能天線主要實(shí)現(xiàn)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(xiàn)對(duì)整個(gè)小區(qū)的廣播，所以要求波束寬度很寬，盡量做到小區(qū)無縫隙覆蓋。業(yè)務(wù)波束是在建立具體的通話鏈路后形成，也就是形成跟蹤波束，它會(huì)針對(duì)每一個(gè)用戶形成一個(gè)很窄的波束，這些波束會(huì)緊緊地跟蹤用戶。由于波束很窄，能量比較集中。在相同功率情況下，智能天線能將有用信號(hào)強(qiáng)度增加，同時(shí)減小對(duì)其他方向用戶的干擾，由于智能天線能很好地集中信號(hào)，所以發(fā)射機(jī)可以適當(dāng)?shù)販p小發(fā)射功率。

2、智能天線陣的物理特性和波束賦形

　　常見的智能天線陣列一般分為360°全向陣列和120°平面扇區(qū)陣列。全向天線陣主要適用于用戶密度較低的農(nóng)村地區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)，可作360°全向小區(qū)覆蓋。平面天線陣主要覆蓋120°的扇形區(qū)域。通常一個(gè)三扇區(qū)基站便可以覆蓋360°范圍。平面天線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(qiáng)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智能天線的主流，應(yīng)用于用戶密集的廣大城區(qū)環(huán)境的覆蓋。

　　智能天線陣的陣元個(gè)數(shù)通常為4-16個(gè)。目前系統(tǒng)中用得比較多的是8個(gè)陣元振子構(gòu)成的天線陣。天線陣元數(shù)越多，其增益越高，波束賦形的能力亦越強(qiáng)，但同時(shí)造價(jià)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也會(huì)大大增加。在將來，估計(jì)4陣元的智能天線也會(huì)逐漸投入應(yīng)用，可以在降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本的基礎(chǔ)上提供更為經(jīng)濟(jì)的選擇。當(dāng)然。具體應(yīng)用需要同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與性能之間的平衡。

　　智能天線每個(gè)天線陣元物理特性完全一樣，因而單天線波瓣圖具有非常相似的特征。多個(gè)天線陣元以一定的間距（通常為1/2λ）排列成天線陣列。再通過算法對(duì)各個(gè)天線陣元的信號(hào)（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陣元全向智能天線單個(gè)陣元在垂直和水平方向的波瓣。

圖1　單天線垂直方向

圖2　單天線水平方向

　　從圖1、圖2可以看出。全向智能天線的單天線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)單天線陣元環(huán)形排列成圓陣后，其實(shí)際波束將由各天線陣元不同權(quán)重因子的激勵(lì)信號(hào)來決定。

　　圖3、圖4是2種典型的全向智能天線陣波束賦形。

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在組成陣列后，可以形成類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(qū)所用用戶，主要用于公用信道（PCCPCH，SCCPCH，PICH，FPACH等）作系統(tǒng)廣播。而指向性波束承載業(yè)務(wù)信道（DPCH）主要對(duì)指定用戶方向進(jìn)行業(yè)務(wù)波束賦形，減少對(duì)其他方向用戶的干擾。

　　8陣元智能天線平面陣是由8個(gè)相隔一定間距的天線陣元依次排列而形成的直線陣列。通常天線校準(zhǔn)口位于陣列正中，即第4和第5個(gè)陣元之間。各單天線陣元除位置不同外，仍和全向天線一樣，具有完全相同的物理特性。平面智能天線陣的賦形特性較全向天線陣有較大不同。

　　對(duì)于廣播波束，需要考慮對(duì)于整個(gè)120°小區(qū)的均勻覆蓋。在實(shí)際布網(wǎng)時(shí)。小區(qū)的覆蓋范圍將主要取決于廣播波束的覆蓋，所以對(duì)于廣播波束的設(shè)計(jì)可以接近小區(qū)理想的蜂窩六邊形。

　　對(duì)于業(yè)務(wù)波束，雖然在不同角度上智能天線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(duì)其他用戶的干擾。在業(yè)務(wù)波束中，通常與法線夾角為0°方向的波束具有最大的賦形增益和最窄的波瓣寬度。

3、智能天線算法的實(shí)現(xiàn)

　　智能天線算法主要分為切換波束算法和自適應(yīng)算法。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，2種算法都有應(yīng)用。TD-SCDMA通過采用波束賦形算法，形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)DOA，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)DOA，因此能充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抵消或最大程度地抑制干擾信號(hào)，從而能更有效地增加系統(tǒng)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(duì)于固定位置的用戶，其波束指向是固定的，波束寬度也隨天線陣元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，它通過測(cè)向確定用戶信號(hào)DOA，然后根據(jù)信號(hào)DOA選取預(yù)先設(shè)定的波束賦形系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。EBB算法是一種自適應(yīng)的波束賦形算法，方向圖沒有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。其原則是使期望用戶接收功率最大的同時(shí)，還要滿足對(duì)其他用戶干擾最小。

　　自適應(yīng)算法與切換波束算法相比較，在很多方面諸如：最大化期望用戶接收功率、減少對(duì)非期望用戶的發(fā)射功率以及靈活適應(yīng)各種不同天線陣列類型更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，自適應(yīng)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(zhǔn)確地對(duì)用戶所在實(shí)際位置進(jìn)行賦形。在多徑環(huán)境下，指向用戶的波束也可能會(huì)有多個(gè)，其根本目標(biāo)是提高期望用戶的載干比并避免對(duì)其他用戶形成干擾。綜合來看，自適應(yīng)算法將會(huì)是智能天線波束賦形算法發(fā)展的方向。

4、TD-SCDMA智能天線的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要點(diǎn)

　　對(duì)于智能天線的性能測(cè)試，首先需要對(duì)智能天線陣物理性能進(jìn)行測(cè)試。這類測(cè)試需要建立專門的電磁測(cè)試環(huán)境，在暗室（anechoic chamber）內(nèi)進(jìn)行。智能天線的物理性能測(cè)試一般會(huì)由專業(yè)的智能天線制造廠家在專門的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，其相關(guān)技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)非常重要。

　　對(duì)于智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中的測(cè)試流程，在室內(nèi)部分通常分為在實(shí)驗(yàn)室的白箱測(cè)試、黑箱測(cè)試以及系統(tǒng)集成測(cè)試，其主要目的是對(duì)算法實(shí)現(xiàn)與軟硬件集成進(jìn)行功能性驗(yàn)證。而對(duì)智能天線在TD-SCDMA系統(tǒng)中綜合性能的評(píng)判，最后還需在外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行。TD-SCDMA智能天線外場(chǎng)測(cè)試主要目的是通過外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，驗(yàn)證智能天線技術(shù)在鏈路性能和網(wǎng)絡(luò)性能上對(duì)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(xiàn)上的差異，但各類智能天線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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，也可以通過合理的測(cè)試用例進(jìn)一步驗(yàn)證智能天線在實(shí)際系統(tǒng)中的性能。

　　一般來講?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)智能天線的測(cè)試可分為：智能天線通信鏈路性能測(cè)試和智能天線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試。通信鏈路性能測(cè)試主要關(guān)注在單小區(qū)情況下，智能天線在DOA跟蹤、天線上下行增益、干擾消除方面的性能。智能天線網(wǎng)絡(luò)性能驗(yàn)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(yàn)證智能天線技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等對(duì)于同頻網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)干擾的抑制作用，并可驗(yàn)證智能天線技術(shù)最終轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)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(cè)試中。對(duì)于特定的站點(diǎn)環(huán)境，并不是所有的測(cè)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)周圍并不是理想的傳播環(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(cè)試業(yè)務(wù)配置等，都可能引入一些不確定因素，進(jìn)而對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。因此選擇合適的測(cè)試站點(diǎn)、盡量簡(jiǎn)化測(cè)試配置以及排除不確定的干擾因素可以進(jìn)一步提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。

　　在覆蓋測(cè)試中還需要注意，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)，首先必須從鏈路預(yù)算及實(shí)測(cè)結(jié)果中判斷業(yè)務(wù)是受限于上行還是下行，因?yàn)檫@也會(huì)影響到最終結(jié)論。下面通過幾個(gè)測(cè)試用例及實(shí)際測(cè)試結(jié)果來說明智能天線在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的情況。

　　4.1　DOA的跟蹤

　　測(cè)試終端在基站周圍的移動(dòng)過程中，智能天線可通過對(duì)測(cè)試終端上行信號(hào)的估計(jì)，產(chǎn)生相應(yīng)的下行波束指向被測(cè)用戶。在基站側(cè)，專用的監(jiān)測(cè)工具軟件可以根據(jù)智能天線不同天線單元工作時(shí)的權(quán)重因子，計(jì)算出實(shí)際天線生成的波束指向。在終端圍繞基站天線移動(dòng)的情況下，由于權(quán)重因子的不斷調(diào)整和變化，波束指向也會(huì)隨著變化。而實(shí)際終端相對(duì)于基站在某一時(shí)刻的具體位置亦可在測(cè)試過程中得知，從而能夠判斷波束賦形DOA跟蹤的有效性，

　　對(duì)于多測(cè)試終端的情況，基站將分別對(duì)每一用戶的上行進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)每一用戶產(chǎn)生特定波束。

　　在某些DOA測(cè)試用例中，對(duì)于基站的DOA定位精度可以做更為精確的測(cè)試，其思想是通過限定測(cè)試終端移動(dòng)的范圍，在移動(dòng)路線中進(jìn)行若干定點(diǎn)測(cè)試，并提取該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的基站側(cè)實(shí)時(shí)天線權(quán)重因子，再由該權(quán)重因子所激勵(lì)的天線波束指向與實(shí)際終端相對(duì)基站位置進(jìn)行比較。由于扇區(qū)天線具有很強(qiáng)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　智能天線波束賦形增益的驗(yàn)證

　　在業(yè)務(wù)為下行受限的情況下，通過在基站一側(cè)打開和關(guān)閉波束賦形，可以很容易通過測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證波束賦形增益對(duì)業(yè)務(wù)覆蓋的影響。

　　在基站的上行方向。智能天線自身的增益（多天線接收）并不通過軟件開關(guān)控制。所以對(duì)上行受限的業(yè)務(wù)測(cè)試，可以采用其他方式進(jìn)行。如通過固定上行的信噪比來比較單天線和8天線情況下測(cè)試終端發(fā)射功率的不同，得出上行接收鏈路智能天線的增益。這里主要介紹下行受限條件下的測(cè)試。由于測(cè)試中一般采用單用戶語(yǔ)音業(yè)務(wù)，無論從鏈路預(yù)算結(jié)果還是實(shí)測(cè)結(jié)果，在城區(qū)環(huán)境下都是上行受限。所以在測(cè)試開始前，為了簡(jiǎn)化測(cè)試條件，必須通過OAM設(shè)置，降低基站發(fā)射功率，使上行受限轉(zhuǎn)化為下行受限。實(shí)際上，也可以通過增加小區(qū)用戶數(shù)和對(duì)下行加擾的方式，使上行受限轉(zhuǎn)變成下行受限。

　　在測(cè)試中，系統(tǒng)功率控制會(huì)大大影響智能天線測(cè)試結(jié)果，應(yīng)該關(guān)閉。測(cè)試過程選取與線陣天線0°主波束（-90°～+90°）方向大致相同的路線進(jìn)行。利用路測(cè)工具分別記錄在同一路線上測(cè)試終端在波束賦形開啟和關(guān)閉情況下的下行碼功率和掉話點(diǎn)，并進(jìn)行對(duì)比。

　　實(shí)測(cè)路測(cè)數(shù)據(jù)顯示，波束賦形開啟業(yè)務(wù)覆蓋可達(dá)1.7 km，波束賦形關(guān)閉覆蓋僅1 km。這說明在同等條件下，波束賦形開啟比波信道賦形增益。

　　4.3　智能天線容錯(cuò)性能測(cè)試

　　不管是全向智能天線還是平面扇區(qū)智能天線，由于陣元數(shù)量較多，對(duì)天線上下行通路性能的實(shí)時(shí)狀態(tài)及天線校準(zhǔn)（初始校準(zhǔn)及周期性校準(zhǔn)）指標(biāo)有嚴(yán)格要求。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，有可能發(fā)生個(gè)別天線通路由于硬件或天饋系統(tǒng)損壞而發(fā)生故障的情況，所以有必要考慮8陣元天線陣工作在少于額定數(shù)量陣元時(shí)的性能。智能天線必須保證在只有部分通路工作時(shí)的性能仍能達(dá)到現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行基本要求，至少不能因?yàn)閭€(gè)別天線通路出現(xiàn)故障而嚴(yán)重降低整體系統(tǒng)性能。

　　對(duì)于廣播波束來講，其波束賦形在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間要求保持穩(wěn)定，因?yàn)閺V播波束覆蓋實(shí)際反映了整個(gè)小區(qū)形狀與大小。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則，小區(qū)的覆蓋必須在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中保持穩(wěn)定。在個(gè)別天線通路發(fā)生故障時(shí)，智能天線系統(tǒng)需要根據(jù)故障情況動(dòng)態(tài)調(diào)整各工作天線的廣播權(quán)重因子。保證小區(qū)形狀和大小不發(fā)生過度畸變并對(duì)故障通路做定期檢測(cè)。在廣播波束的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的某個(gè)天線通路發(fā)生的問題進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，設(shè)計(jì)并存儲(chǔ)用于容錯(cuò)判決的相關(guān)數(shù)據(jù)并能根據(jù)情況正確做出應(yīng)對(duì)。

　　對(duì)業(yè)務(wù)波束來講，如果采用自適應(yīng)的EBB算法，智能天線能夠最大限度根據(jù)算法來自動(dòng)優(yōu)化下行波束賦形。不受限于天線數(shù)目。但由于陣元數(shù)量的減少，天線的賦形性能會(huì)不同程度地降低。所以在實(shí)際運(yùn)行中，保持天線系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性尤為重要。