TD-SCDMA智能天線工程應用及演進研究

張 怡（中訊郵電咨詢設計院有限公司，四川 成都 610042）

0 前言

隨著TD-SCDMA技術(shù)商用如火如荼地開展，以及應用的不斷深入，作為其關(guān)鍵技術(shù)的智能天線技術(shù)更新?lián)Q代速度加快，TD智能天線的每一次改進和優(yōu)化對于促進TD-SCDMA技術(shù)進步和應用發(fā)展起到了極大的推動作用。因此對于智能天線的研究和工程實際應用經(jīng)驗顯得尤為重要。目前，智能天線的演進仍在不斷進行中，智能天線正在朝著小型化、雙極化、寬帶化和電調(diào)化等方面發(fā)展。

1 智能天線簡介

智能天線即一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，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方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性［1］。

移動通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，實際環(huán)境中的干擾和多徑衰落現(xiàn)象異常復雜，使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降。智能天線則是將無線電信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，到達充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。總之，自適應陣列智能天線利用基帶數(shù)字信號處理技術(shù)，通過先進的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進行自適應賦形，從而達到降低干擾、增加容量、擴大覆蓋和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的［2］。

智能天線綜合了自適應天線和陣列天線的優(yōu)點，以自適應信號處理算法為基礎，并引入人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元，而已成為一個具有智能的系統(tǒng)。智能天線以天線陣列為基礎，在取得電磁信息之后，使用人工智能的方法進行處理，對電磁環(huán)境作出分析、判斷，并自動調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達到最佳。依據(jù)天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態(tài)相控陣列和自適應陣列3類，自適應天線是智能天線的主要類型。可變波束天線依據(jù)接收功率最大原則，在幾個預設陣列波束中進行切換；動態(tài)相控陣列使用測向算法，能夠連續(xù)追蹤用戶的方向而改變天線的波束，使接收功率達到最大；自適應陣列既對用戶進行測向，又對各種干擾源進行測向，在形成波束時，不僅使接收功率最大，而且使噪聲降到最低，從而使接收信噪比最高。

智能天線一般采用6~8天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。一個典型陣列天線接收系統(tǒng)由實現(xiàn)信號空間采樣的天線陣列、對各陣元輸出進行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡、更新合并權(quán)值的控制3部分組成［3］。圖1示出的是智能天線用作接收天線時的結(jié)構(gòu)，當用它進行發(fā)射時結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡置于天線之前，也沒有相加合并器。

2 TD-SCDMA智能天線工程應用方案

目前，TD-SCDMA網(wǎng)絡在全國各地已進行了全面建設，智能天線技術(shù)作為TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，與WCDMA、CDMA2000制式的普通天線形成鮮明對比。TD智能天線經(jīng)過多年的發(fā)展，最初暴露的一些明顯問題，如體積大、抗風能力差，安全等級低，天線下傾角調(diào)節(jié)困難以及與城市景觀不和諧等，一直是TD智能天線努力克服的方向。

針對不同場景的解決方案，綜合起來主要有如下幾種。

2.1 低風阻解決方案

針對TD天線最初體積較大、抗風能力較差的缺點，天線廠家推出鏤空天線，在保證電氣指標的前提下風阻降低30%以上，同時減小了對抱桿直徑和鐵塔承載能力的要求。但此種天線在遇到冰雪天氣時，極易積雪結(jié)冰，增加天線的荷重，造成損壞，因此這種智能天線在工程中沒有得到大規(guī)模應用。

2.2 小型化、雙極化解決方案

初期的TD智能天線橫向尺寸大、風阻大，俗稱“大面板”。小型化方案可以從根本上解決智能天線體積大、質(zhì)量大等問題，采用雙極化設計使天線寬度減小1/3～1/2；并且利用極化分集彌補增益損失，從而保障雙極化天線與相同陣元的單極化智能天線性能基本相當。

2.3 隱蔽型美化解決方案

隱蔽智能天線通過美化天線外形，將天線融入周圍的環(huán)境，增強視覺感官，在保證信號覆蓋的前提下，減少了公眾對天線的恐懼，同時又不破壞城市建筑美觀。美化類型包括美化水罐、美化煙囪、美化空調(diào)、美化燈塔、美化樹等。TD天線美化技術(shù)的應用目前也較為普遍。

盡管美化天線存在很多優(yōu)點，有利于TD網(wǎng)絡的快速建設，但不可避免也存在一些不足，特別是在前期TD工程中暴露的問題，必須給予一定重視，其不足主要體現(xiàn)在以下2個方面。

a）美化天線的美化體會對智能天線的特性產(chǎn)生一定影響，影響網(wǎng)絡質(zhì)量。在天線美化過程中，全網(wǎng)規(guī)模化采用加罩美化的方式，加罩后美化天線整體有2層外罩，這需要考慮材料的透波性和結(jié)構(gòu)的安全性，美化體對整個系統(tǒng)指標產(chǎn)生一定的影響。

b）根據(jù)TD工程建設經(jīng)驗，TD天線采用的尺寸大多為1 400 mm×300 mm×120 mm。以高燈桿美化天線為例，一般TD站點需要和2G共站建設，存在共用天面問題。這樣在增加TD智能天線時，原有的美化外罩尺寸無法滿足2G、3G共用，必須增加新的外罩，導致原美化燈桿在承重和美化效果方面出現(xiàn)很大的問題，加固方案復雜，費用高，工程實施難度很大。

類似的問題還出現(xiàn)在方柱形等美化天線中。由于沒有統(tǒng)一的美化標準，而美化體的建設受環(huán)境影響，同時TD智能天線的寬度和厚度都較2G要大很多，實際工程中優(yōu)化調(diào)整時，美化體對天線方向角、下傾角有限制，常規(guī)調(diào)整通常無法調(diào)整到位，只能通過拆卸美化外罩、美化體整改等方式進行，增加了優(yōu)化調(diào)整成本。

此外，由于RRU的安裝問題，在采用加罩美化的方式時還需要考慮RRU設備和天線側(cè)供電設備的散熱問題。

2.4 電調(diào)型解決方案

TD智能天線優(yōu)化調(diào)整最初均是采用機械調(diào)整方式，利用天線安裝支架的角臂來調(diào)節(jié)下傾角度。由于天線通常都是安裝在通信塔頂或者樓頂上，調(diào)節(jié)起來費時費力。而將電調(diào)技術(shù)引入到智能天線產(chǎn)品研發(fā)中后，則可利用移相器，改變饋入每個輻射單元的信號相位，直接達到波束下傾的效果。在實現(xiàn)了遠程監(jiān)控操作以后，天線下傾角的調(diào)節(jié)不僅可以在通信塔現(xiàn)場進行，也可以選擇在機房中通過網(wǎng)絡遠程完成，節(jié)約人工維護成本。因此，電調(diào)智能天線使TD網(wǎng)絡優(yōu)化工作更加快捷和便利，目前工程應用中的TD智能天線基本都是可以電調(diào)的。

2.5 RRU一體化解決方案

初期TD智能天線的“一縷辮子，兩個瘤子”現(xiàn)象突出，而RRU一體化智能天線的出現(xiàn)，徹底改變了這種現(xiàn)象。它是將中頻信號拉遠，把有源電路部分和無源天線部分結(jié)合起來，將RRU與智能天線采用盲插式接頭結(jié)合在一起無需電纜連接，另外用3根光纖替代數(shù)量眾多的射頻電纜。此種方式外形美觀，施工便利；減少系統(tǒng)電纜連接，提高系統(tǒng)可靠性；減小射頻損耗，提高系統(tǒng)性能；采用盲插式連接，方便安裝、拆裝，安裝時間降低90%，便于施工與維護。因此，RRU一體化將是智能天線應用的發(fā)展重要趨勢之一。

目前TD工程中已經(jīng)基本采用RRU一體化智能天線，并且支持TD的3個頻段。可以說RRU一體化智能天線是智能天線小型化、美觀化、寬頻化等多種趨勢的結(jié)合體，其應用相當廣泛。

目前RRU一體化產(chǎn)品主要是將RRU放置在天線的背后，對比一體化電調(diào)天線和傳統(tǒng)的加罩美化方式，一體化天線具有較大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a）采用一體化，射頻指標優(yōu)于加罩美化方式，天線波形基本不發(fā)生畸變。

b）施工簡便，查勘基站、施工一次完成。

c）尺寸大幅度減小，施工難度降低。

d）維護簡便，實現(xiàn)電子調(diào)節(jié)下傾角，不用拆卸外罩調(diào)整。

e）在成本方面一體化天線成本相比傳統(tǒng)加罩美化天線成本領先。

表1對RRU一體化天線架設工程與天線加罩美化工程的成本進行了比較，總體上RRU一體化天線可節(jié)省成本約15%。同時，其在網(wǎng)絡優(yōu)化和網(wǎng)絡調(diào)整過程中的整體優(yōu)勢，勢必隨著網(wǎng)絡中美化天線的大規(guī)模使用顯得更加明顯。

3 TD-SCDMA智能天線的演進

3.1 外觀結(jié)構(gòu)演進

3.1.1多頻共用天線

由于3G標準很多，不同的標準對天線的要求有所不同。不同廠家對于智能天線都已開發(fā)出多樣化的產(chǎn)品，有全向天線、定向型天線、八陣元、六陣元等，這些天線都已在前期TD網(wǎng)絡建設中得到了應用。再加上目前移動通信有多種制式，往往一個地區(qū)就有多家運營商，致使天線林立、影響環(huán)境、浪費嚴重。這就要求把多制式的天線集成在一起，以滿足日益緊張的天面資源不足的要求。因此天線向多頻共用天線發(fā)展也是一個必然的趨勢。

不過無線網(wǎng)絡的覆蓋與天線關(guān)系最直接相關(guān)，而不同頻段的傳播特性不同，多頻共用天線在網(wǎng)絡優(yōu)化中將面臨較大的挑戰(zhàn)，如方向角、下傾角等如何按照不同頻率調(diào)整。目前，部分廠家已經(jīng)能夠提供分別調(diào)整各種頻段下傾角的多頻天線，但方向角無法分開獨立調(diào)整。

顯見，多頻共用天線在工程實施、成本方面有很多優(yōu)勢，但多頻共用天線要想快速發(fā)展，如何解決網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整的問題是個關(guān)鍵，同時關(guān)于智能天線和其他頻段天線共用還處在研究和探討階段，是今后科研繼續(xù)跟蹤的一個重點。

表1 加罩美化天線與RRU一體化天線對比表

3.1.2寬頻一體化天線

業(yè)內(nèi)已推出天線一體化RRU，將天饋系統(tǒng)與RRU集成于智能天線，有效解決了天線饋線多和RRU安裝外形突出的問題，在減少損耗的同時收到了節(jié)能環(huán)保、降低建站成本的效果，也方便了站址選擇。目前天線一體化RRU在絕大部分城市規(guī)模部署后，效果較好。隨著城區(qū)站址資源的日趨緊張，天線一體化RRU在TD后續(xù)建設中會有更大規(guī)模應用。

隨著TD網(wǎng)絡的逐步建設，TD技術(shù)的發(fā)展，智能天線寬帶化的問題必須解決，F(xiàn)、A、E 3個頻段都需要進行全覆蓋，從而避免天線更新?lián)Q代時產(chǎn)生資源浪費，同時降低智能天線天面安裝的難度。

在后續(xù)技術(shù)演進上，RRU和天線系統(tǒng)平滑升級，當TD-LTE與TD采用相同的頻段，天線可復用，RRU軟件升級支持TD-LTE。

根據(jù)TD工程建設經(jīng)驗，寬頻一體化天線將會向以下方面演進。

a）FA＋AE頻段和一體化天線融合。對于TD工程前期引入F和A頻段的站點，采用的智能天線主要是FA＋AE頻段和一體化天線融合的過渡產(chǎn)品。過渡產(chǎn)品演進的目標是FA＋AE頻段和一體化天線徹底融合，從而實現(xiàn)寬頻化，并滿足未來LTE的建設要求。這種演進思路主要特點是可以平滑演進到支持E頻段，但天線尺寸整體變高，高度到1.7 m以上，對配套改造要求高，施工難度增加。

b）F＋A＋E頻段和一體化天線融合。在TD工程初期引入A頻段的站點，采用的智能天線主要是F＋A＋E寬頻天線和分體式RRU的過渡產(chǎn)品。過渡產(chǎn)品演進的目標是F＋A＋E頻段和一體化天線融合，從而實現(xiàn)寬頻化，并滿足未來TD-LTE的建設要求。這種演進思路主要特點是天線初期支持F＋A＋E頻段，演進過程無需更換天線，同時RRU間采用盲插集束電纜，徹底解決安裝接頭多的問題，同時天線尺寸基本上與2G天線相當，天面安裝難度小。

3.2 技術(shù)演進——與MIMO的結(jié)合

TD-SCDMA技術(shù)后續(xù)演進將逐漸過渡到TD-LTE技術(shù)，TD-LTE中的關(guān)鍵技術(shù)之一多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)通過空間復用，使頻譜效率得以成倍提高。如果將智能天線與MIMO技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)能同時獲得空間分集和空間復用增益［4］。這種新的天饋系統(tǒng)不但能為智能天線帶來覆蓋增益，還能通過MIMO技術(shù)獲得M（M為發(fā)端或收端的最小天線數(shù)）倍的容量增益。在現(xiàn)有智能天線技術(shù)基礎上，陣元間距λ（波長）／2，彼此之間存在很強的相關(guān)性。如果要弱化天線間的相關(guān)性，可以從以下2個方向著手。

a）空間復用。需將天線盡量拉開距離，以滿足較低的衰落相關(guān)性。衰落相關(guān)性依賴于天線間距和角度擴展（角度擴展即角度分布的標準差）。對于宏基站來說，基站端的角度擴展可能僅僅為幾度，所以天線的水平間距拉遠至10λ以上時才能基本滿足信道相關(guān)性的要求。

b）極化復用。可以采用2個相互垂直的極化方向來滿足較低的衰落相關(guān)性，例如水平極化和垂直極化。這些正交極化后的天線陣元彼此間的相關(guān)性很小，而且組合成的天線體積會相應縮小。

按照復用方法的不同，現(xiàn)有智能天線系統(tǒng)可以采用以下3種MIMO演進方案（見圖2）。

方案一：天線拉遠。此方案使用陣列中相距最遠的2個陣元進行信號的發(fā)送。對線性陣列而言，就是陣元2端陣元間的距離，它決定了陣列所能取得的最大增益。此處在BS端，將智能天線的幾個陣元中相差最遠的2個陣元作為MIMO的2根天線；在MS端，采用2根天線構(gòu)成廣義的MIMO系統(tǒng)。這種方案可以理解為純粹的MIMO空間復用方案，只不過BS端的2根天線距離較遠，實際發(fā)送信號的兩天線之間的空間相關(guān)性較弱，從而會達到更好的空間復用效果。此種方法使得現(xiàn)有智能天線得以延續(xù)，在演進到LTE后天線實體可以利舊，只需調(diào)整相應天線陣元。

方案二：空間分組拉遠。智能天線空間分組復用，就是在基站端采用智能天線，并將基站端智能天線的M個陣元分成n組，每組內(nèi)陣元間保持λ/2的間距，同時分組之間可以拉開一定的距離，通常是幾個波長，以弱化相關(guān)性，此時每個分組可以近似看成MIMO系統(tǒng)的一根天線，與MS端的天線構(gòu)成MIMO系統(tǒng)。從而保持了部分智能天線的天線增益，又帶來MIMO系統(tǒng)的復用增益。這種方案中，分組間距是影響系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素，因為分組之間的距離關(guān)系到2個分組之間的相關(guān)性。另外，由于將智能天線的M個陣元分成了每組M/n個陣元的n個分組，相應的，天線增益會減少到未分組前1/n，這是獲得復用增益所帶來的開銷。

方案三：雙極化分組復用。雙極化分組復用，就是在基站端采用智能天線，天線陣元按照不同的極化方式分成2組，比如水平和垂直極化、正負45°極化等，需要滿足的條件就是極化方式是彼此正交的，這樣每組陣元可看作MIMO系統(tǒng)的一根天線；由于在基站端采用了正交極化天線，在MS端，為了保證接收的可靠性，同樣需要采用正交極化的兩根天線，從而形成廣義的2×2 MIMO系統(tǒng)。采用極化分組復用這種方案，天線整體的體積會較空間分組復用時有所減小。

綜上，雙極化分組智能天線的性能優(yōu)于空間分組智能天線。同時采用極化天線又兼有天線體積小等好處。因此對于智能天線+空間復用的MIMO方案，采用極化方向比采用空間距離更為適合。

關(guān)于智能天線與MIMO的結(jié)合，目前業(yè)界也在深入的研究中，兩種技術(shù)的進一步結(jié)合將隨著兩種技術(shù)的進一步發(fā)展而逐漸深入。

4 結(jié)束語

TD-SCDMA系統(tǒng)作為由我國提出的第三代國際移動通信標準已經(jīng)在我國得到大范圍的應用。智能天線作為TD-SCDMA系統(tǒng)的一大特點，提升了整個系統(tǒng)的性能。TD-SCDMA作為國內(nèi)3G標準實施的先行者，其天線的發(fā)展趨勢也成為3G天線發(fā)展的風向標。

本文針對TD智能天線在工程實踐中的應用經(jīng)驗進行了總結(jié)，就TD智能天線的演進和發(fā)展方向進行了歸納和梳理，可對工程中TD智能天線的應用提供參考。

［1］李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

［2］李世鶴.智能天線的原理和實現(xiàn)［J］.電信建設，2001（4）.

［3］王敏超，李弘揚，喬云.智能天線技術(shù)綜述［J］.郵電設計技術(shù)，2010（7）.

［4］張生花，楊濟安.TD-SCDMA向B3G/4G的演進研究［J］.通信技術(shù)，2007，40（11）.