TD-SCDMA基站智能天線測試

摘要　由于智能天線具有良好的性能，它已成為TD-SCDMA系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心結(jié)合信息產(chǎn)業(yè)部科技司組織制定的《TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線》標(biāo)準(zhǔn)，并配合TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模試驗，進行了大量相關(guān)試驗，積累了測試經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

由大唐電信代表中國政府提交的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA技術(shù)先后被ITU-T和3GPP，采納為第三代移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)，成為中國百年電信史上的重要突破。

智能天線最初應(yīng)用于雷達、聲納及軍用通信領(lǐng)域。從20世紀(jì)90年代初開始，人們就試圖考慮將智能天線技術(shù)引進到無線通信中來，但一直未能找到合適的途徑。近年來，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，促使智能天線技術(shù)開始在無線通信中廣泛應(yīng)用。

由于智能天線良好的抗多用戶干擾性能，能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，使其成為TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它對網(wǎng)絡(luò)性能有著重要影響，未來幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。在中國具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的TDD模式運行的TD-SCDMA技術(shù)中，已經(jīng)成功引進了智能天線技術(shù)。從某種程度上可以說，智能天線是3G區(qū)別于2G系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)志之一。

信息產(chǎn)業(yè)部科技司已經(jīng)組織制定了《TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線》標(biāo)準(zhǔn)，由天線和天線智能控制兩部分組成�！禩D-SCDMA系統(tǒng)智能天線》標(biāo)準(zhǔn)分為兩部分：目前已經(jīng)完成了“第一部分：無源天線”（包括天線陣列和射頻校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)），接下來還將制定“第二部分：智能控制”（包括核心自適應(yīng)算法）。

配合TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模試驗，信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心已經(jīng)陸續(xù)開展了相關(guān)試驗。

一、TD-SCDMA系統(tǒng)中的智能天線

1.基本原理

智能天線包括自適應(yīng)天線和切換波束天線。智能天線采用空分多址（SDMA）復(fù)用技術(shù)，即利用多個天線單元空間的正交性和信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與傳統(tǒng)的、沒有智能天線的基站比較，它在硬件上由一個天線陣和一組收發(fā)信機組成了其射頻部分；而在基帶信號處理部分的硬件則基本相同，每個射頻收發(fā)信機都有ADC和DAC，它們將接收到的基帶模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將待發(fā)射的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號，最后完成模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換。而所有收發(fā)數(shù)字信號都通過一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號處理器連接，在性能方面，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其他用戶之間以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑效應(yīng)。

自適應(yīng)天線采用自適應(yīng)算法，具有無限數(shù)目的、隨時間調(diào)整的方向圖，隨著信號及干擾而變化。自適應(yīng)天線技術(shù)是目前最先進的智能天線方法，采用數(shù)字信號處理技術(shù)和多種較新的信號處理算法，有效地跟蹤、鎖定各種類型的信號、識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束，可以動態(tài)抑制其干擾到最小，而所希望的信號最大。切換波束和自適應(yīng)天線這兩種系統(tǒng)都力圖根據(jù)用戶的位置來提高增益，但是只有自適應(yīng)天線系統(tǒng)能提供優(yōu)化增益。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)的優(yōu)點是算法較為簡單，可以得到最大的信號干擾比。自適應(yīng)天線陣著眼于信號環(huán)境的分析與權(quán)集實時優(yōu)化，動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。

切換波束天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，其天線系統(tǒng)可形成多個固定的波束，在特定的方向上提高靈敏度。它從幾個預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束�；�站在不同的相應(yīng)波束中進行選擇，使接收信號最強。波束智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過控制低的旁瓣電平來確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對天線單元與信道的要求較高，而且用戶信號并不一定在波束中心，當(dāng)用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。

TD-SCDMA系統(tǒng)中采用的是第一種，即自適應(yīng)方向智能天線。具體而言，在TD-SCDMA系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)中，智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的。此陣列的直徑為25 cm。同全方向天線相比，它可獲得最大9 dB的賦形增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使用DSP方法使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達到提高信號的載干比、降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。此種類型的智能天線核心算法是自適應(yīng)算法。目前在自適應(yīng)算法的研究方面，已提出很多著名的算法，概括地講，有基于波達方向估計（DOA）、非盲自適應(yīng)算法和盲自適應(yīng)算法幾種類型。

（1）基于波達方向估計

經(jīng)典的基于波達方向的估計方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改進算法，還有最大似然估計、基于高階累計量、基于特征值分解的次最優(yōu)估計等方法。該類算法要解決的問題是計算復(fù)雜、自由度小、矩陣分解等等。

（2）非盲自適應(yīng)算法

自適應(yīng)處理中的期望信號對自適應(yīng)處理結(jié)果影響很大。在CDMA系統(tǒng)中，由于提供了導(dǎo)頻信道，因此完全有條件進行非盲自適應(yīng)算法。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是該算法的具體實例。

（3）盲自適應(yīng)算法

盲自適應(yīng)是無法提供自適應(yīng)算法中要求的期望信號，只能利用傳輸信號的特性進行波束形成，實現(xiàn)盲自適應(yīng)算法。這種方法不是最優(yōu)估計，典型的代表有恒模算法（CMA）。CMA有許多變形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

2.技術(shù)優(yōu)勢

TD-SCDMA系統(tǒng)充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA這四種多址方式的技術(shù)優(yōu)勢，使系統(tǒng)性能最佳化。

（1）提高信號干擾比，改善通信質(zhì)量

采用窄波束的主瓣接收和發(fā)射信號，旁瓣和零點抑制干擾信號，可以降低系統(tǒng)干擾，提高陣列的輸出信噪比，即提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，它對移動系統(tǒng)中的多徑干擾也有一定的削弱作用，因此大大改善了通信質(zhì)量。

（2）增加系統(tǒng)容量，提高通信數(shù)量

智能天線采用窄波束接收和發(fā)射移動用戶信號，降低了其他用戶的干擾，因此對于自干擾系統(tǒng)（如：CDMA系統(tǒng)），可以有效地提高系統(tǒng)容量；同時，采用空分技術(shù)復(fù)用信道，也增加了系統(tǒng)容量。

眾所周知，CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾。也就是說，智能天線采用窄波束接收和發(fā)射移動用戶信號，降低了其他用戶的干擾，這對CDMA系統(tǒng)極為重要，可以大大增加CDMA系統(tǒng)的容量。在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線后，就提供了將所有擴頻碼所提供的資源全部利用的可能性，使CDMA系統(tǒng)容量至少可以增加一倍以上。

（3）擴大通信覆蓋區(qū)域，且提高頻譜利用率

對于使用普通天線的無線基站，其小區(qū)的覆蓋完全由天線的輻射方向圖形確定。當(dāng)然，天線的輻射方向圖形是根據(jù)可能需要而設(shè)計的。但在現(xiàn)場安裝后，除非更換天線，其輻射方向圖形是不可能改變和很難調(diào)整的。但智能天線陣的輻射圖形則完全可以用軟件控制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要調(diào)整或由于新的建筑物等原因使原覆蓋改變等情況下，均可能非常簡單地通過軟件來優(yōu)化，非常方便。而且采用智能天線技術(shù)代替普通天線，提高了小區(qū)內(nèi)的頻譜復(fù)用率，隨著移動通信需求的增長，則可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量、降低運營商成本。

（4）降低基站發(fā)射功率，減少電磁環(huán)境污染

在使用普通天線的無線基站中，發(fā)射信號采用的是高功率放大器（HPA）；而在TD-SCDMA中使用了智能天線，由于波束形成的增益可以減小對功放的要求，大大降低了基站的發(fā)射功率，同時也減少了電磁環(huán)境污染。

3.技術(shù)要求

TD-SCDMA智能天線陣列主要包括八列單元定向直線智能天線陣，六列單元定向直線智能天線陣，四列單元定向直線智能天線陣，八列單元全向環(huán)形智能天線陣，六列單元全向環(huán)形智能天線陣。其他類型的天線也可進行參照使用。有關(guān)技術(shù)要求，請參照信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線》。

（1）電性能要求
�。�2）機械特性要求

●安裝要求：抱桿直徑50～114 mm。

●一般結(jié)構(gòu)要求：天線結(jié)構(gòu)應(yīng)牢固可靠，便于安裝、使用和運輸。

（3）環(huán)境條件要求

●抗風(fēng)能力：工作風(fēng)速36.9 m/s；極限風(fēng)速55 m/c。

●攝冰厚度：10mm不被破壞。

●環(huán)境溫度：工作溫度-40℃～+60℃；極限溫度-55℃～+75℃。

●具有良好的防雨性能。

●具有防煙霧、潮濕、大氣中二氧化硫與紫外線輻射的能力。

二、無源天線的測量

1.被測天線信號的饋入

由于在實驗室測量輻射電特性時，沒有實際的基站和數(shù)字賦形部分，需要用一個可調(diào)移相衰減網(wǎng)絡(luò)來給被測的。TD-SCDMA基站天線饋入信號（示意圖見圖1）。

圖1　可調(diào)移相衰減網(wǎng)絡(luò)示意圖

為進行TD-SCDMA基站天線測試，專門研制了一系列數(shù)字化的可調(diào)功分移相網(wǎng)絡(luò)。表2是用于八列單元定向直線智能天線陣測量的數(shù)字化可調(diào)功分移相網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)。

表2　數(shù)字化可調(diào)移相衰減網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)

2.輻射電性能測量

表1中“半功率波束寬度”、“旁瓣電平”、“前后比”、“增益”等輻射電性能指標(biāo)都需要在電波暗室中進行測量，有關(guān)天線測量暗室和測量系統(tǒng)的要求可以參照文獻[1]，TD-SCDMA智能天線的測量方法參見文獻[2]。圖2是信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行TD-SCDMA智能天線測量的布置圖片。

圖2　TD-SCDMA基站智能天線輻射電性能測試布置

圖3　TD-SCDMA基站智能天線賦形后的測量結(jié)果

3.業(yè)務(wù)波速賦形測量

給某廠家的TD-SCDMA基站智能天線饋入如表3中權(quán)值的信號，賦形得到55度方向的業(yè)務(wù)波束，測試結(jié)果如圖3所示：在1900 MHz，主波束方向為55度，半功率波束寬度16.04度，旁瓣電平-12.96（dB），增益20.34（dB）。

表3　天線饋入信號的權(quán)值

三、結(jié)語

智能天線技術(shù)對移動通信系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)所難以替代的。由于智能天線有著顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加天線系統(tǒng)的靈活性等諸多好處，因此沒有理由不相信，使用了這種先進技術(shù)的TD-SCDMA系統(tǒng)有著良好的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。另外，國際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為一個三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。據(jù)專家估計，未來幾乎所有先進的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。但是要真正對智能天線系統(tǒng)的性能進行評估，還有很多工作要做，包括提出智能控制部分的技術(shù)指標(biāo)要求、研究相應(yīng)的測試方法、準(zhǔn)備測試環(huán)境等等，文獻[3]在這方面提出了一些設(shè)想。

參考文獻

1　ANSI/IEEE Std 149-1979.IEEE Standard Test Procedures for Antennas，August 8，1980

2　賀鵬，安少賡，馬欣等.《TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線》標(biāo)準(zhǔn)，2007

3　肖良勇，陳錫斌．海天3G研發(fā)的構(gòu)想，2006年11月

4　卜斌龍.TD-SCDMA天線測量報告.2007年2月

5　莊春紅，智能天線在TD-SCDMA中的應(yīng)用.通信產(chǎn)業(yè)報，2006年12月21日

6　張興華，郭俊能.TD-SCDMA中的智能天線技術(shù).移動通信，2003年12月