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技術商用如火如荼地開展，以及應用的不斷深入，作為其關鍵技術的智能天線技術更新換代速度加快，TD智能天線的每一次改進和優化對于促進TD-SCDMA技術進步和應用發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、寬帶化和電調化等方面發展。

1 智能天線簡介

智能天線即一種安裝在基站現場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關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境較惡劣，實際環境中的干擾和多徑衰落現象異常復雜，使鏈路性能、系統容量下降。智能天線則是將無線電信號導向具體的方向，產生空間定向波束，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，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。總之，自適應陣列智能天線利用基帶數字信號處理技術，通過先進的算法處理，對基站的接收和發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據傳輸速率的目的［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。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，對電磁環境作出分析、判斷，并自動調整本身的工作狀態使之達到最佳。依據天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態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。可變波束天線依據接收功率最大原則，在幾個預設陣列波束中進行切換；動態相控陣列使用測向算法，能夠連續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天線陣元結構，陣元分布方式有直線型、圓環型和平面型。一個典型陣列天線接收系統由實現信號空間采樣的天線陣列、對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網絡、更新合并權值的控制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構，當用它進行發射時結構稍有變化，加權器或加權網絡置于天線之前，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網絡在全國各地已進行了全面建設，智能天線技術作為TD-SCDMA系統的關鍵技術之一，與WCDMA、CDMA2000制式的普通天線形成鮮明對比。TD智能天線經過多年的發展，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，天線下傾角調節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、美化燈塔、美化樹等。TD天線美化技術的應用目前也較為普遍。

盡管美化天線存在很多優點，有利于TD網絡的快速建設，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生一定影響，影響網絡質量。在天線美化過程中，全網規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構的安全性，美化體對整個系統指標產生一定的影響。

b）根據TD工程建設經驗，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。

類似的問題還出現在方柱形等美化天線中。由于沒有統一的美化標準，而美化體的建設受環境影響，同時TD智能天線的寬度和厚度都較2G要大很多，實際工程中優化調整時，美化體對天線方向角、下傾角有限制，常規調整通常無法調整到位，只能通過拆卸美化外罩、美化體整改等方式進行，增加了優化調整成本。

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設備和天線側供電設備的散熱問題。

2.4 電調型解決方案

TD智能天線優化調整最初均是采用機械調整方式，利用天線安裝支架的角臂來調節下傾角度。由于天線通常都是安裝在通信塔頂或者樓頂上，調節起來費時費力。而將電調技術引入到智能天線產品研發中后，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。在實現了遠程監控操作以后，天線下傾角的調節不僅可以在通信塔現場進行，也可以選擇在機房中通過網絡遠程完成，節約人工維護成本。因此，電調智能天線使TD網絡優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”現象突出，而RRU一體化智能天線的出現，徹底改變了這種現象。它是將中頻信號拉遠，把有源電路部分和無源天線部分結合起來，將RRU與智能天線采用盲插式接頭結合在一起無需電纜連接，另外用3根光纖替代數量眾多的射頻電纜。此種方式外形美觀，施工便利；減少系統電纜連接，提高系統可靠性；減小射頻損耗，提高系統性能；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展重要趨勢之一。

目前TD工程中已經基本采用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合體，其應用相當廣泛。

目前RRU一體化產品主要是將RRU放置在天線的背后，對比一體化電調天線和傳統的加罩美化方式，一體化天線具有較大優勢，主要體現在以下幾個方面。

a）采用一體化，射頻指標優于加罩美化方式，天線波形基本不發生畸變。

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，實現電子調節下傾角，不用拆卸外罩調整。

e）在成本方面一體化天線成本相比傳統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一體化天線可節省成本約15%。同時，其在網絡優化和網絡調整過程中的整體優勢，勢必隨著網絡中美化天線的大規模使用顯得更加明顯。

3 TD-SCDMA智能天線的演進

3.1 外觀結構演進

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出多樣化的產品，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，往往一個地區就有多家運營商，致使天線林立、影響環境、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展也是一個必然的趨勢。

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

顯見，多頻共用天線在工程實施、成本方面有很多優勢，但多頻共用天線要想快速發展，如何解決網絡優化調整的問題是個關鍵，同時關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

業內已推出天線一體化RRU，將天饋系統與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能環保、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在絕大部分城市規模部署后，效果較好。隨著城區站址資源的日趨緊張，天線一體化RRU在TD后續建設中會有更大規模應用。

隨著TD網絡的逐步建設，TD技術的發展，智能天線寬帶化的問題必須解決，F、A、E 3個頻段都需要進行全覆蓋，從而避免天線更新換代時產生資源浪費，同時降低智能天線天面安裝的難度。

在后續技術演進上，RRU和天線系統平滑升級，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TD工程建設經驗，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品。過渡產品演進的目標是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的過渡產品。過渡產品演進的目標是F＋A＋E頻段和一體化天線融合，從而實現寬頻化，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 技術演進——與MIMO的結合

TD-SCDMA技術后續演進將逐漸過渡到TD-LTE技術，TD-LTE中的關鍵技術之一多輸入多輸出（MIMO）技術通過空間復用，使頻譜效率得以成倍提高。如果將智能天線與MIMO技術相結合，系統能同時獲得空間分集和空間復用增益［4］。這種新的天饋系統不但能為智能天線帶來覆蓋增益，還能通過MIMO技術獲得M（M為發端或收端的最小天線數）倍的容量增益。在現有智能天線技術基礎上，陣元間距λ（波長）／2，彼此之間存在很強的相關性。如果要弱化天線間的相關性，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性。衰落相關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，現有智能天線系統可以采用以下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根天線構成廣義的MIMO系統。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，實際發送信號的兩天線之間的空間相關性較弱，從而會達到更好的空間復用效果。此種方法使得現有智能天線得以延續，在演進到LTE后天線實體可以利舊，只需調整相應天線陣元。

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，以弱化相關性，此時每個分組可以近似看成MIMO系統的一根天線，與MS端的天線構成MIMO系統。從而保持了部分智能天線的天線增益，又帶來MIMO系統的復用增益。這種方案中，分組間距是影響系統性能的一個關鍵因素，因為分組之間的距離關系到2個分組之間的相關性。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。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。

關于智能天線與MIMO的結合，目前業界也在深入的研究中，兩種技術的進一步結合將隨著兩種技術的進一步發展而逐漸深入。

4 結束語

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

本文針對TD智能天線在工程實踐中的應用經驗進行了總結，就TD智能天線的演進和發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［J］.電信建設，2001（4）.

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

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