TD—LTE智能天線性能分析和應用研究

蒲瓊瓊

摘要：研究智能天線在TD-LTE應用的目的在于了解智能天線技術具有的特點與先進性，找到適合當前中國無線通信領域中智能天線應用的途徑。文章介紹了智能天線的特點與優勢，分析了智能天線在TD-LTE具體應用如單、雙流波束賦形的差異，SDMA空分多址應用及誤差問題的解決。

關鍵詞：TD-LTE智能天線；性能分析；應用

智能天線，英文名Smart Antenna，是一種廣泛應用于無線通信領域的新興專業技術，不僅集合了自適應天線技術、無線電軟件技術、微波技術，也涵蓋了自動控制技術、Digital Signal Processing技術（即DSP數字信號處理技術）。同許多無線通信技術一樣，智能天線誕生之初也只在軍事領域有所應用，但由于其本質上具備了一定程度的“自適應”功能，作為一種智能天線陣列開始逐漸轉入民用通信領域。尤其是3G技術出現以后，無論是商業用途還是試驗TDLTE都開始廣泛使用智能天線理論與技術。

1智能天線的特點與優勢

1.1特點

智能天線技術誕生的背景乃是由于空間通信環境對無線電通信在本質上存在著無法回避的干擾性、不穩定性和復雜性，其影響無線電通信質量的因素眾多，主要有多徑、時延、衰落、擴展等。包括氣候條件、干濕度、大氣污染等大量不可控情況都會對無線通信造成負面影響。例如，同類無線信號之間的交叉干擾、多地址信號的干擾和不同符號之間的串擾等。這些干擾源既降低了通信容量，也損害了通信質量，既是無線通信領域必須解決的問題，也是促成智能天線出現的本質原因。

因此，智能天線的本職工作就是排除各種無線通信干擾因素。其一在于通過控制指向多個不同用戶的并行無線波，將空域內的無線信息進行過濾并定位，從而減少或降低不同無線通信用戶之間的信號干擾。其二，利用無線傳輸時信號之間存在的相干性，按實時通信需要對天線陣列進行調整，使其改變信號發送的權值，通過在空間產生的預定無線波指向具體的目標信號，由天線主瓣跟蹤目標信號（無線通信用戶），零線或旁瓣則指向干擾信號，以此提高目標信號質量與移動通信利用率，同時抑制甚至刪除干擾信號。

智能天線的安裝與使用并不在用戶端，而是在基站，主要工作原理在于影響上下行信號鏈路，比如針對上行鏈路傳輸的混疊信號作加權處理，得到與信號對應的無線波。又如對下行鏈路將要發射的信號作預加權處理，實現選擇發送信號的功能等。

1.2優勢

智能天線優勢眾多，比如快速掃描、捷變波束、合成功率、與雷達共形、多波束和分散布置等。

掃描速度是天線功能強弱的具體表現形式之一，也會在根本上影響無線通信效率與質量。智能天線中的陣列式天線利用其下各子天線中具有的眾多信道單元配合數字移相器實現了無線傳輸中信號相位的快速切變功能，使天線掃描能力提高至在幾微秒中完成無線波形成和轉換位置。

捷變波束的目的則是提高濾波能力，依據“傅立葉變換”理論，無線方向圖與口徑照射之間通過函數轉換改變信號在各無線通道中的相位與幅度，由此實現無線波束改變形狀，從而提高了波束賦形的速度，增強了通信空間自適應濾波的能力。

合成功率的目的在于提高功率，主要解決某些特定雷達如超遠程微波雷達與毫米波雷達的正常使用問題。工作模式為在各子陣天線或通信通道中增加放大器的形式提高發射功率，再結合移相器變化相位，以實現波束發射的定向照射，從而更加靈活、方便地設計各類特殊用途的雷達系統。

與雷達共形是為解決天線影響雷達空氣動力學性能的問題，弱化乃至消除天線在非共形情況下對雷達正常運作產生的負面影響。其原理是有源共形的相控陣天線具備的先進信號處理能力為雷達共形提供了技術支持。

多波束功能主要是與捷變波束共同作用，提高天線的系統性能。由于具有波控信號的自由轉換性能，在同一重復周期中，不同發射波束可便捷地形成不同指向，由此實現信號在通道中的低噪放大再傳輸多個波束網絡。

分散布置是對既有的智能天線理論與技術的延伸，由于相控陣天線具有的子陣性質，分散布置的子陣天線之間利用相位、時間與幅度的補償機制，再結合無線信號的處理，達到角度分辨能力與抗干擾能力的進一步提升。這也是未來智能天線發展的總體趨勢和方向。

2應用分析

智能天線在TD-LTE模式應用中具有了專業性的標準化配置，其傳輸模式更有針對性。例如3GPPR8與3GPPR9應有各自相對獨立的基礎端口，前者的專用傳輸模式為TM7，后者則是TM8。TM7基于的專用導頻端口為單端口5，MT8基于的專用導頻端口則分別為端口7與端口8。3GPPR8與3GPPR9各自支持的波束賦形技術也有所不同，前者為單流技術，后者為雙流技術。3GPP現有的協議內容中規定，LTE中的eNode B上，TDD與FDD一樣選擇專用導頻模式進行波束賦形，然而TD-LTE是唯一針對終端要求強制具備波速賦形解調數據的功能。

應用智能天線后的TD-LTE峰值速度、小區覆蓋范圍、邊緣用戶吞吐量等方面具有提高質量、提升性能的作用。特別是當MIMO多天線結合智能天線組合使用后，針對不同用戶波束賦形情況都能使原有性能得以提升。比如，單用戶模式下其戶空間可獲得更大的復用增益。而多用戶模式下的系統又可獲得更多的分集增益。可見TD-LTE下的智能天線應用無論面對何種模式均可促進系統的性能提升。

2.1單、雙流波束賦形的差異

（1）單流波束賦形。即TM7模式下的波束賦形技術，無線傳輸中的UE通過測量專用導頻估算并同步相干檢測賦形以后的等效信道。為了準確估算賦形后的傳輸信道，基站在傳輸數據時必須同步傳送一個用以賦形的專用信號，這就是UE的參考信號，也即專有導頻，使用單端口5，職責為業務調解TM7模式。（2）雙流波束賦形。即TM8模式下的波束賦形技術，與TM7模式下不同處在于，TM8模式對應的專用導頻端口分別為端口Z與端口8，并新增了控制信令以及8×2的天線配置，使原有的波束賦形提升為雙流傳送。在此基礎上，MIMO的空間復用與波束賦形實現了融合，最終形成雙流波束賦形。而雙流波束賦形下還可細分為單用戶與多用戶2種技術形式。

單用戶模式下，首先通過eNode B對上行信道進行測量，確認信道狀態情況后，eNode B由得到的信道數據算出2個賦形矢量，這2個賦形矢量分別對應2個即將發射的數據流的下行賦形。單用戶模式下的雙流賦形技術可實現單個用戶在一個時間點上的2個增益——空間復用增益與賦形增益以及2個數據流傳送。由此實現提升傳送速度的同時擴大系統容量的目的。

多用戶模式下，eNode B可以采用UE反饋信息和對上行信道進行測量2種形式匹配多用戶，匹配結束后根據既定標準生成賦形矢量，每個矢量對應一個UE并為每個數據流完成賦形。這種技術原理基于智能天線的定向波束理論，實現多用戶的Spatial Division Multiple Access——SDMA空分多址功能。

2.2SDMA空分多址應用

在現實應用中，單用戶會因為天線數量、終端規格與具體使用的場景限制而基本不能支持高Rank的數據輸送。所謂Rank是分解EBB（信道矩陣）后特征值除零以外的特征向量的數量。eNode B端會收到由UE處測得的Rank Indicator（RI，Rank數值），并根據RI在傳輸空間劃分出互不關聯、彼此獨立的信道量。當通信系統中出現較多用戶時，eNode B端會選擇具有相對最強空間獨立性的2個UE，而如果eNode B端擁有多天線，則可利用賦形技術的空間隔離功能同時對多個UE進行傳輸，這也是MIMO多用戶技術，也可稱為MIMO多用戶與賦形技術的融合。因此，對于雙流波束賦形來說，處于多UE狀態下時，這一技術的先進性才能得到更大的發揮。

3需要注意的問題

誤差現象是智能天線應用于TD-LTE時需要引起注意的問題。任何智能天線都不可能完美無缺，由于幅度或相位難以避免存在誤差，就會對天線副瓣的波束指向、電平、增益存在不同程度的影響。天線誤差現象一般有2種：隨機性與相關性。隨機性誤差指設備制造過程中由于精度問題造成的物理性機械誤差，諸如輻射單元、饋電網絡、移相器與機構結構本身存在的問題都可能引發誤差。天線單元的數量與誤差造成的影響呈正比關系，即一個陣列中的天線單元個數越少，則其誤差對性能的負面影響就越大，此時需要更加嚴格地控制誤差允量。為使相位誤差或幅度誤差減少至最少，可行的辦法是建造低副瓣天線。

相關誤差與隨機誤差的不同在于其負面影響主要引起高電平峰值副瓣，這比隨機誤差影響天線性能的程度更深。一個比較典型的例子就是移相器存在的周期性相位誤差問題。陣列式天線由于本質上的大規模與高成本特點，往往采取子陣結合的模式，而子陣模式又必然存在著結構的周期性，由此產生出難以避免的高電平周期性柵瓣問題。解決這類問題主要應在天線設計階段予以規避。

4結語

智能天線在TD-LTE中的應用還屬于發展初期的前沿科技，雖然其技術的先進性已經在許多具體應用場景中得到了展示，但不可否認的是這一技術遠未成熟，仍然存在不少亟待解決的問題。信息時代無線通信市場的激烈競爭對技術提出升級換代要求的現實局面及現有LTE在抗干擾和性能提升方面的迫切需要是促成智能天線應用于TD-LTE的推動力，也對既有的TDD技術中波束賦形優勢的進一步發展提出了更高的要求。當前在TD-LTE智能天線應用中仍有標準尚待完善、性能仍需檢測等不足之處，但從整體發展態勢來看，在LTE與TDD的激烈競爭中，智能天線在TD-LTE的應用和研究必將對未來無線通信領域的走向產生舉足輕重的作用。