TD-LTE智能天線性能分析和應用研究的理論研究

王家旭

【摘要】 移動通信技術的飛速發展使得其在人們的日常生活生產中占有越來越重要的位置，因此高速率高容量高靈活性等勢必是現代移動通信技術的基本要求。無論是LTE系統引入了多天線技術，還是未來5G的研究都采用了越來越多的多天線技術來提升吞吐量和頻譜效率。本文研究的LTE智能天線是一種多陣列、緊湊型、雙極化的天線，充分利用多陣列的特點可以打造更好的網絡。它不僅可以提升吞吐量和頻譜效率，還可以通過基站的軟件設置、電場設置改變天線的覆蓋區域，對網絡優化來說非常之便利快速。

【關鍵詞】 智能天線 多陣列 雙極化 MIMO

一、概述

LTE網絡為實現更高的峰值速率和頻譜效率、更低的時延、更好的覆蓋以及更低的運營成本（更低的CAPEX…和OPEX）引進了多種新技術，如OFDM、下行功率控制技術和多輸入多輸出（Multiple-Input…Multiple-Output，MIMO）等。智能天線正是應用MIMO結合OFDM技術，可在時域、頻域和空域上實現多維信號的聯合處理和調度，極大地提升了系統的靈活性和傳輸效率。這也是LTE…系統相比3G移動通信技術在峰值速率和平均吞吐量等方面有顯著提升的主要原因之一。對于TD-LTE…系統，由于其繼承了TD-SCDMA的固有特點和優勢，如靈活的非對稱頻譜的使用、靈活的上下行配比和信道互易性等，非常適合于非對稱的移動互聯網業務的應用。

二、智能天線理論

2.1天線概述

本質上來說，天線的作用是將傳輸線（饋線、電纜、波導等）中的導波場轉換成空間輻射場，并接收目標反射的空間回波，將回波能量轉換成導波場，由傳輸線（饋線、電纜、波導等）送入接收系統，簡單來說就是用來發射或接收電磁波的。天線的主要性能參數包括天線方向圖、增益G、極化方式、帶寬、掃描等。

天線方向圖給出了天線遠場功率密度隨角度的變化，通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。天線方向圖根據主瓣形狀分為全向波束、筆形波束、扇形波束和賦形波束四大類。體現天線性能的主要參數如半功率角、旁瓣電平、前后比、方向系數等均可以從天線方向圖得出。

天線增益G是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度比值。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，是天線最重要的參數。天線增益體現了天線朝一個特定方向收發信號的能力，它顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

天線的極化方向是以天線輻射的電磁波在最大輻射方向上電場強度矢量的空間取向來定義的，是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數。天線的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化和垂直極化；圓極化又分為左旋圓極化和右旋圓極化。在我們設計過程中，極化的純度是必須考慮的，例如水平極化天線會在某些方向產生少量與之正交的垂直極化，這種情況我們將水平極化稱之為主極化，垂直極化稱之為交叉極化。交叉極化會引起雜波、干擾等問題，在設計過程中我們要予以考慮控制。

2.2 MIMO

提到MIMO（Multiple-Input…Multiple-Output）技術之前，先簡單介紹一下陣列天線。陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規則或隨機排列并通過適當激勵獲得預定輻射特性的特殊天線。陣列天線是MIMO的基礎。

MIMO天線是在陣列天線的基礎上實現的，首先將數據按一定的算法分解為多個并行的子數據流，然后在多個天線上同時進行發射，數據流經過空間傳輸后被多個接收天線捕獲，然后根據各數據流特性解調出原來的數據。MIMO分為廣義和狹義兩種。廣義上各種多天線技術其實都在MIMO…技術的范疇內，輸入和輸出可以是多個不同內容的數據流，也可以是同一個數據流的多個形式；狹義上MINO…則須為多流MIMO，必須是由多個不同的數據流在天線上同時傳送。所以狹義上唯有空間復用和SDMA這兩種技術才可以稱為MIMO。

MIMO天線的主要技術特點和優勢在于：

1、提高發射功率。用MIMO天線，可在每個天線子陣上設置一個發射功率放大器，依靠移相器的相位變化，使發射天線波束定向照射，即發射信號聚焦于空間某一方向。這一特點極大提高了天線的發射功率及覆蓋能力。2、快速實現波束賦形。天線方向圖函數是口徑照射函數的傅立葉變換，通過改變MIMO天線各單元通道內的信號幅度和相位，即可改變天線波束形狀。這一特點使MIMO天線可以快速實現波束賦形，從而具有快速自適應空間濾波的功能。3、抵消或改善信道衰落干擾。MIMO天線的分集增益可以抵消或改善信道衰落干擾。4、提高吞吐量。由于MIMO的空間復用特性以及其空間正交的信道，可以成倍地增加用戶數據傳送量。

所以，鑒于MIMO…系統具有上述優異的特性，若加以充分利用、發掘，在提高系統容量、提升頻譜利用率、提高傳輸質量等級以及增大系統覆蓋范圍等方面可以有較大作為。

MIMO的應用場景：在移動通信系統中，由于用戶所處的位置不同，所以其信道質量也各異。MIMO…可以根據用戶所處的不同區域采用最優的傳輸模式，進而提升小區容量。

如圖1，小區覆蓋范圍內的不同區域，中心區域主要采用開環空分復用和閉環空分復用，中心稍向外區域采用發射分集，邊緣地帶則主要依靠波束賦形增益來改善邊緣用戶的速率。在非邊緣地帶的業務密集區主要依靠MU-MIMO…實現用戶速率的提升。

三、誤差分析

智能天線由于幅度或相位難以避免存在誤差，因此對天線副瓣的波束指向、電平、增益存在不同程度的影響。天線誤差現象分為隨機誤差與相關誤差。隨機誤差指設備本身制造精度問題而產生的非相關的誤差，如輻射單元、移相器、移相器、饋電網絡和機械結構而引起誤差。天線陣列的單元數目越少，誤差對天線性能的影響就越大，因此誤差容限就越嚴格。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。

相關誤差的負面影響主要事引起高電平峰值副瓣，其程度比隨機誤差影響更深。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。

總結：智能多天線因其波束賦形技術、較強的抗干擾能力和在提高小區覆蓋效果及吞吐量方面的卓越性能在TDLTE中得到了越來越多的應用，雖然其優異的性能已經在諸多應用場景中有了很好的體現，但隨著社會對移動通信網絡的依賴性不斷提高，人們對移動通信網絡的要求日益嚴苛，更多的天線陣列，更精確的覆蓋，更智能化的天線勢必是解決未來網絡問題的一大利器。

參 考 文 獻

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