TD-LTE智能天線性能分析和應用研究

李偉輝 鄔建軍

摘? 要：智能天線通過多根天線之間的相干操作，可以使得信號向固定方向傳輸，從而擴大信號的覆蓋范圍，提升信號的傳輸距離，從而提升整個無線通信系統的性能。在第三代移動通信系統中，智能天線技術已經相對完備了，在第四代移動通信系統中，第四代天線還有著一定的缺陷，不能滿足TD-LTE網絡的需求。為了更好地提升4G網絡的性能，本文重點分析了智能天線，詳細闡述了其對TD-LTE網絡的意義。

關鍵詞：智能天線;波束賦形;自適應;電調

中圖分類號：TN929.5;TN821.91? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0067-03

Abstract：Smart antennas can transmit signals in a fixed direction through the coherent operation of multiple antennas，thus expanding the coverage of signals and increasing the transmission distance of signals，thereby improving the performance of the whole wireless communication system. In the third generation mobile communication system，smart antenna technology is relatively complete. In the fourth generation mobile communication system，the fourth generation antenna still has some defects，which can not meet the needs of TD-LTE network. In order to improve the performance of 4G network better，this paper focuses on the analysis of smart antenna and elaborates its significance to TD-LTE network.

Keywords：smart antenna;beamforming;adaptive;electrical tuning

0? 引? 言

經過近年來的不斷發展，移動終端的數量每年都在飛速增長，尤其到了如今的4G網絡時代，移動通信的用戶數量也呈爆炸式增長。由2G的專用語音通信發展到今日的數據通信，如何在有限的頻譜資源上擴展網絡容量已經成為TD-LTE網絡部署中的一個熱點話題。一味地增加基站的數量，提升基站覆蓋率，已經不能滿足日益增長的數據帶寬要求。智能天線從無線通信領域出發，通過在空中信道實現多層次的復用，在滿足4G網絡帶寬需求的同時，也不用投入大量的資源成本從基站的角度做增益，是一個很棒的優化選項。

智能天線經過了3G時代的發展，各種技術已經相對完備，其后，雖然由于4G自身的特點存在一定局限性，但目前智能天線廣泛地應用于各個方面，被認為是未來無線通信領域中最關鍵的技術之一，智能天線也是未來移動通信領域的必然發展趨勢。

在3G時代，智能天線在TD-SCDMA系統中表現得十分杰出。智能天線在3G網絡中取得優越性能的原因是智能天線上行鏈路和下行鏈路的對稱結構設計，因為其對稱性，智能天線的高效率得以充分發揮。此外，智能天線在降低小區間的干擾、對抗多徑衰落等方面都有著很重要的作用。

4G網絡作為一個必然的趨勢，經過了這么多年3G的積累，以及4G自身多年的發展，必然要結合3G網絡中極其優秀的智能天線技術，從而提升TD-LTE網絡的性能。

1? TD-LTE智能天線基本組成及原理

智能天線的別名是自適應天線陣列，它結合了自適應天線技術和陣列天線技術，在自適應技術的基礎上，同時引入了各種定位信號源等用途的智能算法，形成了特有的智能天線技術。

通過基站內不同天線的相關傳輸，能夠實現向特定目的地發送信息的作用。智能天線通過波束賦型等技術，可以在發端就把多根天線集合到一起，實現空間濾波和定位的目的。智能天線實際上就是通過已知的天線和小區的位置信息，使用信號本身固有的相位特性來對抗多徑，進而通過各種算法定位信號源。

與傳統的TDMA等多址方式不同，智能天線采用了空分多址的思路。在碼率一樣、頻率一樣、時間結構一樣的情況下，空分多址技術特有的空間傳播路徑仍然可以不同。

智能天線從用途上，可以詳細劃分為三個部分。首先是信號處理部分，這個模塊根據移動通信的場景，分析天線接收端接收到的信號的特性，進而把控天線發送端和接收端的一些傳輸性質。信號處理部分依據的移動通信場景，也可能是在使用閉環反饋的形式時，通信對端關于發送信號接收情況的反饋信息。除了信號處理部分，智能天線還包括射頻天線陣列和波束賦型部分。射頻天線陣列部分是在基站完成空間過采樣的過程。

天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。已經決定了采用什么樣的天線陣列的形式之后，就要慎重地考慮應該選用什么樣的天線單元。在天線單元的選擇過程中，需要考慮天線本身的特性以及天線需要達到的指標，此外還需要滿足天線單元的互相耦合特性小這一條件。

信號處理模塊決定著整個智能天線的性能，不同的信號處理模塊有著不同的信號處理算法，不同的算法有著不同的性能和復雜度，在設計智能天線的過程中，選擇性能優良的算法尤為重要。因為智能天線的用途有很多，因此為了滿足不同的用途，信號處理模塊的算法也大不相同，性能有優有劣，可能特定算法在保證性能的時候復雜度達不到要求，有時可能成本超出預算，因此在設計智能天線的過程中，應該各種算法相互補充，優劣互補，在達到最優的性能的同時滿足更多的需求。

2? TD-LTE智能天線的特點和優勢

無線通信系統中，多徑衰落、多徑干擾以及多徑延遲都會造成空中信道中傳輸的信號產生失真混疊和延遲等負面影響，大大降低了通信的質量和用戶的體驗，在網絡設計過程中往往需要把防多徑放在重要地位。此外，共信道干擾也是一個必須考慮的方面，共信道干擾值的大小決定著網絡資源的復用。針對這兩個問題，智能天線能夠完美地應對。

智能天線通過多徑減少不同信號之間的干擾，降低多徑的負面影響，同時增大了系統的容量。

智能天線的主要優點可以歸納如下：

（1）提高系統容量。在移動通信網絡中，用戶和用戶之間存在著相互干擾的問題，智能天線為了解決這一問題，將波束零點瞄準其他的用戶，進而大大降低了用戶和用戶之間存在的干擾。通過智能天線，移動通信系統的干擾大幅度降低，天線接收端信號干噪比大大提升，可以更有效地利用有限的頻譜資源，因此系統容量大大提升。

（2）擴大系統的覆蓋區域。智能天線在移動通信系統的接收端，對信號采用相干操作，多根天線集合到一起，可以大大地增加增益，從而提升接收和發射的功率，從這種程度上來說，大大地增加了天線發射和接收信號的距離，同時也增加了智能天線的覆蓋范圍。

（3）改善鏈路質量。智能天線采用了空分復用的技術，與之對應的分集方式是空間分集，在多發多收的空中信道中，可以實現相應的多發多收，進而大大改善鏈路質量。

（4）減少多徑干擾影響。智能天線是陣列天線和自適應天線的結合體，采用陣列天線，同時引入空間分集技術，就可以實現多發多收的功能，進而把多徑干擾分配到多個信道，從而使得多徑干擾最小化，極大地降低了多徑干擾對移動通信系統的影響。

（5）抗衰落。智能天線可以有目的性，同時自適應的確定信號發射和接受的方向，多根天線結合到一起能獲得更高的增益，此外結合智能天線的空間分集技術，可以極大地降低移動通信系統中信號傳輸時遇到衰落問題的概率。

3? TD-LTE智能天線的應用

智能天線在4G網絡中，通常都是由8個天線組成一個8天線集成天線系統，這8根天線保持同心陣列的結構，能夠獲得更高的增益。

4G網絡相對于之前的網絡系統，小區正朝著“小型化”和“智能化”發展，這就給智能天線提出了新的挑戰和方向。

為了配合移動通信中小區智能化和小型化的規劃指標，智能天線中的波束賦型也應該朝著智能化和高效化的方向去設計，與此同時，為了適應智能天線的多目標設計，基站的分布以及站點高度等設置也應該更加靈活。

智能天線可以根據信號和小區的信息，以及信號的特性，估計出信號源的位置，因此在使用了智能天線后，終端不需要配備定位的功能，TD-LTE網絡也不需要分配專門的資源來定位這項業務，因此提高了頻譜利用率，降低了網絡部署的成本。

時分雙工的工作模式，使得智能天線上行鏈路和下行鏈路傳輸是對稱的，因此可以使得傳輸過程中的干擾大大降低，進而能夠極大地提高移動通信系統的通信質量。

現在4G網絡中的一些關鍵性技術，要與智能天線結合到一起，需要從多方面考慮，譬如結合到一起之后的性能如何？算法復雜度高不高？實現難度大不大？成本是否在預算之內？需要在各種組合之間去做一個妥協，從而滿足各方面的要求。

為了滿足4G網絡提出的智能化和小型化等要求，智能天線應該滿足如下要求：

（1）電調化：采用特定算法，調整波束賦型后天線發射信號的方向。

（2）寬帶化：智能天線應該在2G、3G、4G以及Wi-MaX全部頻段都有工作。

（3）集成化：既可契合環境又可節約成本的適應多種網絡制式的一體化智能天線。

（4）情景化：在智能天線的設計過程中，應該既考慮到天線的美觀，又考慮到天線的性能。

（5）小型化：為應對4G小型化，智能天線在設計過程中也應做到小型化，采用新型的介質諧振器。

此外，在4G網絡中，為了避免干擾，智能天線需要滿足小區之間一起調試的方案。同時還要考慮多小區對一個用戶進行的多發一的波束賦型，通過在各種特殊場景下進行的測試以達到提升其信號強度、提高資源供給的目的。按照這種方法，不斷地規劃和優化，4G網絡專用的智能天線的智能特征將會越來越明顯，越來越符合4G指標的需求，智能效果也將越來越好。

當然，不可避免，TD-LTE智能天線在某些方面的工程應用中存在難度，與其他所有的先進技術一樣，4G網絡的智能天線發展也是一個漸變和不斷完善的過程，在4G網絡部署初期，必然有很多智能天線相關問題達不到工程實現的要求，或者達標需要的實現成本較高，因此在網絡部署的初期，可以采用稍微低性價比的技術代替，相信伴隨著TD-LTE系統基站的大量建設，在情景化、小型化、電調化、寬帶化和集成化等各方面不斷進步的情況下，智能天線將在4G網絡后期發揮至關重要的作用。

4? 結? 論

智能天線技術在3G網絡中使用多年，隨著3G網絡的不斷發展而不斷完善，已經是很完備很實用的技術了。在4G網絡中，智能天線也發揮著極強的作用，在4G部署和運營的后期，智能天線必然在4G網絡的關鍵技術中占有一席之地。智能天線采用多天線相干特性，產生了一種大增益的目標明確的傳輸方式，大大地提升了移動通信系統中信號傳輸的增益，進而增大了傳輸距離，降低了信號傳輸的干擾，提高了接收端信號的信噪比，提升了移動通信系統的信號傳輸質量。

參考文獻：

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[2] 趙康成，王國梁，李鳳花.TD-LTE無線網絡中重疊覆蓋優化解決方案分析 [J].山東通信技術，2014，34（3）：40-43.

作者簡介：李偉輝（1978-），男，漢族，廣東河源人，高級設計主管，工程師，本科，研究方向：無線通信工程規劃與設計;鄔建軍（1972-），男，漢族，湖南沅江人，無線院移動室經理，高級工程師，本科，研究方向：移動通信。