智能天線發(fā)展需符合“四化”要求、三大趨勢(shì)

作為TD系統(tǒng)的6大關(guān)鍵技術(shù)之一，智能天線技術(shù)受到運(yùn)營(yíng)商的高度重視。中國(guó)移動(dòng)對(duì)其提出了“四化”要求，并在TD二期工程中對(duì)天線一體化RRU等進(jìn)行成功部署，但它同時(shí)也存在著諸多挑戰(zhàn)。

中國(guó)移動(dòng)提出智能天線“四化”要求

目前中國(guó)移動(dòng)對(duì)智能天線提出了小型化、雙極化、寬帶化和電調(diào)化的“四化”要求。現(xiàn)階段TD智能天線產(chǎn)品比較豐富，滿足了“四化”的一些要求，但與2G以及WCDMA相比仍有很多方面需要改進(jìn)和提高。

1.小型化

與傳統(tǒng)的GSM天線和CDMA天線相比，TD天線的體積和重量更大，受到安裝困難、選址困難、維護(hù)困難等多方面因素的限制，天線小型化是發(fā)展趨勢(shì)，也是解決目前TD工程建設(shè)安裝相關(guān)問(wèn)題的有效途徑。在二期和三期建設(shè)中大量山區(qū)需要安裝基站，由于TD天線的體積和重量較大，造成運(yùn)輸、安裝、調(diào)試?yán)щy。

TD天線的大尺寸造成基站選址困難，加上居民對(duì)電磁輻射的誤解，認(rèn)為TD基站輻射比其他基站大，增加了站址談判的困難。這需要中國(guó)移動(dòng)及設(shè)備廠商進(jìn)行相關(guān)宣傳，可在小區(qū)內(nèi)采用美化天線等方式解決。

天線的尺寸較大造成風(fēng)阻大，使天線維護(hù)困難。小區(qū)的覆蓋與天線的下傾角有一定聯(lián)系，在一期建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)由于大風(fēng)導(dǎo)致某些地方手機(jī)信號(hào)受到影響、需要維護(hù)人員重新上塔完成調(diào)整工作的情況，增加了設(shè)備維護(hù)的難度。

2.雙極化

一期網(wǎng)絡(luò)開始建設(shè)時(shí)，只有單極化板狀定向智能天線陣和環(huán)狀全向智能天線陣2種產(chǎn)品可供選擇。雖然基本上能滿足TD網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)空間濾波對(duì)智能天線的性能要求，但隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的深入，工程方面遇到了諸多亟待解決的挑戰(zhàn)：第一，天線橫截面積大，導(dǎo)致風(fēng)載荷增加、安全等級(jí)下降；第二，天線體積大，選址難度增加；第三，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要閉站，天線下傾角調(diào)節(jié)難度大；第四，智能天線與城市景觀不融洽。

應(yīng)對(duì)第一、二點(diǎn)挑戰(zhàn)，要求發(fā)展小型化智能天線。實(shí)現(xiàn)小型化的最佳途徑是，采用4列雙極化陣列，通過(guò)引入極化分集增益彌補(bǔ)因天線口徑減少引起的天線增益下降。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模試用都表明，小型化的雙極化智能天線寬度縮減了一半，但網(wǎng)絡(luò)性能與常規(guī)8列天線水平相當(dāng)，它成為TD二期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主力產(chǎn)品之一。應(yīng)對(duì)第三、四點(diǎn)挑戰(zhàn)，要求發(fā)展小型化的電調(diào)智能天線。

3.寬帶化

目前TD可用頻段有3個(gè)：A段：1880MHz-1920MHz；B段：2010MHz-2025MHz；C段：2300MHz-2400MHz。其中B頻段主要用于室外覆蓋；而A頻段由于受到小靈通的干擾，一般用于室內(nèi)覆蓋；C頻段為后備頻段。目前大多數(shù)設(shè)備只有B段，但是未來(lái)相關(guān)問(wèn)題解決后，A、B、C三個(gè)頻段都需要進(jìn)行全覆蓋，因此為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的需要，應(yīng)當(dāng)避免天線更新?lián)Q代時(shí)產(chǎn)生浪費(fèi)資源的情況。此外，業(yè)界應(yīng)制定智能天線的標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展。

4.電調(diào)化

電傾角是靠改變電波的相位來(lái)改變波形的覆蓋，而機(jī)械傾角是靠調(diào)整天線的機(jī)械下傾角度來(lái)改變覆蓋范圍。首先，可以采用電調(diào)天線對(duì)覆蓋蜂窩實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，以解決呼吸效應(yīng)。其次，在城區(qū)等高話務(wù)地區(qū)干擾過(guò)大，其中一個(gè)重要原因是機(jī)械天線下傾角度過(guò)大，天線方向圖嚴(yán)重變形，要解決高話務(wù)區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線下傾角度。電調(diào)天線采用機(jī)械加電子方法下傾15°后，天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個(gè)天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi)，增加下傾角度可使扇區(qū)覆蓋面積縮小，不會(huì)產(chǎn)生干擾。

采用電調(diào)天線能夠降低呼損，減小干擾。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、管理和維護(hù)時(shí)，若需要調(diào)整天線下傾角度，使用電調(diào)天線系統(tǒng)不需要關(guān)機(jī)，可利用移動(dòng)通信專用測(cè)試設(shè)備，監(jiān)測(cè)天線傾角調(diào)整，保證天線下傾角度為最佳值。電調(diào)天線調(diào)整傾角的步進(jìn)度數(shù)為0.1°，而機(jī)械天線調(diào)整傾角的步進(jìn)數(shù)為1°，因此電調(diào)天線的精度高、效果好。電調(diào)天線安裝好后，在調(diào)整天線傾角時(shí)，維護(hù)人員不必爬到天線安放處，可以基站天線實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)整。在未來(lái)的LTESON中運(yùn)營(yíng)商也希望通過(guò)自動(dòng)調(diào)整天線的相關(guān)傾角來(lái)完成覆蓋的自動(dòng)優(yōu)化。

智能天線的三大優(yōu)勢(shì)

智能天線的引入對(duì)以下3個(gè)方面產(chǎn)生了極大的影響。

1.網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面

對(duì)使用普通天線的無(wú)線基站，其小區(qū)的覆蓋完全由天線的輻射方向圖形確定。在現(xiàn)場(chǎng)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。而智能天線陣的輻射圖形完全可控，在需要調(diào)整的情況時(shí)，均可通過(guò)軟件簡(jiǎn)單地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，減少了人工參與。

2.增加系統(tǒng)容量以及抑制干擾

CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來(lái)自本系統(tǒng)的干擾。智能天線通過(guò)對(duì)各天線元的激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化天線陣列方向圖將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，大大提高陣列的輸出信干比，抑制了干擾并且起到了改善系統(tǒng)質(zhì)量、提高系統(tǒng)可靠性的作用，信干比的提高還意味著系統(tǒng)容量的提高。智能天線增加了空分效果，理論上等效于增加了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量，用戶較少時(shí)其空分的增益較為明顯，用戶數(shù)過(guò)多時(shí)其性能反而會(huì)下降。

3.提高基站接收機(jī)靈敏度

基站所接收到的信號(hào)為來(lái)自各天線單元和收信機(jī)所接收到的信號(hào)之和。如采用最大功率合成算法，在不計(jì)多徑傳播條件下，則總的接收信號(hào)將增加10lgN(dB)，其中，N為天線單元的數(shù)量。存在多徑時(shí)，此接收靈敏度的改善將隨多徑傳播條件及上行波束賦形算法而變，其結(jié)果也在10lgN(dB)上下。

智能天線的三大關(guān)鍵技術(shù)

智能天線的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個(gè)：智能化發(fā)射技術(shù)、接收技術(shù)和動(dòng)態(tài)信道分配。

第一，智能化接收技術(shù)。TD系統(tǒng)中必須采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)，將各用戶信號(hào)進(jìn)行分離和恢復(fù)。整個(gè)上行信道等效為一個(gè)多重單輸入多輸出系統(tǒng)。另一方面，為了給智能發(fā)射提供依據(jù)，在上行中還需要估計(jì)反映用戶空間位置信息的參量，如DOA、空域特征等，它們的精度估計(jì)將直接影響到下行選擇性發(fā)送的性能。

第二，智能化發(fā)射技術(shù)。智能化發(fā)射技術(shù)利用用戶的空間差異，保證每個(gè)用戶只接收基站發(fā)給它的下行信號(hào)，不受同一信道中基站發(fā)給其他用戶信號(hào)的干擾。TD中實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)射的方法是利用一些特征參量相對(duì)于上下行鏈路的不變性，通過(guò)各用戶對(duì)上行信號(hào)的估計(jì)，確定下行鏈路的波束形成方案。

第三，動(dòng)態(tài)信道分配。智能天線的引入提升了系統(tǒng)性能，也給DCA的策略和方案帶來(lái)較大影響。智能天線的波束賦形實(shí)質(zhì)是對(duì)不同用戶的信號(hào)在空間上進(jìn)行區(qū)分，如果DCA在進(jìn)行信道資源分配時(shí)，能夠盡量把相同方向上的用戶分散分配到不同時(shí)隙中，保證在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的用戶分布在不同的方向上，這樣可以充分發(fā)揮智能天線的空分功效，使多址干擾降至最小。因此，DCA功能增加了對(duì)用戶空間信息的獲取和處理功能。

智能天線面臨五大挑戰(zhàn)

在中國(guó)移動(dòng)TD一期、二期建設(shè)過(guò)程中，智能天線初步體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)，但也出現(xiàn)了很多問(wèn)題，如智能天線遇到規(guī)模數(shù)量的用戶時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定、天線體積過(guò)大存在不安全因素、天線實(shí)際效果低于理論預(yù)期、天線下傾不合理等。

筆者認(rèn)為，當(dāng)前智能天線技術(shù)遇到的主要挑戰(zhàn)有：智能天線的校準(zhǔn)、波束賦形的速度問(wèn)題以及設(shè)備復(fù)雜性。

第一，智能天線的校準(zhǔn)。智能天線，須具有對(duì)智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的技術(shù)，即根據(jù)電磁場(chǎng)理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形。但對(duì)實(shí)際無(wú)線基站，每一條通路的無(wú)線收發(fā)信機(jī)不可能是全同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。不僅不能發(fā)揮智能天線的優(yōu)勢(shì)，甚至完全不能通信。

第二，波束賦形的速度問(wèn)題。由于用戶終端的移動(dòng)性，移動(dòng)通信是一個(gè)時(shí)變的信道，智能天線是由接收信號(hào)來(lái)對(duì)上下行波束賦形，故要求TDD的周期不能太長(zhǎng)。例如，當(dāng)用戶終端的移動(dòng)速度達(dá)到100km/h時(shí)，其多普勒頻移接近200Hz，用戶終端在10ms內(nèi)的位置變化達(dá)到28cm，在2GHz頻段已超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)下行波束賦形將帶來(lái)巨大的誤差。故希望將TDD周期進(jìn)行縮減，以保證智能天線正常工作。如果要求此系統(tǒng)的終端能以更高的速度移動(dòng)，則TDD上下行轉(zhuǎn)換周期還應(yīng)進(jìn)一步縮短。

第三，設(shè)備復(fù)雜性。智能天線的性能將隨天線陣元數(shù)目的增加而增加，但是增加天線陣元的數(shù)量將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是在基帶數(shù)字信號(hào)處理的量將成幾何級(jí)數(shù)遞增�，F(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復(fù)雜性已對(duì)微電子技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。

第四，未達(dá)理論預(yù)期。理論上對(duì)智能天線的分析都是基于理想波束賦形這一結(jié)論，都是使用理想的DOA估計(jì)算法，但在實(shí)際環(huán)境中由于干擾、衰落、時(shí)延等影響，很大程度上惡化了DOA估計(jì)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)負(fù)載越小，用戶越分散，系統(tǒng)更能容忍波束賦形的偏差；而系統(tǒng)的負(fù)荷較大時(shí)，性能會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。市區(qū)環(huán)境由于發(fā)射密度高、波束指向明顯不準(zhǔn)確，導(dǎo)致智能天線的效果達(dá)不到理論預(yù)期。

第五，現(xiàn)階段的主要目標(biāo)是只保證連續(xù)覆蓋、解決同頻干擾問(wèn)題，因此需要調(diào)整天線的下傾角，減少同頻干擾，而大量的調(diào)整工作對(duì)智能天線電調(diào)化提出了需求。

“四化”之外的三大趨勢(shì)

筆者認(rèn)為，智能天線除了向中國(guó)移動(dòng)提出的“四化”方向發(fā)展外，還呈現(xiàn)出3個(gè)主要趨勢(shì)。

第一，多樣化。3G有更多的標(biāo)準(zhǔn)，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天線的要求有所不同。不同廠家對(duì)于智能天線都已開發(fā)出多樣化的產(chǎn)品，有全向天線、定向型天線、八陣元、六陣元等，這些天線都已在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)以及一、二期的建設(shè)中得到了應(yīng)用。

第二，集成化、一體化。業(yè)內(nèi)已推出天線一體化RRU，將天饋系統(tǒng)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(wèn)題，在減少損耗的同時(shí)收到了節(jié)能環(huán)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TD二期工程的部分城市規(guī)模部署后，效果較好。隨著城區(qū)站址資源的日趨緊張，預(yù)計(jì)天線一體化RRU在TD后續(xù)建設(shè)中會(huì)有更大規(guī)模應(yīng)用。在后續(xù)技術(shù)演進(jìn)上，RRU和天線系統(tǒng)平滑升級(jí)，當(dāng)TD-LTE與TD采用相同的頻段，天線可復(fù)用，RRU軟件升級(jí)支持LTE。

第三，美化天線。智能天線的體積相比2G更大，其選址更難并極大地影響了市政建設(shè)的美觀性，有可能引來(lái)更多居民投訴和人們對(duì)基站輻射的擔(dān)心。美化天線作為幫助運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)取站址資源的策略之一，具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和環(huán)境、社會(huì)和諧的三重功能。因此美化天線一直是近年來(lái)智能天線發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商對(duì)TD智能美化天線的市場(chǎng)需求明顯增多。

作者：北京郵電大學(xué)信息與通信學(xué)院博士研究生 許森

吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生 何進(jìn)