從智能天線與傳統蜂窩基站天線比較談TD-SCDMA組大網（宏蜂窩）的可能性

在聯盟產業組第12次工作會上，西安海天天線董事長肖良勇教授做了題為《從智能天線與傳統蜂窩基站天線比較談TD-SCDMA組大網（宏蜂窩）的可能性》的報告，從射頻及電波傳播角度，就TD-SCDMA單獨組網的可行性進行論證。報告引起了各與會企業的一致重視，希望能更深入地了解西安海天在TD-SCDMA智能天線領域的研發成果。
IMT-2000是國際電信聯盟（ITU）提出的第三代移動通信系統。最早稱為未來公眾陸地移動通信系統（FPLMTS），其目的在于全球使用統一的頻率，統一的標準，實現全球漫游和提供多種業務。IMT-2000總共包括了5大標準體系，其中TD-SCDMA、WCDMA、和CDMA2000，這3個標準是主宰移動市場的航母。
TD-SCDMA采用智能天線和多用戶聯合檢測技術，是具有自主知識產權的移動通信標準。無線傳輸技術是決定系統性能和容量的關鍵技術，也是各個標準中差異最大的部分，并且任何高層的協議和應用都是以物理層為基礎，為物理層服務。TD-SCDMA的物理層關鍵技術包括上行同步、智能天線、聯合檢測、信道估計和接力切換等。
在基站使用陣列天線進行收發，并且結合基帶時空信號處理，可以大大改善系統的性能。在未來的第三代移動通信系統中，基站（和移動臺）使用陣列天線進行時空聯合自適應處理已經成為系統擴容的一個重要內容。TD-SCDMA技術的關鍵技術之一就是智能天線技術，從某種意義上講，TD-SCDMA系統是基于智能天線設計的。對于其他的第三代移動通信系統，智能天線技術的引入仍然是系統性能（質量和容量）改善的重要內容。
在與大唐移動通信設備有限公司合作下，我公司開展了對TD-SCDMA系統中智能天線陣列的研發，下面將給出我們研究的結果。
1 智能天線性能介紹
1.1 工作原理
我公司研發智能天線如圖1和圖2所示，

圖1 全向陣列天線? 圖2? 扇區陣列天線

下面以扇區陣列天線的性能介紹智能天線的工作原理。該智能天線陣列有兩種工作模式。在蜂窩移動通信系統中，由于用戶通常分布在不同方向（也有用戶方向重合的情況），加之無線移動信道的多徑效應，有用信號僅存在一定的空間分布而并非整個蜂窩小區或者整個扇區。當基站接收信號時，即在上行鏈路中，來自各個用戶的有用信號到達基站的方向可能不同；當基站發射信號時，即在下行鏈路中，可被用戶有效接收的也只是部分信號?？紤]到上述因素，調整天線的方向圖使其能定向性的發射和接收就非常合適了，這也就是波束形成（Beam Forming）（可在射頻、中頻或基帶實現），把這種模式定義為工作模式。
智能天線系統在未通話狀態時基站仍然需要向扇區內所有用戶發送公共控制信息，并通過小區內不同方向的用戶返回給基站的信息來判斷用戶方向和數量。這種功能要求基站天線的方向圖能夠均勻地覆蓋整個扇區，即廣播模式。如圖3虛線所示。

而通常提到的波束形成分兩種方法：切換波束陣列（Switching Beam Array）和跟蹤波束陣列（Tracking Beam Array）。對于切換波束陣列，預先形成一定數量角度固定的窄波束，僅在數字信號處理中采用算法計算出切換到“最優”波束使波束指向期望用戶方向。這種方法只能通過低副瓣來降低干擾。而跟蹤波束陣列能夠實時形成權值使主波束跟蹤期望用戶，并在干擾用戶方向形成零陷以提高信噪比。這種方法的缺點是實時得到權值的計算量顯著增加。
從陣列綜合的角度出發，陣列形式的設計和激勵權值的確定是兩個核心的問題。陣列形式一旦設計好之后就是固定不變的了，可以調整的只能是激勵權值。激勵權值即激勵幅度、相位可分別通過衰減器、移相器或者在基帶中使用DSP芯片實現。對于上述兩種工作模式，考慮實現的難易程度：先根據廣播模式對方向圖要求綜合陣列結構和激勵權值；再對求出的陣列結構綜合工作模式激勵權值。
1.2 天線性能
TD-SCDMA系統采用智能天線技術，可以將發射功率集中至小區內活動UE所在的位置，并在UE移動過程中全程監控。智能天線技術可以帶來以下好處：
◆ 降低小區間干擾；
◆ 降低多徑干擾的影響；
◆ 基站接收靈敏度增加9dB，故仍然可能使用低發射功率達到較遠通信距離。在使用相同發射功率級別的手持機條件下，TD-SCDMA的通信距離比WCDMA要大。

下面給出我們公司設計的應用于TD－SCDMA系統的4單元扇區天線陣HTZN18/209014。該天線的工作頻段同時覆蓋了TD－SCDMA的1880～1920MHz和2010～2025MHz兩個工作頻段。圖4分別給出了兩個頻段上陣列的廣播模式方向圖，具體參數
如表1。在兩個工作頻段上波瓣寬度隨頻率變化誤差僅為3.37％（1880～1920MHz）和3.06％（2010～2025MHz），遠小于國標±10％。
變量
頻率(MHz)?HPBW(度)?Ripple(dB)?Gain(dB)
2010?88.14?1.35?14.00
2018?87.69?1.18?13.96
2025?87.25?1.17?13.94
1880?93.37?1.68?13.66
1900?91.71?0.87?13.51
1920?89.94?1.07?13.39
對于邊射陣，波束掃描角度最大方向時副瓣最高，因此本文給出了工作波束掃描至扇區邊緣45o時的方向圖。圖5 給出了期望用戶方向分別為45o、67o形成的工作波束?？梢钥吹郊词棺畲笥脩粼谏葏^邊緣時由于波束形成技術可提供的信干比仍可達到10.74dB。

圖6分別模擬了系統給定一個期望用戶，且有一個、兩個或者三個強干擾用戶情況下，在天線陣上可形成的方向圖?？梢钥吹酵ㄟ^調整陣列的單元激勵權值，可以在天線陣上形成主波束對準期望用戶，同時在強干擾用戶方向形成零陷以抵消干擾用戶對系統的干擾。在有一個或者兩個強干擾用戶情況下下，由于天線陣上可以生成零陷達到-40dB以下。對于有三個強干擾用戶情況下，由于單元數目限制，形成方向圖零點數目少于干擾數目。但是所有零點的數值均小于－33dB，對干擾仍然具有很強的抑制作用。

2．三種系統覆蓋區域比較

TD-SCDMA系統中使用了多端口陣列天線，通過調整不同的權值來實現扇區覆蓋與波束掃描，業務波束的掃描實現了用戶的跟蹤。前面分別給出了兩種模式下的TD－SCDMA扇區天線陣的工作特性，圖7給出天線在跟蹤過程中天線波束掃描的效果。
而WCDMA和CDMA2000使用的天線與2G移動通信系統中實用的天線相同，都是固定波束天線，圖8給出TD-SCDMA采用扇區天線陣覆蓋與WCDMA、CDMA2000采用常規波束寬度65度增益18dBi定向天線以及波束寬度120度增益16dBi定向天線覆蓋區域比較。
TD-SCDMA智能天線與WCDMA、CDMA2000傳統天線場強覆蓋比較有以下結果：
1、無論在扇區的中心方向還是扇區的邊緣方向，TD－SCDMA系統天線比傳統天線信號場強：高5～8dB（在發射功率相等的情況下）；或要達到同樣信號唱片，基站的發射功率小3～6倍。
2 、傳輸距離：遠77％～150％。
3、 基站數目：少2/3～5/6。
在多用戶情況下，TD-SCDMA上下鏈路平衡，而WCDMA、CDMA2000上下鏈路不平衡。

如果考慮到智能天線基站接收靈敏度與信號/噪干正相關，不僅信號增益高，而且噪聲、干擾、多徑衰落由于工作波束的變窄而大大減小，實際通信情況可能還比圖9（A）中顯示的更樂觀。
因此，從電磁波傳輸的角度分析，TD-SCDMA完全可以組大網（宏蜂窩）。