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TD-SCDMA智能天线系统的特点及测试
饶毅 李克
2010-03-23 00:00:00 来源:[电信科学]

摘要 本文简要介绍了智能天线的原理、智能天线阵的物理特性和波束赋形、智能天线算法的实现。最后对TD-SCDMA智能天线的现场测试进行了分析,指出了测试时应注意的事项。

1、智能天线的原理

  智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入系统基站侧的天线阵列,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元,获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。其原理是将无线电信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向(direction of arrival,DOA),旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。

  在TD-SCDMA系统中智能天线基本思想是:天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制,发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分用户,在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下。仍然可以根据信号不同的空间传播路径来区分。

  TD-SCDMA由于上下行无线链路使用同一载频,无线传播特性近似相同,能够很好地支持智能天线技术,智能天线的使用增加了TD-SCDMA无线接口的容量。

  TD-SCDMA智能天线主要实现2种波束:广播波束和业务波束。广播波束是在广播时隙形成,实现对整个小区的广播,所以要求波束宽度很宽,尽量做到小区无缝隙覆盖。业务波束是在建立具体的通话链路后形成,也就是形成跟踪波束,它会针对每一个用户形成一个很窄的波束,这些波束会紧紧地跟踪用户。由于波束很窄,能量比较集中。在相同功率情况下,智能天线能将有用信号强度增加,同时减小对其他方向用户的干扰,由于智能天线能很好地集中信号,所以发射机可以适当地减小发射功率。

2、智能天线阵的物理特性和波束赋形

  常见的智能天线阵列一般分为360°全向阵列和120°平面扇区阵列。全向天线阵主要适用于用户密度较低的农村地区和偏远山区,可作360°全向小区覆盖。平面天线阵主要覆盖120°的扇形区域。通常一个三扇区基站便可以覆盖360°范围。平面天线阵由于具有较好的波束赋形性能,能够形成更窄的波瓣宽度,具有更强的旁瓣抑制能力并提供更高的赋形增益,所以成为目前TD-SCDMA智能天线的主流,应用于用户密集的广大城区环境的覆盖。

  智能天线阵的阵元个数通常为4-16个。目前系统中用得比较多的是8个阵元振子构成的天线阵。天线阵元数越多,其增益越高,波束赋形的能力亦越强,但同时造价和实现的复杂度也会大大增加。在将来,估计4阵元的智能天线也会逐渐投入应用,可以在降低系统实现成本的基础上提供更为经济的选择。当然。具体应用需要同时考虑经济性与性能之间的平衡。

  智能天线每个天线阵元物理特性完全一样,因而单天线波瓣图具有非常相似的特征。多个天线阵元以一定的间距(通常为1/2λ)排列成天线阵列。再通过算法对各个天线阵元的信号(包括振幅和相位)进行控制,最终形成具有方向性的下行波束。

  图1、图2是8阵元全向智能天线单个阵元在垂直和水平方向的波瓣。

图1 单天线垂直方向

图2 单天线水平方向

  从图1、图2可以看出。全向智能天线的单天线阵元不管是垂直方向还是水平方向,在基本物理特性上仍然有较为明显的方向特性。多个单天线阵元环形排列成圆阵后,其实际波束将由各天线阵元不同权重因子的激励信号来决定。

  图3、图4是2种典型的全向智能天线阵波束赋形。

图3 全向阵广播波束

图4 全向阵业务波束

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