TD-SCDMA基站智能天线测试

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摘要　由于智能天线具有良好的性能，它已成为TD-SCDMA系统发展的关键技术之一。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心结合信息产业部科技司组织制定的《TD-SCDMA系统智能天线》标准，并配合TD-SCDMA网络规模试验，进行了大量相关试验，积累了测试经验和数据。

由大唐电信代表中国政府提交的具有自主知识产权的TD-SCDMA技术先后被ITU-T和3GPP，采纳为第三代移动通信国际标准，成为中国百年电信史上的重要突破。

智能天线最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。从20世纪90年代初开始，人们就试图考虑将智能天线技术引进到无线通信中来，但一直未能找到合适的途径。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。

由于智能天线良好的抗多用户干扰性能，能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，使其成为TD-SCDMA系统的关键技术之一，它对网络性能有着重要影响，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。在中国具有独立知识产权的TDD模式运行的TD-SCDMA技术中，已经成功引进了智能天线技术。从某种程度上可以说，智能天线是3G区别于2G系统的关键标志之一。

信息产业部科技司已经组织制定了《TD-SCDMA系统智能天线》标准，由天线和天线智能控制两部分组成。《TD-SCDMA系统智能天线》标准分为两部分：目前已经完成了“第一部分：无源天线”（包括天线阵列和射频校准网络），接下来还将制定“第二部分：智能控制”（包括核心自适应算法）。

配合TD-SCDMA网络规模试验，信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心已经陆续开展了相关试验。

一、TD-SCDMA系统中的智能天线

1.基本原理

智能天线包括自适应天线和切换波束天线。智能天线采用空分多址（SDMA）复用技术，即利用多个天线单元空间的正交性和信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与传统的、没有智能天线的基站比较，它在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分；而在基带信号处理部分的硬件则基本相同，每个射频收发信机都有ADC和DAC，它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号，然后将待发射的数字信号转换为模拟基带信号，最后完成模拟信号和数字信号的相互转换。而所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接，在性能方面，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其他用户之间以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。

自适应天线采用自适应算法，具有无限数目的、随时间调整的方向图，随着信号及干扰而变化。自适应天线技术是目前最先进的智能天线方法，采用数字信号处理技术和多种较新的信号处理算法，有效地跟踪、锁定各种类型的信号、识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束，可以动态抑制其干扰到最小，而所希望的信号最大。切换波束和自适应天线这两种系统都力图根据用户的位置来提高增益，但是只有自适应天线系统能提供优化增益。自适应天线阵列系统的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化，动态响应速度相对较慢。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。

切换波束天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，其天线系统可形成多个固定的波束，在特定的方向上提高灵敏度。它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高，而且用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。

TD-SCDMA系统中采用的是第一种，即自适应方向智能天线。具体而言，在TD-SCDMA系统的基本结构中，智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为25 cm。同全方向天线相比，它可获得最大9 dB的赋形增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比、降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。此种类型的智能天线核心算法是自适应算法。目前在自适应算法的研究方面，已提出很多著名的算法，概括地讲，有基于波达方向估计（DOA）、非盲自适应算法和盲自适应算法几种类型。

（1）基于波达方向估计

经典的基于波达方向的估计方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改进算法，还有最大似然估计、基于高阶累计量、基于特征值分解的次最优估计等方法。该类算法要解决的问题是计算复杂、自由度小、矩阵分解等等。

（2）非盲自适应算法

自适应处理中的期望信号对自适应处理结果影响很大。在CDMA系统中，由于提供了导频信道，因此完全有条件进行非盲自适应算法。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是该算法的具体实例。

（3）盲自适应算法

盲自适应是无法提供自适应算法中要求的期望信号，只能利用传输信号的特性进行波束形成，实现盲自适应算法。这种方法不是最优估计，典型的代表有恒模算法（CMA）。CMA有许多变形，如MT-LSCMA、MT-DD等。

2.技术优势

TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。

（1）提高信号干扰比，改善通信质量

采用窄波束的主瓣接收和发射信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力。此外，它对移动系统中的多径干扰也有一定的削弱作用，因此大大改善了通信质量。

（2）增加系统容量，提高通信数量

智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统（如：CDMA系统），可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。

众所周知，CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。也就是说，智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，这对CDMA系统极为重要，可以大大增加CDMA系统的容量。在CDMA系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，使CDMA系统容量至少可以增加一倍以上。

（3）扩大通信覆盖区域，且提高频谱利用率

对于使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形是根据可能需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化，非常方便。而且采用智能天线技术代替普通天线，提高了小区内的频谱复用率，随着移动通信需求的增长，则可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量、降低运营商成本。

（4）降低基站发射功率，减少电磁环境污染

在使用普通天线的无线基站中，发射信号采用的是高功率放大器（HPA）；而在TD-SCDMA中使用了智能天线，由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，大大降低了基站的发射功率，同时也减少了电磁环境污染。

3.技术要求

TD-SCDMA智能天线阵列主要包括八列单元定向直线智能天线阵，六列单元定向直线智能天线阵，四列单元定向直线智能天线阵，八列单元全向环形智能天线阵，六列单元全向环形智能天线阵。其他类型的天线也可进行参照使用。有关技术要求，请参照信息产业部发布的通信行业标准《TD-SCDMA系统智能天线》。

（1）电性能要求
　（2）机械特性要求

●安装要求：抱杆直径50～114 mm。

●一般结构要求：天线结构应牢固可靠，便于安装、使用和运输。

（3）环境条件要求

●抗风能力：工作风速36.9 m/s；极限风速55 m/c。

●摄冰厚度：10mm不被破坏。

●环境温度：工作温度-40℃～+60℃；极限温度-55℃～+75℃。

●具有良好的防雨性能。

●具有防烟雾、潮湿、大气中二氧化硫与紫外线辐射的能力。

二、无源天线的测量

1.被测天线信号的馈入

由于在实验室测量辐射电特性时，没有实际的基站和数字赋形部分，需要用一个可调移相衰减网络来给被测的。TD-SCDMA基站天线馈入信号（示意图见图1）。

图1　可调移相衰减网络示意图

为进行TD-SCDMA基站天线测试，专门研制了一系列数字化的可调功分移相网络。表2是用于八列单元定向直线智能天线阵测量的数字化可调功分移相网络的技术指标。

表2　数字化可调移相衰减网络技术指标

2.辐射电性能测量

表1中“半功率波束宽度”、“旁瓣电平”、“前后比”、“增益”等辐射电性能指标都需要在电波暗室中进行测量，有关天线测量暗室和测量系统的要求可以参照文献[1]，TD-SCDMA智能天线的测量方法参见文献[2]。图2是信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心进行TD-SCDMA智能天线测量的布置图片。

图2　TD-SCDMA基站智能天线辐射电性能测试布置

图3　TD-SCDMA基站智能天线赋形后的测量结果

3.业务波速赋形测量

给某厂家的TD-SCDMA基站智能天线馈入如表3中权值的信号，赋形得到55度方向的业务波束，测试结果如图3所示：在1900 MHz，主波束方向为55度，半功率波束宽度16.04度，旁瓣电平-12.96（dB），增益20.34（dB）。

表3　天线馈入信号的权值

三、结语

智能天线技术对移动通信系统带来的优势是目前任何技术所难以替代的。由于智能天线有着显著提高系统的性能和容量，并增加天线系统的灵活性等诸多好处，因此没有理由不相信，使用了这种先进技术的TD-SCDMA系统有着良好的应用空间和发展前景。另外，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一。据专家估计，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。但是要真正对智能天线系统的性能进行评估，还有很多工作要做，包括提出智能控制部分的技术指标要求、研究相应的测试方法、准备测试环境等等，文献[3]在这方面提出了一些设想。

参考文献

1　ANSI/IEEE Std 149-1979.IEEE Standard Test Procedures for Antennas，August 8，1980

2　贺鹏，安少赓，马欣等.《TD-SCDMA系统智能天线》标准，2007

3　肖良勇，陈锡斌．海天3G研发的构想，2006年11月

4　卜斌龙.TD-SCDMA天线测量报告.2007年2月

5　庄春红，智能天线在TD-SCDMA中的应用.通信产业报，2006年12月21日

6　张兴华，郭俊能.TD-SCDMA中的智能天线技术.移动通信，2003年12月