蒲瓊瓊

摘要：研究智能天線在TD-LTE應(yīng)用的目的在于了解智能天線技術(shù)具有的特點與先進性，找到適合當(dāng)前中國無線通信領(lǐng)域中智能天線應(yīng)用的途徑。文章介紹了智能天線的特點與優(yōu)勢，分析了智能天線在TD-LTE具體應(yīng)用如單、雙流波束賦形的差異，SDMA空分多址應(yīng)用及誤差問題的解決。

關(guān)鍵詞：TD-LTE智能天線；性能分析；應(yīng)用

智能天線，英文名Smart Antenna，是一種廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的新興專業(yè)技術(shù)，不僅集合了自適應(yīng)天線技術(shù)、無線電軟件技術(shù)、微波技術(shù)，也涵蓋了自動控制技術(shù)、Digital Signal Processing技術(shù)（即DSP數(shù)字信號處理技術(shù)）。同許多無線通信技術(shù)一樣，智能天線誕生之初也只在軍事領(lǐng)域有所應(yīng)用，但由于其本質(zhì)上具備了一定程度的“自適應(yīng)”功能，作為一種智能天線陣列開始逐漸轉(zhuǎn)入民用通信領(lǐng)域。尤其是3G技術(shù)出現(xiàn)以后，無論是商業(yè)用途還是試驗TDLTE都開始廣泛使用智能天線理論與技術(shù)。

1智能天線的特點與優(yōu)勢

1.1特點

智能天線技術(shù)誕生的背景乃是由于空間通信環(huán)境對無線電通信在本質(zhì)上存在著無法回避的干擾性、不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，其影響無線電通信質(zhì)量的因素眾多，主要有多徑、時延、衰落、擴展等。包括氣候條件、干濕度、大氣污染等大量不可控情況都會對無線通信造成負(fù)面影響。例如，同類無線信號之間的交叉干擾、多地址信號的干擾和不同符號之間的串?dāng)_等。這些干擾源既降低了通信容量，也損害了通信質(zhì)量，既是無線通信領(lǐng)域必須解決的問題，也是促成智能天線出現(xiàn)的本質(zhì)原因。

因此，智能天線的本職工作就是排除各種無線通信干擾因素。其一在于通過控制指向多個不同用戶的并行無線波，將空域內(nèi)的無線信息進行過濾并定位，從而減少或降低不同無線通信用戶之間的信號干擾。其二，利用無線傳輸時信號之間存在的相干性，按實時通信需要對天線陣列進行調(diào)整，使其改變信號發(fā)送的權(quán)值，通過在空間產(chǎn)生的預(yù)定無線波指向具體的目標(biāo)信號，由天線主瓣跟蹤目標(biāo)信號（無線通信用戶），零線或旁瓣則指向干擾信號，以此提高目標(biāo)信號質(zhì)量與移動通信利用率，同時抑制甚至刪除干擾信號。

智能天線的安裝與使用并不在用戶端，而是在基站，主要工作原理在于影響上下行信號鏈路，比如針對上行鏈路傳輸?shù)幕殳B信號作加權(quán)處理，得到與信號對應(yīng)的無線波。又如對下行鏈路將要發(fā)射的信號作預(yù)加權(quán)處理，實現(xiàn)選擇發(fā)送信號的功能等。

1.2優(yōu)勢

智能天線優(yōu)勢眾多，比如快速掃描、捷變波束、合成功率、與雷達(dá)共形、多波束和分散布置等。

掃描速度是天線功能強弱的具體表現(xiàn)形式之一，也會在根本上影響無線通信效率與質(zhì)量。智能天線中的陣列式天線利用其下各子天線中具有的眾多信道單元配合數(shù)字移相器實現(xiàn)了無線傳輸中信號相位的快速切變功能，使天線掃描能力提高至在幾微秒中完成無線波形成和轉(zhuǎn)換位置。

捷變波束的目的則是提高濾波能力，依據(jù)“傅立葉變換”理論，無線方向圖與口徑照射之間通過函數(shù)轉(zhuǎn)換改變信號在各無線通道中的相位與幅度，由此實現(xiàn)無線波束改變形狀，從而提高了波束賦形的速度，增強了通信空間自適應(yīng)濾波的能力。

合成功率的目的在于提高功率，主要解決某些特定雷達(dá)如超遠(yuǎn)程微波雷達(dá)與毫米波雷達(dá)的正常使用問題。工作模式為在各子陣天線或通信通道中增加放大器的形式提高發(fā)射功率，再結(jié)合移相器變化相位，以實現(xiàn)波束發(fā)射的定向照射，從而更加靈活、方便地設(shè)計各類特殊用途的雷達(dá)系統(tǒng)。

與雷達(dá)共形是為解決天線影響雷達(dá)空氣動力學(xué)性能的問題，弱化乃至消除天線在非共形情況下對雷達(dá)正常運作產(chǎn)生的負(fù)面影響。其原理是有源共形的相控陣天線具備的先進信號處理能力為雷達(dá)共形提供了技術(shù)支持。

多波束功能主要是與捷變波束共同作用，提高天線的系統(tǒng)性能。由于具有波控信號的自由轉(zhuǎn)換性能，在同一重復(fù)周期中，不同發(fā)射波束可便捷地形成不同指向，由此實現(xiàn)信號在通道中的低噪放大再傳輸多個波束網(wǎng)絡(luò)。

分散布置是對既有的智能天線理論與技術(shù)的延伸，由于相控陣天線具有的子陣性質(zhì)，分散布置的子陣天線之間利用相位、時間與幅度的補償機制，再結(jié)合無線信號的處理，達(dá)到角度分辨能力與抗干擾能力的進一步提升。這也是未來智能天線發(fā)展的總體趨勢和方向。

2應(yīng)用分析

智能天線在TD-LTE模式應(yīng)用中具有了專業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn)化配置，其傳輸模式更有針對性。例如3GPPR8與3GPPR9應(yīng)有各自相對獨立的基礎(chǔ)端口，前者的專用傳輸模式為TM7，后者則是TM8。TM7基于的專用導(dǎo)頻端口為單端口5，MT8基于的專用導(dǎo)頻端口則分別為端口7與端口8。3GPPR8與3GPPR9各自支持的波束賦形技術(shù)也有所不同，前者為單流技術(shù)，后者為雙流技術(shù)。3GPP現(xiàn)有的協(xié)議內(nèi)容中規(guī)定，LTE中的eNode B上，TDD與FDD一樣選擇專用導(dǎo)頻模式進行波束賦形，然而TD-LTE是唯一針對終端要求強制具備波速賦形解調(diào)數(shù)據(jù)的功能。

應(yīng)用智能天線后的TD-LTE峰值速度、小區(qū)覆蓋范圍、邊緣用戶吞吐量等方面具有提高質(zhì)量、提升性能的作用。特別是當(dāng)MIMO多天線結(jié)合智能天線組合使用后，針對不同用戶波束賦形情況都能使原有性能得以提升。比如，單用戶模式下其戶空間可獲得更大的復(fù)用增益。而多用戶模式下的系統(tǒng)又可獲得更多的分集增益?？梢奣D-LTE下的智能天線應(yīng)用無論面對何種模式均可促進系統(tǒng)的性能提升。

2.1單、雙流波束賦形的差異

（1）單流波束賦形。即TM7模式下的波束賦形技術(shù)，無線傳輸中的UE通過測量專用導(dǎo)頻估算并同步相干檢測賦形以后的等效信道。為了準(zhǔn)確估算賦形后的傳輸信道，基站在傳輸數(shù)據(jù)時必須同步傳送一個用以賦形的專用信號，這就是UE的參考信號，也即專有導(dǎo)頻，使用單端口5，職責(zé)為業(yè)務(wù)調(diào)解TM7模式。（2）雙流波束賦形。即TM8模式下的波束賦形技術(shù)，與TM7模式下不同處在于，TM8模式對應(yīng)的專用導(dǎo)頻端口分別為端口Z與端口8，并新增了控制信令以及8×2的天線配置，使原有的波束賦形提升為雙流傳送。在此基礎(chǔ)上，MIMO的空間復(fù)用與波束賦形實現(xiàn)了融合，最終形成雙流波束賦形。而雙流波束賦形下還可細(xì)分為單用戶與多用戶2種技術(shù)形式。

單用戶模式下，首先通過eNode B對上行信道進行測量，確認(rèn)信道狀態(tài)情況后，eNode B由得到的信道數(shù)據(jù)算出2個賦形矢量，這2個賦形矢量分別對應(yīng)2個即將發(fā)射的數(shù)據(jù)流的下行賦形。單用戶模式下的雙流賦形技術(shù)可實現(xiàn)單個用戶在一個時間點上的2個增益——空間復(fù)用增益與賦形增益以及2個數(shù)據(jù)流傳送。由此實現(xiàn)提升傳送速度的同時擴大系統(tǒng)容量的目的。

多用戶模式下，eNode B可以采用UE反饋信息和對上行信道進行測量2種形式匹配多用戶，匹配結(jié)束后根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)生成賦形矢量，每個矢量對應(yīng)一個UE并為每個數(shù)據(jù)流完成賦形。這種技術(shù)原理基于智能天線的定向波束理論，實現(xiàn)多用戶的Spatial Division Multiple Access——SDMA空分多址功能。

2.2SDMA空分多址應(yīng)用

在現(xiàn)實應(yīng)用中，單用戶會因為天線數(shù)量、終端規(guī)格與具體使用的場景限制而基本不能支持高Rank的數(shù)據(jù)輸送。所謂Rank是分解EBB（信道矩陣）后特征值除零以外的特征向量的數(shù)量。eNode B端會收到由UE處測得的Rank Indicator（RI，Rank數(shù)值），并根據(jù)RI在傳輸空間劃分出互不關(guān)聯(lián)、彼此獨立的信道量。當(dāng)通信系統(tǒng)中出現(xiàn)較多用戶時，eNode B端會選擇具有相對最強空間獨立性的2個UE，而如果eNode B端擁有多天線，則可利用賦形技術(shù)的空間隔離功能同時對多個UE進行傳輸，這也是MIMO多用戶技術(shù)，也可稱為MIMO多用戶與賦形技術(shù)的融合。因此，對于雙流波束賦形來說，處于多UE狀態(tài)下時，這一技術(shù)的先進性才能得到更大的發(fā)揮。

3需要注意的問題

誤差現(xiàn)象是智能天線應(yīng)用于TD-LTE時需要引起注意的問題。任何智能天線都不可能完美無缺，由于幅度或相位難以避免存在誤差，就會對天線副瓣的波束指向、電平、增益存在不同程度的影響。天線誤差現(xiàn)象一般有2種：隨機性與相關(guān)性。隨機性誤差指設(shè)備制造過程中由于精度問題造成的物理性機械誤差，諸如輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、移相器與機構(gòu)結(jié)構(gòu)本身存在的問題都可能引發(fā)誤差。天線單元的數(shù)量與誤差造成的影響呈正比關(guān)系，即一個陣列中的天線單元個數(shù)越少，則其誤差對性能的負(fù)面影響就越大，此時需要更加嚴(yán)格地控制誤差允量。為使相位誤差或幅度誤差減少至最少，可行的辦法是建造低副瓣天線。

相關(guān)誤差與隨機誤差的不同在于其負(fù)面影響主要引起高電平峰值副瓣，這比隨機誤差影響天線性能的程度更深。一個比較典型的例子就是移相器存在的周期性相位誤差問題。陣列式天線由于本質(zhì)上的大規(guī)模與高成本特點，往往采取子陣結(jié)合的模式，而子陣模式又必然存在著結(jié)構(gòu)的周期性，由此產(chǎn)生出難以避免的高電平周期性柵瓣問題。解決這類問題主要應(yīng)在天線設(shè)計階段予以規(guī)避。

4結(jié)語

智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用還屬于發(fā)展初期的前沿科技，雖然其技術(shù)的先進性已經(jīng)在許多具體應(yīng)用場景中得到了展示，但不可否認(rèn)的是這一技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，仍然存在不少亟待解決的問題。信息時代無線通信市場的激烈競爭對技術(shù)提出升級換代要求的現(xiàn)實局面及現(xiàn)有LTE在抗干擾和性能提升方面的迫切需要是促成智能天線應(yīng)用于TD-LTE的推動力，也對既有的TDD技術(shù)中波束賦形優(yōu)勢的進一步發(fā)展提出了更高的要求。當(dāng)前在TD-LTE智能天線應(yīng)用中仍有標(biāo)準(zhǔn)尚待完善、性能仍需檢測等不足之處，但從整體發(fā)展態(tài)勢來看，在LTE與TDD的激烈競爭中，智能天線在TD-LTE的應(yīng)用和研究必將對未來無線通信領(lǐng)域的走向產(chǎn)生舉足輕重的作用。