王家旭

【摘要】 移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得其在人們的日常生活生產(chǎn)中占有越來越重要的位置，因此高速率高容量高靈活性等勢必是現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的基本要求。無論是LTE系統(tǒng)引入了多天線技術(shù)，還是未來5G的研究都采用了越來越多的多天線技術(shù)來提升吞吐量和頻譜效率。本文研究的LTE智能天線是一種多陣列、緊湊型、雙極化的天線，充分利用多陣列的特點(diǎn)可以打造更好的網(wǎng)絡(luò)。它不僅可以提升吞吐量和頻譜效率，還可以通過基站的軟件設(shè)置、電場設(shè)置改變天線的覆蓋區(qū)域，對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來說非常之便利快速。

【關(guān)鍵詞】 智能天線 多陣列 雙極化 MIMO

一、概述

LTE網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)更高的峰值速率和頻譜效率、更低的時(shí)延、更好的覆蓋以及更低的運(yùn)營成本（更低的CAPEX…和OPEX）引進(jìn)了多種新技術(shù)，如OFDM、下行功率控制技術(shù)和多輸入多輸出（Multiple-Input…Multiple-Output，MIMO）等。智能天線正是應(yīng)用MIMO結(jié)合OFDM技術(shù)，可在時(shí)域、頻域和空域上實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)的聯(lián)合處理和調(diào)度，極大地提升了系統(tǒng)的靈活性和傳輸效率。這也是LTE…系統(tǒng)相比3G移動(dòng)通信技術(shù)在峰值速率和平均吞吐量等方面有顯著提升的主要原因之一。對于TD-LTE…系統(tǒng)，由于其繼承了TD-SCDMA的固有特點(diǎn)和優(yōu)勢，如靈活的非對稱頻譜的使用、靈活的上下行配比和信道互易性等，非常適合于非對稱的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

二、智能天線理論

2.1天線概述

本質(zhì)上來說，天線的作用是將傳輸線（饋線、電纜、波導(dǎo)等）中的導(dǎo)波場轉(zhuǎn)換成空間輻射場，并接收目標(biāo)反射的空間回波，將回波能量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)波場，由傳輸線（饋線、電纜、波導(dǎo)等）送入接收系統(tǒng)，簡單來說就是用來發(fā)射或接收電磁波的。天線的主要性能參數(shù)包括天線方向圖、增益G、極化方式、帶寬、掃描等。

天線方向圖給出了天線遠(yuǎn)場功率密度隨角度的變化，通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來表示。天線方向圖根據(jù)主瓣形狀分為全向波束、筆形波束、扇形波束和賦形波束四大類。體現(xiàn)天線性能的主要參數(shù)如半功率角、旁瓣電平、前后比、方向系數(shù)等均可以從天線方向圖得出。

天線增益G是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度比值。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度，是天線最重要的參數(shù)。天線增益體現(xiàn)了天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

天線的極化方向是以天線輻射的電磁波在最大輻射方向上電場強(qiáng)度矢量的空間取向來定義的，是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數(shù)。天線的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化和垂直極化；圓極化又分為左旋圓極化和右旋圓極化。在我們設(shè)計(jì)過程中，極化的純度是必須考慮的，例如水平極化天線會(huì)在某些方向產(chǎn)生少量與之正交的垂直極化，這種情況我們將水平極化稱之為主極化，垂直極化稱之為交叉極化。交叉極化會(huì)引起雜波、干擾等問題，在設(shè)計(jì)過程中我們要予以考慮控制。

2.2 MIMO

提到MIMO（Multiple-Input…Multiple-Output）技術(shù)之前，先簡單介紹一下陣列天線。陣列天線是一類由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過適當(dāng)激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線。陣列天線是MIMO的基礎(chǔ)。

MIMO天線是在陣列天線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，首先將數(shù)據(jù)按一定的算法分解為多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，然后在多個(gè)天線上同時(shí)進(jìn)行發(fā)射，數(shù)據(jù)流經(jīng)過空間傳輸后被多個(gè)接收天線捕獲，然后根據(jù)各數(shù)據(jù)流特性解調(diào)出原來的數(shù)據(jù)。MIMO分為廣義和狹義兩種。廣義上各種多天線技術(shù)其實(shí)都在MIMO…技術(shù)的范疇內(nèi)，輸入和輸出可以是多個(gè)不同內(nèi)容的數(shù)據(jù)流，也可以是同一個(gè)數(shù)據(jù)流的多個(gè)形式；狹義上MINO…則須為多流MIMO，必須是由多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流在天線上同時(shí)傳送。所以狹義上唯有空間復(fù)用和SDMA這兩種技術(shù)才可以稱為MIMO。

MIMO天線的主要技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢在于：

1、提高發(fā)射功率。用MIMO天線，可在每個(gè)天線子陣上設(shè)置一個(gè)發(fā)射功率放大器，依靠移相器的相位變化，使發(fā)射天線波束定向照射，即發(fā)射信號(hào)聚焦于空間某一方向。這一特點(diǎn)極大提高了天線的發(fā)射功率及覆蓋能力。2、快速實(shí)現(xiàn)波束賦形。天線方向圖函數(shù)是口徑照射函數(shù)的傅立葉變換，通過改變MIMO天線各單元通道內(nèi)的信號(hào)幅度和相位，即可改變天線波束形狀。這一特點(diǎn)使MIMO天線可以快速實(shí)現(xiàn)波束賦形，從而具有快速自適應(yīng)空間濾波的功能。3、抵消或改善信道衰落干擾。MIMO天線的分集增益可以抵消或改善信道衰落干擾。4、提高吞吐量。由于MIMO的空間復(fù)用特性以及其空間正交的信道，可以成倍地增加用戶數(shù)據(jù)傳送量。

所以，鑒于MIMO…系統(tǒng)具有上述優(yōu)異的特性，若加以充分利用、發(fā)掘，在提高系統(tǒng)容量、提升頻譜利用率、提高傳輸質(zhì)量等級(jí)以及增大系統(tǒng)覆蓋范圍等方面可以有較大作為。

MIMO的應(yīng)用場景：在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于用戶所處的位置不同，所以其信道質(zhì)量也各異。MIMO…可以根據(jù)用戶所處的不同區(qū)域采用最優(yōu)的傳輸模式，進(jìn)而提升小區(qū)容量。

如圖1，小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的不同區(qū)域，中心區(qū)域主要采用開環(huán)空分復(fù)用和閉環(huán)空分復(fù)用，中心稍向外區(qū)域采用發(fā)射分集，邊緣地帶則主要依靠波束賦形增益來改善邊緣用戶的速率。在非邊緣地帶的業(yè)務(wù)密集區(qū)主要依靠MU-MIMO…實(shí)現(xiàn)用戶速率的提升。

三、誤差分析

智能天線由于幅度或相位難以避免存在誤差，因此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)象分為隨機(jī)誤差與相關(guān)誤差。隨機(jī)誤差指設(shè)備本身制造精度問題而產(chǎn)生的非相關(guān)的誤差，如輻射單元、移相器、移相器、饋電網(wǎng)絡(luò)和機(jī)械結(jié)構(gòu)而引起誤差。天線陣列的單元數(shù)目越少，誤差對天線性能的影響就越大，因此誤差容限就越嚴(yán)格。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)誤差的負(fù)面影響主要事引起高電平峰值副瓣，其程度比隨機(jī)誤差影響更深。陣列式天線由于本質(zhì)上的大規(guī)模與高成本特點(diǎn)，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(jì)階段予以規(guī)避。

總結(jié)：智能多天線因其波束賦形技術(shù)、較強(qiáng)的抗干擾能力和在提高小區(qū)覆蓋效果及吞吐量方面的卓越性能在TDLTE中得到了越來越多的應(yīng)用，雖然其優(yōu)異的性能已經(jīng)在諸多應(yīng)用場景中有了很好的體現(xiàn)，但隨著社會(huì)對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的依賴性不斷提高，人們對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的要求日益嚴(yán)苛，更多的天線陣列，更精確的覆蓋，更智能化的天線勢必是解決未來網(wǎng)絡(luò)問題的一大利器。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]…蒲曉維，劉旭，白星，宋休所.TD-LTE天線HBW在典型場景下的仿真評估[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2013，7.endprint