智能天线发展需符合“四化”要求、三大趋势

作为TD系统的6大关键技术之一，智能天线技术受到运营商的高度重视。中国移动对其提出了"四化"要求，并在TD二期工程中对天线一体化RRU等进行成功部署，但它同时也存在着诸多挑战。

中国移动提出智能天线"四化"要求

目前中国移动对智能天线提出了小型化、双极化、宽带化和电调化的"四化"要求。现阶段TD智能天线产品比较丰富，满足了"四化"的一些要求，但与2G以及WCDMA相比仍有很多方面需要改进和提高。

1.小型化

与传统的GSM天线和CDMA天线相比，TD天线的体积和重量更大，受到安装困难、选址困难、维护困难等多方面因素的限制，天线小型化是发展趋势，也是解决目前TD工程建设安装相关问题的有效途径。在二期和三期建设中大量山区需要安装基站，由于TD天线的体积和重量较大，造成运输、安装、调试困难。

TD天线的大尺寸造成基站选址困难，加上居民对电磁辐射的误解，认为TD基站辐射比其他基站大，增加了站址谈判的困难。这需要中国移动及设备厂商进行相关宣传，可在小区内采用美化天线等方式解决。

天线的尺寸较大造成风阻大，使天线维护困难。小区的覆盖与天线的下倾角有一定联系，在一期建设过程中出现过由于大风导致某些地方手机信号受到影响、需要维护人员重新上塔完成调整工作的情况，增加了设备维护的难度。

2.双极化

一期网络开始建设时，只有单极化板状定向智能天线阵和环状全向智能天线阵2种产品可供选择。虽然基本上能满足TD网络实现动态空间滤波对智能天线的性能要求，但随着网络建设的深入，工程方面遇到了诸多亟待解决的挑战：第一，天线横截面积大，导致风载荷增加、安全等级下降；第二，天线体积大，选址难度增加；第三，网络优化需要闭站，天线下倾角调节难度大；第四，智能天线与城市景观不融洽。

应对第一、二点挑战，要求发展小型化智能天线。实现小型化的最佳途径是，采用4列双极化阵列，通过引入极化分集增益弥补因天线口径减少引起的天线增益下降。实验室测试和网络规模试用都表明，小型化的双极化智能天线宽度缩减了一半，但网络性能与常规8列天线水平相当，它成为TD二期网络建设的主力产品之一。应对第三、四点挑战，要求发展小型化的电调智能天线。

3.宽带化

目前TD可用频段有3个：A段：1880MHz-1920MHz；B段：2010MHz-2025MHz；C段：2300MHz-2400MHz。其中B频段主要用于室外覆盖；而A频段由于受到小灵通的干扰，一般用于室内覆盖；C频段为后备频段。目前大多数设备只有B段，但是未来相关问题解决后，A、B、C三个频段都需要进行全覆盖，因此为了应对未来的需要，应当避免天线更新换代时产生浪费资源的情况。此外，业界应制定智能天线的标准，引导行业的发展。

4.电调化

电倾角是靠改变电波的相位来改变波形的覆盖，而机械倾角是靠调整天线的机械下倾角度来改变覆盖范围。首先，可以采用电调天线对覆盖蜂窝实施动态调整，以解决呼吸效应。其次，在城区等高话务地区干扰过大，其中一个重要原因是机械天线下倾角度过大，天线方向图严重变形，要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度。电调天线采用机械加电子方法下倾15°后，天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度可使扇区覆盖面积缩小，不会产生干扰。

采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。在进行网络优化、管理和维护时，若需要调整天线下倾角度，使用电调天线系统不需要关机，可利用移动通信专用测试设备，监测天线倾角调整，保证天线下倾角度为最佳值。电调天线调整倾角的步进度数为0.1°，而机械天线调整倾角的步进数为1°，因此电调天线的精度高、效果好。电调天线安装好后，在调整天线倾角时，维护人员不必爬到天线安放处，可以基站天线实行远程监控调整。在未来的LTESON中运营商也希望通过自动调整天线的相关倾角来完成覆盖的自动优化。

智能天线的三大优势

智能天线的引入对以下3个方面产生了极大的影响。

1.网络覆盖方面

对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。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。而智能天线阵的辐射图形完全可控，在需要调整的情况时，均可通过软件简单地进行网络优化，减少了人工参与。

2.增加系统容量以及抑制干扰

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。智能天线通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干比，抑制了干扰并且起到了改善系统质量、提高系统可靠性的作用，信干比的提高还意味着系统容量的提高。智能天线增加了空分效果，理论上等效于增加了无线网络容量，用户较少时其空分的增益较为明显，用户数过多时其性能反而会下降。

3.提高基站接收机灵敏度

基站所接收到的信号为来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。如采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号将增加10lgN(dB)，其中，N为天线单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将随多径传播条件及上行波束赋形算法而变，其结果也在10lgN(dB)上下。

智能天线的三大关键技术

智能天线的关键技术主要包括三个：智能化发射技术、接收技术和动态信道分配。

第一，智能化接收技术。TD系统中必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量，如DOA、空域特征等，它们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。

第二，智能化发射技术。智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发给它的下行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。TD中实现智能化发射的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。

第三，动态信道分配。智能天线的引入提升了系统性能，也给DCA的策略和方案带来较大影响。智能天线的波束赋形实质是对不同用户的信号在空间上进行区分，如果DCA在进行信道资源分配时，能够尽量把相同方向上的用户分散分配到不同时隙中，保证在同一个时隙内的用户分布在不同的方向上，这样可以充分发挥智能天线的空分功效，使多址干扰降至最小。因此，DCA功能增加了对用户空间信息的获取和处理功能。

智能天线面临五大挑战

在中国移动TD一期、二期建设过程中，智能天线初步体现了其优势，但也出现了很多问题，如智能天线遇到规模数量的用户时出现不稳定、天线体积过大存在不安全因素、天线实际效果低于理论预期、天线下倾不合理等。

笔者认为，当前智能天线技术遇到的主要挑战有：智能天线的校准、波束赋形的速度问题以及设备复杂性。

第一，智能天线的校准。智能天线，须具有对智能天线进行实时自动校准的技术，即根据电磁场理论中的互易原理，直接利用上行波束赋形。但对实际无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是全同的，而且，其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准，则下行波束赋形将受严重影响。不仅不能发挥智能天线的优势，甚至完全不能通信。

第二，波束赋形的速度问题。由于用户终端的移动性，移动通信是一个时变的信道，智能天线是由接收信号来对上下行波束赋形，故要求TDD的周期不能太长。例如，当用户终端的移动速度达到100km/h时，其多普勒频移接近200Hz，用户终端在10ms内的位置变化达到28cm，在2GHz频段已超过一个波长，对下行波束赋形将带来巨大的误差。故希望将TDD周期进行缩减，以保证智能天线正常工作。如果要求此系统的终端能以更高的速度移动，则TDD上下行转换周期还应进一步缩短。

第三，设备复杂性。智能天线的性能将随天线阵元数目的增加而增加，但是增加天线阵元的数量将增加系统的复杂性。此复杂性主要是在基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在，CDMA系统在向宽带方向发展，码片速率已经很高，基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求，这就限制了天线元的数量不可能太多。

第四，未达理论预期。理论上对智能天线的分析都是基于理想波束赋形这一结论，都是使用理想的DOA估计算法，但在实际环境中由于干扰、衰落、时延等影响，很大程度上恶化了DOA估计的准确性。系统负载越小，用户越分散，系统更能容忍波束赋形的偏差；而系统的负荷较大时，性能会出现明显的下降。市区环境由于发射密度高、波束指向明显不准确，导致智能天线的效果达不到理论预期。

第五，现阶段的主要目标是只保证连续覆盖、解决同频干扰问题，因此需要调整天线的下倾角，减少同频干扰，而大量的调整工作对智能天线电调化提出了需求。

"四化"之外的三大趋势

笔者认为，智能天线除了向中国移动提出的"四化"方向发展外，还呈现出3个主要趋势。

第一，多样化。3G有更多的标准，不同的标准对天线的要求有所不同。不同厂家对于智能天线都已开发出多样化的产品，有全向天线、定向型天线、八阵元、六阵元等，这些天线都已在实验网以及一、二期的建设中得到了应用。

第二，集成化、一体化。业内已推出天线一体化RRU，将天馈系统与RRU集成于智能天线，有效解决了天线馈线多和RRU安装外形突出的问题，在减少损耗的同时收到了节能环保、降低建站成本的效果，也方便了站址选择。目前天线一体化RRU在TD二期工程的部分城市规模部署后，效果较好。随着城区站址资源的日趋紧张，预计天线一体化RRU在TD后续建设中会有更大规模应用。在后续技术演进上，RRU和天线系统平滑升级，当TD-LTE与TD采用相同的频段，天线可复用，RRU软件升级支持LTE。

第三，美化天线。智能天线的体积相比2G更大，其选址更难并极大地影响了市政建设的美观性，有可能引来更多居民投诉和人们对基站辐射的担心。美化天线作为帮助运营商争取站址资源的策略之一，具有无线网络覆盖和环境、社会和谐的三重功能。因此美化天线一直是近年来智能天线发展的一个新趋势，运营商对TD智能美化天线的市场需求明显增多。

作者：北京邮电大学信息与通信学院博士研究生 许森

吉林大学计算机科学与技术学院博士研究生 何进