TD-LTE智能天线性能分析和应用研究的理论研究

王家旭

【摘要】 移动通信技术的飞速发展使得其在人们的日常生活生产中占有越来越重要的位置，因此高速率高容量高灵活性等势必是现代移动通信技术的基本要求。无论是LTE系统引入了多天线技术，还是未来5G的研究都采用了越来越多的多天线技术来提升吞吐量和频谱效率。本文研究的LTE智能天线是一种多阵列、紧凑型、双极化的天线，充分利用多阵列的特点可以打造更好的网络。它不仅可以提升吞吐量和频谱效率，还可以通过基站的软件设置、电场设置改变天线的覆盖区域，对网络优化来说非常之便利快速。

【关键词】 智能天线 多阵列 双极化 MIMO

一、概述

LTE网络为实现更高的峰值速率和频谱效率、更低的时延、更好的覆盖以及更低的运营成本（更低的CAPEX…和OPEX）引进了多种新技术，如OFDM、下行功率控制技术和多输入多输出（Multiple-Input…Multiple-Output，MIMO）等。智能天线正是应用MIMO结合OFDM技术，可在时域、频域和空域上实现多维信号的联合处理和调度，极大地提升了系统的灵活性和传输效率。这也是LTE…系统相比3G移动通信技术在峰值速率和平均吞吐量等方面有显著提升的主要原因之一。对于TD-LTE…系统，由于其继承了TD-SCDMA的固有特点和优势，如灵活的非对称频谱的使用、灵活的上下行配比和信道互易性等，非常适合于非对称的移动互联网业务的应用。

二、智能天线理论

2.1天线概述

本质上来说，天线的作用是将传输线（馈线、电缆、波导等）中的导波场转换成空间辐射场，并接收目标反射的空间回波，将回波能量转换成导波场，由传输线（馈线、电缆、波导等）送入接收系统，简单来说就是用来发射或接收电磁波的。天线的主要性能参数包括天线方向图、增益G、极化方式、带宽、扫描等。

天线方向图给出了天线远场功率密度随角度的变化，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。天线方向图根据主瓣形状分为全向波束、笔形波束、扇形波束和赋形波束四大类。体现天线性能的主要参数如半功率角、旁瓣电平、前后比、方向系数等均可以从天线方向图得出。

天线增益G是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度比值。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，是天线最重要的参数。天线增益体现了天线朝一个特定方向收发信号的能力，它显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

天线的极化方向是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电场强度矢量的空间取向来定义的，是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化。在我们设计过程中，极化的纯度是必须考虑的，例如水平极化天线会在某些方向产生少量与之正交的垂直极化，这种情况我们将水平极化称之为主极化，垂直极化称之为交叉极化。交叉极化会引起杂波、干扰等问题，在设计过程中我们要予以考虑控制。

2.2 MIMO

提到MIMO（Multiple-Input…Multiple-Output）技术之前，先简单介绍一下阵列天线。阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。阵列天线是MIMO的基础。

MIMO天线是在阵列天线的基础上实现的，首先将数据按一定的算法分解为多个并行的子数据流，然后在多个天线上同时进行发射，数据流经过空间传输后被多个接收天线捕获，然后根据各数据流特性解调出原来的数据。MIMO分为广义和狭义两种。广义上各种多天线技术其实都在MIMO…技术的范畴内，输入和输出可以是多个不同内容的数据流，也可以是同一个数据流的多个形式；狭义上MINO…则须为多流MIMO，必须是由多个不同的数据流在天线上同时传送。所以狭义上唯有空间复用和SDMA这两种技术才可以称为MIMO。

MIMO天线的主要技术特点和优势在于：

1、提高发射功率。用MIMO天线，可在每个天线子阵上设置一个发射功率放大器，依靠移相器的相位变化，使发射天线波束定向照射，即发射信号聚焦于空间某一方向。这一特点极大提高了天线的发射功率及覆盖能力。2、快速实现波束赋形。天线方向图函数是口径照射函数的傅立叶变换，通过改变MIMO天线各单元通道内的信号幅度和相位，即可改变天线波束形状。这一特点使MIMO天线可以快速实现波束赋形，从而具有快速自适应空间滤波的功能。3、抵消或改善信道衰落干扰。MIMO天线的分集增益可以抵消或改善信道衰落干扰。4、提高吞吐量。由于MIMO的空间复用特性以及其空间正交的信道，可以成倍地增加用户数据传送量。

所以，鉴于MIMO…系统具有上述优异的特性，若加以充分利用、发掘，在提高系统容量、提升频谱利用率、提高传输质量等级以及增大系统覆盖范围等方面可以有较大作为。

MIMO的应用场景：在移动通信系统中，由于用户所处的位置不同，所以其信道质量也各异。MIMO…可以根据用户所处的不同区域采用最优的传输模式，进而提升小区容量。

如图1，小区覆盖范围内的不同区域，中心区域主要采用开环空分复用和闭环空分复用，中心稍向外区域采用发射分集，边缘地带则主要依靠波束赋形增益来改善边缘用户的速率。在非边缘地带的业务密集区主要依靠MU-MIMO…实现用户速率的提升。

三、误差分析

智能天线由于幅度或相位难以避免存在误差，因此对天线副瓣的波束指向、电平、增益存在不同程度的影响。天线误差现象分为随机误差与相关误差。随机误差指设备本身制造精度问题而产生的非相关的误差，如辐射单元、移相器、移相器、馈电网络和机械结构而引起误差。天线阵列的单元数目越少，误差对天线性能的影响就越大，因此误差容限就越严格。为使相位误差或幅度误差减少至最少，可行的办法是建造低副瓣天线。

相关误差的负面影响主要事引起高电平峰值副瓣，其程度比随机误差影响更深。阵列式天线由于本质上的大规模与高成本特点，往往采取子阵结合的模式，而子阵模式又必然存在着结构的周期性，由此产生出难以避免的高电平周期性栅瓣问题。解决这类问题主要应在天线设计阶段予以规避。

总结：智能多天线因其波束赋形技术、较强的抗干扰能力和在提高小区覆盖效果及吞吐量方面的卓越性能在TDLTE中得到了越来越多的应用，虽然其优异的性能已经在诸多应用场景中有了很好的体现，但随着社会对移动通信网络的依赖性不断提高，人們对移动通信网络的要求日益严苛，更多的天线阵列，更精确的覆盖，更智能化的天线势必是解决未来网络问题的一大利器。

参 考 文 献

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[4]…蒲晓维，刘旭，白星，宋休所.TD-LTE天线HBW在典型场景下的仿真评估[J].电信工程技术与标准化，2013，7.endprint