TD—LTE智能天线性能分析和应用研究
蒲琼琼
摘要：研究智能天线在TD-LTE应用的目的在于了解智能天线技术具有的特点与先进性，找到适合当前中国无线通信领域中智能天线应用的途径。文章介绍了智能天线的特点与优势，分析了智能天线在TD-LTE具体应用如单、双流波束赋形的差异，SDMA空分多址应用及误差问题的解决。
关键词：TD-LTE智能天线；性能分析；应用
智能天线，英文名Smart Antenna，是一种广泛应用于无线通信领域的新兴专业技术，不仅集合了自适应天线技术、无线电软件技术、微波技术，也涵盖了自动控制技术、Digital Signal Processing技术（即DSP数字信号处理技术）。同许多无线通信技术一样，智能天线诞生之初也只在军事领域有所应用，但由于其本质上具备了一定程度的“自适应”功能，作为一种智能天线阵列开始逐渐转入民用通信领域。尤其是3G技术出现以后，无论是商业用途还是试验TDLTE都开始广泛使用智能天线理论与技术。
1智能天线的特点与优势
1.1特点
智能天线技术诞生的背景乃是由于空间通信环境对无线电通信在本质上存在着无法回避的干扰性、不稳定性和复杂性，其影响无线电通信质量的因素众多，主要有多径、时延、衰落、扩展等。包括气候条件、干湿度、大气污染等大量不可控情况都会对无线通信造成负面影响。例如，同类无线信号之间的交叉干扰、多地址信号的干扰和不同符号之间的串扰等。这些干扰源既降低了通信容量，也损害了通信质量，既是无线通信领域必须解决的问题，也是促成智能天线出现的本质原因。
因此，智能天线的本职工作就是排除各种无线通信干扰因素。其一在于通过控制指向多个不同用户的并行无线波，将空域内的无线信息进行过滤并定位，从而减少或降低不同无线通信用户之间的信号干扰。其二，利用无线传输时信号之间存在的相干性，按实时通信需要对天线阵列进行调整，使其改变信号发送的权值，通过在空间产生的预定无线波指向具体的目标信号，由天线主瓣跟踪目标信号（无线通信用户），零线或旁瓣则指向干扰信号，以此提高目标信号质量与移动通信利用率，同时抑制甚至删除干扰信号。
智能天线的安装与使用并不在用户端，而是在基站，主要工作原理在于影响上下行信号链路，比如针对上行链路传输的混叠信号作加权处理，得到与信号对应的无线波。又如对下行链路将要发射的信号作预加权处理，实现选择发送信号的功能等。
1.2优势
智能天线优势众多，比如快速扫描、捷变波束、合成功率、与雷达共形、多波束和分散布置等。
扫描速度是天线功能强弱的具体表现形式之一，也会在根本上影响无线通信效率与质量。智能天线中的阵列式天线利用其下各子天线中具有的众多信道单元配合数字移相器实现了无线传输中信号相位的快速切变功能，使天线扫描能力提高至在几微秒中完成无线波形成和转换位置。
捷变波束的目的则是提高滤波能力，依据“傅立叶变换”理论，无线方向图与口径照射之间通过函数转换改变信号在各无线通道中的相位与幅度，由此实现无线波束改变形状，从而提高了波束赋形的速度，增强了通信空间自适应滤波的能力。
合成功率的目的在于提高功率，主要解决某些特定雷达如超远程微波雷达与毫米波雷达的正常使用问题。工作模式为在各子阵天线或通信通道中增加放大器的形式提高发射功率，再结合移相器变化相位，以实现波束发射的定向照射，从而更加灵活、方便地设计各类特殊用途的雷达系统。
与雷达共形是为解决天线影响雷达空气动力学性能的问题，弱化乃至消除天线在非共形情况下对雷达正常运作产生的负面影响。其原理是有源共形的相控阵天线具备的先进信号处理能力为雷达共形提供了技术支持。
多波束功能主要是与捷变波束共同作用，提高天线的系统性能。由于具有波控信号的自由转换性能，在同一重复周期中，不同发射波束可便捷地形成不同指向，由此实现信号在通道中的低噪放大再传输多个波束网络。
分散布置是对既有的智能天线理论与技术的延伸，由于相控阵天线具有的子阵性质，分散布置的子阵天线之间利用相位、时间与幅度的补偿机制，再结合无线信号的处理，达到角度分辨能力与抗干扰能力的进一步提升。这也是未来智能天线发展的总体趋势和方向。
2应用分析
智能天线在TD-LTE模式应用中具有了专业性的标准化配置，其传输模式更有针对性。例如3GPPR8与3GPPR9应有各自相对独立的基础端口，前者的专用传输模式为TM7，后者则是TM8。TM7基于的专用导频端口为单端口5，MT8基于的专用导频端口则分别为端口7与端口8。3GPPR8与3GPPR9各自支持的波束赋形技术也有所不同，前者为单流技术，后者为双流技术。3GPP现有的协议内容中规定，LTE中的eNode B上，TDD与FDD一样选择专用导频模式进行波束赋形，然而TD-LTE是唯一针对终端要求强制具备波速赋形解调数据的功能。
应用智能天线后的TD-LTE峰值速度、小区覆盖范围、边缘用户吞吐量等方面具有提高质量、提升性能的作用。特别是当MIMO多天线结合智能天线组合使用后，针对不同用户波束赋形情况都能使原有性能得以提升。比如，单用户模式下其户空间可获得更大的复用增益。而多用户模式下的系统又可获得更多的分集增益。可见TD-LTE下的智能天线应用无论面对何种模式均可促进系统的性能提升。
2.1单、双流波束赋形的差异
（1）单流波束赋形。即TM7模式下的波束赋形技术，无线传输中的UE通过测量专用导频估算并同步相干检测赋形以后的等效信道。为了准确估算赋形后的传输信道，基站在传输数据时必须同步传送一个用以赋形的专用信号，这就是UE的参考信号，也即专有导频，使用单端口5，职责为业务调解TM7模式。（2）双流波束赋形。即TM8模式下的波束赋形技术，与TM7模式下不同处在于，TM8模式对应的专用导频端口分别为端口Z与端口8，并新增了控制信令以及8×2的天线配置，使原有的波束赋形提升为双流传送。在此基础上，MIMO的空间复用与波束赋形实现了融合，最终形成双流波束赋形。而双流波束赋形下还可细分为单用户与多用户2种技术形式。
单用户模式下，首先通过eNode B对上行信道进行测量，确认信道状态情况后，eNode B由得到的信道数据算出2个赋形矢量，这2个赋形矢量分别对应2个即将发射的数据流的下行赋形。单用户模式下的双流赋形技术可实现单个用户在一个时间点上的2个增益——空间复用增益与赋形增益以及2个数据流传送。由此实现提升传送速度的同时扩大系统容量的目的。
多用户模式下，eNode B可以采用UE反馈信息和对上行信道进行测量2种形式匹配多用户，匹配结束后根据既定标准生成赋形矢量，每个矢量对应一个UE并为每个数据流完成赋形。这种技术原理基于智能天线的定向波束理论，实现多用户的Spatial Division Multiple Access——SDMA空分多址功能。
2.2SDMA空分多址应用
在现实应用中，单用户会因为天线数量、终端规格与具体使用的场景限制而基本不能支持高Rank的数据输送。所谓Rank是分解EBB（信道矩阵）后特征值除零以外的特征向量的数量。eNode B端会收到由UE处测得的Rank Indicator（RI，Rank数值），并根据RI在传输空间划分出互不关联、彼此独立的信道量。当通信系统中出现较多用户时，eNode B端会选择具有相对最强空间独立性的2个UE，而如果eNode B端拥有多天线，则可利用赋形技术的空间隔离功能同时对多个UE进行传输，这也是MIMO多用户技术，也可称为MIMO多用户与赋形技术的融合。因此，对于双流波束赋形来说，处于多UE状态下时，这一技术的先进性才能得到更大的发挥。
3需要注意的问题
误差现象是智能天线应用于TD-LTE时需要引起注意的问题。任何智能天线都不可能完美无缺，由于幅度或相位难以避免存在误差，就会对天线副瓣的波束指向、电平、增益存在不同程度的影响。天线误差现象一般有2种：随机性与相关性。随机性误差指设备制造过程中由于精度问题造成的物理性机械误差，诸如辐射单元、馈电网络、移相器与机构结构本身存在的问题都可能引发误差。天线单元的数量与误差造成的影响呈正比关系，即一个阵列中的天线单元个数越少，则其误差对性能的负面影响就越大，此时需要更加严格地控制误差允量。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。
相关误差与随机误差的不同在于其负面影响主要引起高电平峰值副瓣，这比随机误差影响天线性能的程度更深。一个比较典型的例子就是移相器存在的周期性相位误差问题。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。
4结语
智能天线在TD-LTE中的应用还属于发展初期的前沿科技，虽然其技术的先进性已经在许多具体应用场景中得到了展示，但不可否认的是这一技术远未成熟，仍然存在不少亟待解决的问题。信息时代无线通信市场的激烈竞争对技术提出升级换代要求的现实局面及现有LTE在抗干扰和性能提升方面的迫切需要是促成智能天线应用于TD-LTE的推动力，也对既有的TDD技术中波束赋形优势的进一步发展提出了更高的要求。当前在TD-LTE智能天线应用中仍有标准尚待完善、性能仍需检测等不足之处，但从整体发展态势来看，在LTE与TDD的激烈竞争中，智能天线在TD-LTE的应用和研究必将对未来无线通信领域的走向产生举足轻重的作用。
