智能天线对TD-SCDMA性能的提升

TD-SCDMA目前所用的智能天线(以下简称智能天线，SA)实现了空分多址，利用用户的来波方向(DOA)的不同来区分用户，对无线网络的覆盖、容量均有影响。SA是TD-SCDMA的标志性技术，目前TD-SCDMA采用赋形波束智能天线，通过“智能”部分产生多个赋形波束，每个波束跟踪一个激活用户，达到降低干扰、提高增益、增大覆盖和提高容量的效果。
　　
空分能力
　　
如果基站信息处理能力不受限，可以设想，由于用户的位置分布不可能重合，这个空分的“址”数量巨大。然而，TD-SCDMA智能天线目前的赋形波束并非理想的射线，存在空间分辨率问题，即以多大的空间精度区分用户，这取决于赋形波束的水平、垂直波瓣宽度。
　　
目前TD-SCDMA采用的智能天线的赋形波束仅在水平方向上跟随激活用户移动，即赋形波束的方位角在跟踪用户，而下倾角不变，可以看成二维空间的自动跟踪，而不是立体自动跟踪，这就造成一个问题：若采用以基站为极点的极坐标刻画该基站的覆盖区域，极角为0～360度，波束之间的干扰隔离与赋形波束的波瓣宽度、旁瓣泄漏等工程因素有关。
　　
参考目前TD-SCDMA采用的多个厂家的SA设备指标：公共信道不赋形，全向SA公共信道波束宽度为360度，120度板状SA公共信道波束宽度为120度,业务信道赋形，阵元数为8的全向SA赋形波束宽度为45度，阵元数为8的120度板状SA赋形波束宽度为15度，也就是可以将覆盖区域分成8个子区域。
　　
性能增益
　　
(一)覆盖增益
　　
天线对覆盖的增益作用是通过增大等效辐射功率实现的，其原理是将能量集中于一个空间或方向内，SA对覆盖的增益也是通过使能量集中于目标用户方向来获得的，然而有了上述空间分辨率问题，则需具体考虑如下工程效果，以阵元数N=8的全向SA为例：
　　
A.当所有用户集中在45度内，赋形造成的覆盖增益最大，即理论上的10logNdB=9dB，其物理含义为：当所有用户位于一个赋形波束内，SA将能量集中于原来1/8的空间，能量密度增强了8倍(9dB)。考虑存在非理想因素而需预留的工程裕量，还要减去2～3dB，一般取为+6～＋7dB。
　　
B.当用户在以基站为极点的极坐标系的极角意义上均匀分布时，比如各用户的极角以45度间隔均匀分布，由于SA将能量集中的空间不变，能量密度未增强，赋形增益理论上应为0dB。
　　
可见，“TD-SCDMA智能天线的赋形增益(覆盖)有多大”并不是一个能给出精确回答的问题，与如下因素有关：
　　
(1)激活用户的分布
　　
对于集中分布的情况增益大，对于均匀分布的情况增益小，对于只有1个激活用户的情况，赋形增益可以达到工程上的最大值。
　　
(2)赋形波束宽度
　　
赋形波束的波瓣窄容易集中能量、减少干扰，反之则容易造成波束重叠，逻辑上的不同波束在物理上成为一个波瓣。
　　
(3)工程因素
　　
比如传播环境，城市中高楼林立，信号传播经历多径、反射、折射等，SA通过DOA来决定赋形波束指向，但DOA本身也存在空间分辨率问题，经历反射等过程后信号来波角度可能扩散。
　　
(二)容量增益
　　
TD-SCDMA的SA对容量的增益指SA通过空分实现空间滤波，隔离了多用户干扰，使得系统可以满码道或接近满码道工作。
　　
由此可以认为：在SA的一个波束内不会存在干扰降低和容量增益，结合TD-SCDMA的业务时隙情况，若想通过SA的空分实现容量增益，需使同一个时隙的基本资源单位(BRU)对应不同的赋形波束。
　　
A.语音业务
　　
一个语音用户占用两个BRU，一个时隙有16个BRU，最多可承载8个语音用户，若8个用户分布于8个波束，满码道工作理论上是可能的，但若用户集中分布，则容量增益减小，用户集中于一个SA波束则容量增益为0dB。
　　
B.数据业务
　　
TD-SCDMA数据业务速率跨度大，根据3GPP标准，数据用户占用1个或多个时隙，一个时隙至少占用8个BRU，数据业务的最低承载速率为64kbps，占用同一时隙的8个BRU，即造成8个BRU(等价于4个语音用户)集中在一个波束中，因为难以通过波束将干扰用户分开，数据业务的容量增益会大大缩小。
　　
矛盾及解决
　　
目前的TD-SCDMA智能天线增益受到用户分布、波束宽度、传播环境的影响,竦酶哺窃鲆嬉求用户分布集中，而获得容量增益则要求同一时隙内的用户不集中在一起，从而产生了矛盾。
　　
另外，数据业务的智能天线容量增益缩小，也导致上行数据业务容量受邻区干扰影响严重。对于TD-SCDMA系统，正确解调的条件是信噪比高于解调门限，由于用户间的相互干扰，就会形成最大极限容量。要增加本扇区用户容量，就需要降低扇区间干扰,而在各扇区负荷相同时，同样频率复用方式下的扇区间干扰就会存在下限。按照3GPP25.105对基站接收性能的要求，对于数据业务在衰落信道下，要求Ioc/Ior(外扇区干扰Ioc与扇区内干扰Ior之比)一般在-10dB以下,而根据A.J.维特比的《CDMA扩频通信原理》以及TonyW.Wong等的研究，对于1×1频率复用方式，理想功率控制下的CDMA网络上行Ioc/Ior只能达到-2.6dB，基于该值可以推导出：没有智能天线时，8个BRU成为单时隙上行容量的极限。对于话音业务，可以借助智能天线的容量增益(约两倍)，实现满码道工作,而对于数据业务，因为用户集中，容量增益很小，8个BRU的极限容量就只能支持64kbps以下的上行业务速率了。需要说明的是，当邻小区负载很轻时，例如对孤立小区，仍然可以实现-10dB以下的Ioc/Ior，这时是可以实现144kbps及384kbps业务速率的。另外，对于下行链路，用户距离NodeB位置近时，也可以实现良好的Ioc/Ior，1×1频率复用方式下也可以达到很高的下行速率。
　　
对于上述两个矛盾，规划设计中需要采用多种技术手段来解决：
　　
第一，采用较宽松的频率复用方式或控制邻区负载，实现上行中高速数据业务
　　
TD-SCDMA单频点带宽窄，有条件在组网初期采用较为宽松的频率复用方式(如1×3)，这样就减少了同频邻区数，从而减少Ioc，那么即使在智能天线对数据业务的容量增益很小时，也可以解决上行的数据业务容量问题。根据分析，1×3频率复用方式就基本可以满足中高速数据业务的邻区干扰要求了。
　　
或者，通过无线资源调度合理分配相邻各小区的资源，降低相邻小区的负荷来减小Ioc，也能够解决1×1频率复用方式下的上行数据业务容量问题。
　　
第二，对于覆盖设计预留余量，并且以信道平衡时的参数计算覆盖半径、布置站点

SA的覆盖增益受用户因素的影响，网络发展初期可能效果较好，随着用户话务量增多，其赋形增益可能减小。此外，还需要考虑业务信道和没有赋形的公共信道之间覆盖平衡问题。所以，在覆盖规划中应对智能天线的增益留有设计余量。