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    TD-SCDMA智能天线解决方案的测试与分析

    张进 2010-12-25 18:02

    摘要 智能天线是TD-SCDMA系统中一项关键技术,目前主要有6阵元天线与8阵元天线两种。本文从天线的各项性能指标包括覆盖、容量、赋形增益等方面对两者进行了测试对比,同时结合工程建设的成本对两者作了比较,最后得出一种大规模网络建设最优的部署方案。

    1、智能天线技术及在TD-SCDMA系统中的应用

      智能天线是一种自适应阵列天线,其基本原理是利用信号传输的空间特性,通过调整各阵元上发射信号的权值,使有效信号方向上的波束加强,从而达到抑制干扰,提高信干比的目的。智能天线技术具有提高系统容量及频谱效率,降低系统干扰,扩大系统的覆盖范围等优点。

      在TD-SCDMA系统中,由于其上下行链路的对称性,使智能天线技术得到了很好的应用。目前在TD系统中主要采用的是8阵元天线和6阵元天线两种。对于单径、高斯白噪声的信道环境而言,8阵元天线下行功率增益和赋形增益理论值为10lg(Ka)=10lg(8)≈9.03 dB,6阵元天线下行功率增益和赋形增益理论值为10lg(Ka)=10lg(6)≈7.8 dB,其中Ka表示智能天线阵元的个数。两者相差约1.2 dB。因此从理论上分析8阵元天线方案不管是功率增益还是赋形增益性能都要优于6阵元天线方案。

      本文通过对6阵元和8阵元天线进行多方面的综合对比,包括覆盖能力、容量、赋形能力、工程建设成本等,得出一个最优的大规模网络建设方案。

    2、对6阵元和8阵元天线性能的仿真分析

      为了更好地进行外场测试,先利用无线电软件对智能6阵元和8阵元天线进行了仿真模拟。智能天线中的单天线阵元为120?定向天线,其天线方向如图1所示。

    图1 120?定向天线的天线方向

      由图1可得出在AWGN(加性高斯白噪声)下,8阵元和6阵元天线的全向广播信道、赋形业务信道(0?赋形)在等功率下的理论方向图(见图2、图3)。

    图2 8阵元天线公共信道和专用信道(0?赋形)的方向图对比

    图3 6阵元天线公共信道和专用信道(0?赋形)的方向图对比

      从图2、图3可以看出:当采用65?的广播赋形权值时,即使在AWGN的理论环境下,由于8阵元天线阵广播权值在65?的能量聚集,使得8阵元天线阵的功率增益大于9 dB,导致波束赋形增益在理论条件下会小于9 dB。同理,由于广播波束赋形权值的“不圆度”,在某些角度下,波束赋形增益可能会大于9 dB。类似情况下,6阵元天线阵广播权值在65?的能量聚集,导致6阵元天线阵的功率增益大于7.8 dB,使得波束赋形增益在理论条件下会小于7.8 dB,同样,由于广播波束赋形权值的“不圆度”,在某些角度下,波束赋形增益可能会大于7.8 dB。因此,在外场测试分析各项数据时采取了统计平均的方法,希望能在最大程度上接近理论值。

    3、针对6阵元和8阵元天线进行的外场测试对比分析

      3.1 TD-SCDMA中6阵元和8阵元天线外场对比测试设计

      为了对6阵元和8阵元天线的性能进行对比,主要从覆盖能力、容量及赋形增益3方面设计专项测试。

      测试环境为:城区和郊区分别在15个以上基站连片区域的中心选择一个小区作为主测小区,相邻的其他小区为加载小区。主测小区和加载小区的N载频配置均为F1、F2、F3的3频点5 MHz组网,业务接入时隙统一预留载频F1的3/6时隙(上行接入使用第3时隙,下行接入使用第6时隙),终端最大发射功率保持在24 dBm。测试时保持主测小区加载50%,第一圈直接相邻小区真实加载50%,其他小区模拟加载50%。测试路线选择一条小区天线正面的径向路线,测试车速度保持为40 km/h。测试时关闭主测小区和其他相邻小区的切换,测试小区分布示意图如图4所示。

    图4 测试小区结构分布

      在进行覆盖能力的对比测试时,分别对6阵元和8阵元天线打开赋形增益,在基站处使用一个TD-SCDMA终端触发各种业务包括CS12.2 kbit/s、PS64 kbit/s、PS 128 kbit/s。测试车携带TD终端,从基站侧沿径向路线向小区边缘行驶,并在UE和系统侧记录相应数据。如未到达预定边缘时,UE掉话,重新拨叫,建立连接,记录此时的位置及相应的测量值。如果UE在掉话点无法接入,或接入成功但无法维持正常的连接,记录相应的位置及其测量值。最后统计使用不同天线时,各种业务的PCCPCH-RSCP(广播信道接收信号码道功率)值随覆盖距离的变化情况。

      在进行容量的对比测试时,分别对6阵元和8阵元天线在主测小区选择两个近点,两个远点,选点要求在120?方向内尽可能均匀分布。记录主测小区分别加载2、4、6、8部终端时,主测小区和真实加载小区的各种参数值。主测小区顺序接入CS12.2 kbit/s语音业务,并保持,直到UE无法接入,或接入成功但无法维持正常的连接时,记录最终接入的UE数。所有接入的UE保持10 min,如果有UE掉话则继续接入该UE。最后统计不同天线情况下,主测小区内最大接入的用户数和平均在线用户数。

      在进行赋形增益的对比测试时,选取基站径向上功率均匀分布的4个点,对6阵元和8阵元天线进行同样的测试。即TD终端在4个点分别发起1个CS12.2 kbit/s语音业务,等待语音业务保持稳定后,通过路测软件在UE侧记录DPCH_RSCP、PCCPCH_RSCP,记录时间要求3 min以上。最后统计不同天线情况下,智能天线的赋形能力。智能天线赋形增益可由以下两种算法统计:

      G1=DPCH_RSCPBfOn-PCCPCH_RSCPBfOn (1)

      其中DPCH_RSCPBfOn表示波束赋形打开时记录的DPCH_RSCP(用户接收信号码道功率);PCCPCH_RSCPBfOn表示波束赋形打开时记录的PCCPCH_RSCP。

      G2=DPCH_RSCPBfOn-DPCH_RSCPBfOff(PCCPCH_RSCPBfOn-PCCPCH_RSCPBfOff (2)

      其中DPCH_RSCPBfOn表示波束赋形关闭时记录的DPCH_RSCP;PCCPCH_RSCPBfOn表示波束赋形关闭时记录的PCCPCH_RSCP。

      算法一如式(1)所示,其主要优点是对PCCPCH和DPCH的RSCP的测量是同时进行的,在基站侧功控关闭的情况下,二者经历的衰落特性接近一致,这样克服了无线信道时变性的差异。但缺点是由于广播波束不圆度的存在,引入了在不同角度上的增益测量的偏差。

      算法二如式(2)所示,其继承了算法一的优点,同时克服了算法一中存在的缺点,广播波束的不圆度的影响在此算法中被排除掉。但缺点是在加载、波束赋形关闭情况下,本时隙内所有用户均用小区广播波束发射。各个用户之间干扰会比较严重,UE记录的RSCP偏低或不太准确;而赋形打开情况下,各个UE使用不同赋形权值,各用户之间干扰较小,UE对RSCP的测量会比较准确。这样采用算法2进行赋形增益计算时,结果会偏大。

      测试中,用两种算法分别独立地进行计算,最大程度地排除干扰带来的影响。

      3.2 TD-SCDMA中6阵元和8阵元天线外场对比测试结果

      覆盖分析测试结果见表1。

    表1 6阵元和8阵元天线覆盖分析测试

      理论分析:若均为上行覆盖受限,6阵元和8阵元天线的理论覆盖差别为1.25 dB,覆盖半径差距在8%左右;若均为下行覆盖受限,6阵元和8阵元天线的理论覆盖差别为2.5 dB,覆盖半径差距在17%左右。

      实测结果:在几种不同业务下,6阵元智能天线比8阵元智能天线的覆盖范围降低8%左右,属于上行覆盖受限系统。其中,城区由于环境相对复杂,实测相差比例小于理论分析;而郊区环境下实测差距与理论分析结果基本吻合。

      容量测试结果如表2所示,在容量上,6阵元和8阵元天线表现一致。测试过程中单时隙均可最大支持8个用户,主要原因在于TD-SCDMA是一个码道受限系统,其单时隙16码道最大只能支持8个用户。

    表2 6阵元和8阵元天线容量测试结果

      为了更加定量地反映两种天线下容量的变化情况,作者对主测小区分别接入最大8个用户时,小区内接收信号总功率、干扰信号功率的均值变化情况做了记录,如表3所示。从表3中可以看出,6阵元天线容量指标与8阵元天线相比没有明显变化。在码道受限的情况下,两者的容量方面没有明显差别。

    表3 6阵元和8阵元天线最大用户接入时功率

    表4 6阵元和8阵元天线的赋形增益对比

      按照本文定义的赋形增益计算方法,在郊区或一般城区环境下,8阵元天线的赋形增益在7~8 dB左右;在郊区或一般城区环境下,6天线的赋形增益在5~6 dB左右;相同测试条件下,8阵元天线比6天线的增益高约2 dB;赋形增益理论差别是2.5 dB(6阵元天线发射总功率比8阵元天线少了1.25 dB),从赋形增益的测试结果看与理论差值相差不大(见表4),因此在下文工程建设分析中按照理论差值进行近似估算。在表4中,G8,空为8阵元天线空载赋形增益平均值,G6,空为6阵元天线空载赋形增益平均值,G8,加为8阵元天线加载赋形增益平均值,G6,加为6阵元天线加载赋形增益平均值。

    表5 6阵元和8阵元天线尺寸与施工时间对比

     

    4、对6阵元和8阵元天线工程建设的对比分析

      对于6阵元和8阵元天线工程建设上的差异,本文主要从以下两方面来具体分析:天线的物理差异和天线工程实施成本。

      6阵元天线由于阵元数目少,尺寸会明显减小,因此能有效地提高天线风荷能力,且降低施工的成本。表5选取了某天线厂商的6阵元和8阵元天线尺寸及施工时间进行对比说明。

      此外,由于6阵元天线尺寸的减小,使工程安装难度也降低了很多。下面以女儿墙和8 m抱架安装这两种典型方式为例,对6阵元和8阵元天线安装进行对比,引用数据如表6所示。

    表6 6阵元和8阵元天线安装情况对比

      由此可见,6阵元天线在工程建设成本方面具备一定的优势。

    5、对6阵元和8阵元天线大规模建设的优化解决方案

      目前,中国正处于TD-SCDMA大规模商用建设初期。如何能够在网络建设初期既保证网络性能指标,又节约成本将成为运营商面临的重大挑战。综合以上分析结果可以看出,在性能上,8阵元天线比6阵元天线具有一定的优势,但是在成本上,6阵元天线又比8阵元天线低。那么,在网络大规模建设初期寻找一种最优解决方案至关重要。在无线网络的规划建设中,对不同的典型环境有着不同的部署方案。以下对一些典型场景进行网络建设分析。

      密集城区特征是建筑物密度大,包含CBD地区、密集建筑区域、繁华商业区等。CBD地区的典型特征是百米以上高楼集中,高端用户比例高。一般以宏蜂窝的方式实现室外覆盖。密集建筑区的主要特征是建筑物密集但楼不是很高,例如大城市的密集办公区、生活区等。为了节省站址和投资,建网初期也可以使用宏蜂窝进行覆盖。繁华商业区由于建筑物间间隙很小,无线电波信号通常会沿街道进行传播,如果使用宏蜂窝进行覆盖,难以控制干扰。因此,对于这一地区的覆盖,建议采用以特定街区覆盖为目标的RRU或微蜂窝方式进行覆盖。综合分析,密集城区环境主要特点为:用户密集,小范围内多基站;工程建设要求较高,大范围覆盖要求低。建议使用6阵元天线解决方案,可有效节约成本,快速进行工程实施。

      一般城区与密集城区的差别主要在建筑物的密度上,初期建设主要以宏蜂窝为主。城郊环境类似于一般城区,建筑物的分布比较稀疏,高度一般不会很高。无线传播环境相对于密集城区简单,用户密度不会很高。对于郊区网络建设,也以宏蜂窝为主。综合分析:一般城区与城市郊区在建网初期首要任务是保证大规模覆盖,建议使用8阵元天线建设;在后期网络建设中,需根据站址和话务情况进行扩容,这时需要快速进行工程实施和降低成本,建议使用6阵元天线方案。此外,对于网络建设初期的热点地区,建议直接使用6阵元天线进行部署,以密集小区连片覆盖补充其单站点覆盖性能的不足。

      农村地区初期建网时,通常先对人们居住和经常活动的区域重点进行覆盖。农村多以公路、铁路、国道、乡镇等为重点覆盖目标,周围的比较小的村庄以及开阔地带的覆盖要求会低一些。由于话务密度较低,为节省成本,需要尽可能提高单基站的覆盖能力。此外,农村基站站间距较大,基站的分布往往根据覆盖和话务的需求而定,不再均匀分布,因此覆盖能力尤为重要。综合分析:农村地区的网络建设建议使用8阵元天线方案增加覆盖能力,同时站址选择要尽可能满足重点地区的定向覆盖。

      从以上对TD-SCDMA系统基站建设的分析可以看出,针对不同的场景,所采取的方案是不同的。下面以基本语音业务为例,参照§3中得出的天线典型覆盖距离、网络赋形增益等方面的结论,同时兼顾§4中工程建设成本进行综合计算,得出3种典型场景下使用两种天线建设的成本对比,如表7所示。

    表7 不同场景下6阵元和8阵元天线的建设成本对比

      从表7可以看出,在不同的场景下,综合考虑多方面的因素可以得出能够满足网络各项性能指标要求,同时又能合理地降低成本的最优网络建设方案。

      (文章转载)

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    韩斐 2013-05-30 19:54
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