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）≈ 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_RSCP_BfOn-PCCPCH_RSCP_BfOn　（1）

　　其中DPCH_RSCP_BfOn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_RSCP_BfOn表示波束赋形打开时记录的PCCPCH_RSCP。

　　G₂=DPCH_RSCP_BfOn-DPCH_RSCP_BfOff（PCCPCH_RSCP_BfOn-PCCPCH_RSCP_BfOff　（2）

　　其中DPCH_RSCP_BfOn表示波束赋形关闭时记录的DPCH_RSCP；PCCPCH_RSCP_BfOn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 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 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，G_8，空为8阵元天线空载赋形增益平均值，G_6，空为6阵元天线空载赋形增益平均值，G_8，加为8阵元天线加载赋形增益平均值，G_6，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。

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