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【转载】TDSCDMA系统下的双极化智能天线技术
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TDSCDMA系统下的双极化智能天线技术 | 王健康 李克 薛强
(鼎桥通信技术有限公司无线技术部,100020 北京)
摘要:本文介绍了电波传播的极化特性,在传统单极性智能天线的基础上,分析了利用电波双极化特性来改进智能天线使其满足工程需要,改善网络的性能,达到降低干扰和提高频谱效率的目的。
关键词:电波极化,智能天线,TD-SCDMA系统
1概述
智能天线是TD-SCDMA系统的关键技术,但在TD-SCDMA测试中暴露智能天线存在着面积过大的问题,具有一定的安全隐患,虽然通过采用4根或6根天线的解决方案,智能天线体积可以缩小,基本能够满足工程方面的要求,但这是以牺牲性能为代价的。另一方面,干扰也是困扰TD-SCDMA系统的问题,如何有效降低干扰,提高系统的频谱利用率是下一步工作必须考虑的问题。本文考虑到电磁波空间传播的极化特性,介绍了利用电波的极化特性来改进智能天线的方法――双极化智能天线技术,进而结合网络规划达到减小干扰,提高系统频谱利用率的目的。
2智能天线技术
首先简单介绍一下智能天线技术。在无线移动通信中,如图1(1)所示,普通天线的发射功率分布在整个小区,这样同一小区内部及使用同样频率的相邻小区间就会产生干扰,如何消除小区内和小区间的干扰,成为提高移动通信系统性能的重要问题。
智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信技术。它结合了自适应天线技术的优点利用天线阵列对波束的汇成和指向的控制,产生多个独立的波束,可以自适应的调整其方向图以跟踪信号的变化。接收模式时,每个天线振元的输入被自适应的加权调整,并与其他的信号相加,以达到从混合的接收信号中解调出目标用户信号并抑制干扰用户的信号的目的,它对干扰方向调零,以减少甚至抵消干扰信号。发射模式下,根据获得的目标用户的信息得到的相应的方位图,通过自适应的调整每个辐射振元的幅度和相位,使得他们的输出在空间同相叠加,产生指向目标用户的赋形波束,能使期望目标用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非目标用户受到的干扰最小,如图1(2)所示
智能天线实现的关键是如何形成目标用户的波束。TD-SCDMA由于上下行无线链路使用同一载频,无线传播特性近似相同,上行信道特性可以直接应用到目标用户的下行波束赋性,所以能够很好的支持智能天线。
简而言之,智能天线在干扰抑制、增加无线覆盖范围、降低系统成本、提高系统容量方面具有不可比拟的优越性,得到了应用。
3 电波传播的极化特性
电磁波在空间传播时其电场矢量的瞬时取向称为电磁波的极化方向。若电场矢量的方向始终平行于某一直线,这样的无线电电波就称为线极化波。线极化波可以按照极化方向分为垂直极化和水平极化两种方式。已经证明,在这两种极化波之间存在着所谓的“极化隔离”,具体说来就是水平线极化天线接收水平极化波,而不接收垂直线极化波;反之垂直极化天线接收垂直极化波,而不接收水平极化波,这是由于天线的极化方向与接收电磁波的极化方向相互正交。
根据文献,从终端到基站之间的水平极化路径与垂直极化路径是不相关的。另外,文献【1】指出在反射介质边界处垂直和平行两种极化场的反射系数是不同的,这导致不同极化特性的信号经历反射后,信号的幅度与相位的变化产生了差异。这样经过多次的随机反射后,不同极化方向上的信号就变成相互独立。通过对垂直极化方向与水平极化方向的信号接收,并进行适当的合并处理带来了分集增益,这就是极化分集。在实际中可以用+45°/-45°方向的交叉极化来代替水平与垂直(0°/90°)方向的极化,可以带来更大的极化分集增益【2】。表1-1显示了在不同的环境下可以获得的极化分集增益与空间分集增益的比较。
表1-1 极化分集与空间分集比较
4 双极化智能天线阵系统
由于极化分集的良好的独立性,使得极化天线技术受到了广泛的关注,无论是在3GPP的LTE中,还是在无线城域网WiMAX的演进中都提到了极化技术【3,4,5】。单极化直线性智能天线采用数根定向天线均匀的排列构成,为了减少辐射体各列之间的互耦,各列辐射体体之间必须保持足够的间距,间距过大会造成天线总宽度的增大,增加天线的总尺寸和重量(如图2所示)。从上面的描述知道,不同极化特性的电波之间的相关性很小,所以可以考虑利用不同极性的天线进行接收。在相同天线间距的条件下,不同极化方向的天线之间的耦合度与相同极化特性天线之间耦合度相比大大减小,也就是说,天线之间为了达到一定的隔离度,采用极化技术后可以大大缩小天线之间的距离(如图3所示)。因而,我们可以在智能天线中采用双极化辐射单元作为辐射单元,这样在相同的端口数目的情况下单元天线的数目减少一半,不但降低了天线的成本,而且减少了天线的体积,使得天线易于运输和安装,同时减少了天线的受风面积,提高了天线的可靠性。
5 双极化智能天线下的网络规划
干扰严重是TD-SCDMA系统测试中暴露的另一个问题。 由于不同的极化之间存在着良好的隔离特性,我们可以考虑使用双极化智能天线结合小区规划方案来减小干扰。在此我们假设UE端也利用双极化天线,这样终端与基站通过极化匹配来进行信号的接收。如果小区半径比较小或小区内的散射体比较少,移动台与基站之间存在LOS路径,则信号在传播的过程中极化方向不发生转变,这时可以在小区内或小区间合理的配置不同的极化方向。如图4所示,小区内极化隔离使得小区内不同位置用不同的极化电波覆盖,并且相邻小区的相邻区域利用不同的极化波;小区间极化隔离使得相邻小区利用不同极化波覆盖。P1极化和P2极化交替模式可以使相邻区域得到较好的干扰隔离。如果通信环境较复杂,小区中的散射体较多,则有些信号的极化方向发生了变化,可能与相邻小区的极化方向一致,从而对邻区带来了干扰。考虑到目前小区会分配多个载频,如果使用多个载频的交替极化模式,可以进一步减小干扰,如图5所示。
6 结束语
随着中国自主产权的TDSCDMA系统的商业化演进,网络布置中会遇到很多实际问题,只有考虑到实际的情况才能保证系统的高效可靠运行。本文提出利用双极化的智能天线来大大减小天线的尺寸,提高了天线的可靠性。另一方面,如果结合系统级的规划,采用极化的智能天线将能够有效地降低干扰。
参考文献
1, Wireless communication principal and application, Rappaport, T. S.. Prentice-Hall Inc. 1996.
2, Polarization Diversity in Mobile Communications, Rodney G. Vaughan. IEEE Transactions on Vehicular Technology,Vol.39,No.3, August 1990.
3, LTE Channel Models for concept evaluation in RAN1, R4-060101, Source: Ericsson.
4, LTE Channel Models and simulations, R4-060334, Ericsson, Nokia, Siemens
5, Spatial channel model for multiple input multiple output(MIMO) simulations, 3GPP TR 25.996
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