智能天线对TD-SCDMA无线网规划设计的影响

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  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。获得覆盖增益要求用户分布集中,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。

  (广州杰赛通信规划设计院 郭东亮 )

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