智能天线解决方案

1、No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. TD-SCDMATD-SCDMA智能天线解决方案智能天线解决方案 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 目目 录录 天线原理概述天线原理概述 MIMOMIMO技术与智能天线技术技术与智能天线技术 智能天线原理与应用智能天线原理与应用 天线原理天线原理 天线参数天线参数 天线类型天线类型 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线原理

2、天线原理 天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接 收无线电波；收无线电波； 发射时，把高频电流转换为电磁波；发射时，把高频电流转换为电磁波； 接收时，把电滋波转换为高频电流。接收时，把电滋波转换为高频电流。 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 天线方向图天线方向图 水平面波束水平面波束 垂直面波束垂直面波束 天线方向图用于表征天线在整个空间的辐射作用天线方向图用于表征天线在整个空间的辐射作用 天线的方向图是一个三维空间的图形，在不

3、同方向上辐射强度不同天线的方向图是一个三维空间的图形，在不同方向上辐射强度不同 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 天线主瓣天线主瓣 l天线方向图通常包含多个波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其天线方向图通常包含多个波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其 余的波瓣称为副瓣或旁瓣。余的波瓣称为副瓣或旁瓣。 l主瓣的宽度通常用功率密度为最大方向上功率密度之半的两点间夹角表主瓣的宽度通常用功率密度为最大方向上功率密度之半的两点间夹角表 示，称为半功率点（或示，称为半功率点（或3dB3dB）波瓣宽度）

4、波瓣宽度 PeakPeak Peak - 3dBPeak - 3dB Peak - 3dBPeak - 3dB 3dB3dB波瓣波瓣 宽度宽度 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 前后比前后比 l把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣，定义天线正前方和正后方的辐射强度把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣，定义天线正前方和正后方的辐射强度 之比为之比为“前后比前后比” l前后比表明系统对后瓣抑制的好坏，前后比指标差将给系统带来更多干扰，前后比表明系统对后瓣抑制的好坏，前后比指标差将给系统带来更多干扰， 恶化系统性能

5、恶化系统性能 后向功率后向功率前向功率前向功率 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 天线增益天线增益 l在输入功率相等的条件下，被研究天线与参考标准天线在其最大辐射方在输入功率相等的条件下，被研究天线与参考标准天线在其最大辐射方 向上的功率密度之比。向上的功率密度之比。 l用无方向性天线做参考标准天线时，增益单位为用无方向性天线做参考标准天线时，增益单位为dBidBi l用半波对称天线做标准天线，增益单位为用半波对称天线做标准天线，增益单位为dBddBd； l由于半波对称天线的增益为由于半波对称天线

6、的增益为2.16dBi2.16dBi，所以有，所以有dBi=dBd+2.16dBi=dBd+2.16 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 天线极化天线极化 l指电磁波在传播过程中，其电指电磁波在传播过程中，其电 场矢量的方向和幅度随时间变场矢量的方向和幅度随时间变 化的状态，可以分成线极化和化的状态，可以分成线极化和 圆极化圆极化 E E E E 线极化线极化圆极化圆极化 l线极化存在多种特殊情况：电线极化存在多种特殊情况：电 场矢量平行于地面构成水平极场矢量平行于地面构成水平极 化，垂直于地面构成

7、垂直极化，化，垂直于地面构成垂直极化， 另外还包括另外还包括4545度极化度极化 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 双极化双极化 l经过无线信道多次随机反射，使得信号在不同极化方向上变成相经过无线信道多次随机反射，使得信号在不同极化方向上变成相 互独立，从而可以获得极化分集增益互独立，从而可以获得极化分集增益 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 其他方向图参数其他方向图参数 零点填充：一般在主瓣和它下零

8、点填充：一般在主瓣和它下 面的第一个旁瓣之间会有一个面的第一个旁瓣之间会有一个 夹角，位于这个夹角间的信号夹角，位于这个夹角间的信号 非常弱。有零点填充的天线会非常弱。有零点填充的天线会 将这个夹角弥补一下。将这个夹角弥补一下。 上旁瓣抑制：对于基站天线，常上旁瓣抑制：对于基站天线，常 常要求它的垂直面方向图中主瓣常要求它的垂直面方向图中主瓣 上方第一旁瓣尽可能弱一些上方第一旁瓣尽可能弱一些 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线参数天线参数 驻波比驻波比 l在不匹配的情况下在不匹配的情况下, , 馈线上同时存在入

9、射波和反射波。在入射波和反馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反 射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅max max ，形成波，形成波 腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振 幅幅min min ，形成波节。，形成波节。 l波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为 VSWRVSWR No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT

10、 CO.,LTD. 天线参数天线参数 频带宽度频带宽度 l无论是发射天线还是接收天线，无论是发射天线还是接收天线， 它们总是在一定的频率范围它们总是在一定的频率范围 （频带宽度）内工作的；（频带宽度）内工作的； l天线的频带宽度有两种不同的天线的频带宽度有两种不同的 定义：定义： 在驻波比在驻波比VSWR1.5VSWR1.5条件下，条件下， 天线的工作频带宽度，此为天线的工作频带宽度，此为 移动通信常用定义移动通信常用定义 天线增益下降天线增益下降3dB3dB范围内的范围内的 频带宽度。频带宽度。 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT

11、CO.,LTD. 天线参数天线参数 天线下倾天线下倾 l电下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，从而改变合成分量场电下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，从而改变合成分量场 强强度，使天线的垂直方向性图下倾。强强度，使天线的垂直方向性图下倾。 l相比机械下倾，电下倾在改变倾角后天线方向图变化较小相比机械下倾，电下倾在改变倾角后天线方向图变化较小 机械下倾机械下倾 电下倾电下倾 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 常见天线类型常见天线类型 双极化双极化 鞭状天线鞭状天线 八木天线八木天线 定向扇区定向扇区 室内

12、吸顶室内吸顶 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线类型天线类型 鞭状全向天线鞭状全向天线 外形外形 垂直面方向图垂直面方向图 水平面方向图水平面方向图 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线类型天线类型 定向天线定向天线 外形外形 垂直面方向图垂直面方向图 水平面方向图水平面方向图 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线类型天线类型 八木天线八木天线 外形

13、外形 垂直面方向图垂直面方向图 水平面方向图水平面方向图 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线类型天线类型 室内型天线室内型天线 室内吸顶天线室内吸顶天线室内壁挂天线室内壁挂天线 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 目目 录录 天线原理概述天线原理概述 MIMOMIMO技术与智能天线技术技术与智能天线技术 智能天线原理与应用智能天线原理与应用 智能天线定义智能天线定义 智能天线算法描述智能天线算法描述 智能天线技术优势智能天线技术优势

14、智能天线技术进展智能天线技术进展 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 智能天线定义智能天线定义 智能天线是由多根天线阵元组智能天线是由多根天线阵元组 成的天线阵列成的天线阵列 智能天线的原理是通过调节各智能天线的原理是通过调节各 阵元信号的加权幅度和相位来阵元信号的加权幅度和相位来 改变阵列天线的方向图，从而改变阵列天线的方向图，从而 抑制干扰，提高终端接收信号抑制干扰，提高终端接收信号 功率，提高信干比功率，提高信干比 能实现天线和传播环境与用户能实现天线和传播环境与用户 和基站之间的最佳匹配和基站之间的最佳匹配。

15、 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 智能天线实际外形智能天线实际外形 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线阵原理天线阵原理 a A A点：点： 波程差波程差 d = 0d = 0 相位差相位差 = 0= 0 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。 l 以二阵元天线阵为例加以说明。把功率以二阵元天线阵为例加以说明。把功率P P馈给一个单天线时，

16、在天线最大辐射方向馈给一个单天线时，在天线最大辐射方向A A点点 产生场强产生场强EoEo，当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵时，每个天线单元得到一半功率。，当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵时，每个天线单元得到一半功率。 所以在所以在A A点各产生相同的场强点各产生相同的场强 ，由于两个天线单元在，由于两个天线单元在A A点波程差为点波程差为0 0，场强为同向叠加，场强为同向叠加， 合成场强为合成场强为 。也就是说，总馈电功率不变，而在。也就是说，总馈电功率不变，而在A A点产生的场强却增大到原来的点产生的场强却增大到原来的 倍，倍， 功率密度增大到原来的功率密度增大到原来的2 2倍。倍

17、。 A A点点A A点点 单天线单天线二阵元天线阵二阵元天线阵 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 天线阵原理天线阵原理 B B点：点： 波程差波程差 d = ad = a* *coscos 相位差相位差 = 2d/= 2d/ d a A A点：点： 波程差波程差 d = 0d = 0 相位差相位差 = 0= 0 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。 l 空间中不同位置相对天线阵法线方向的偏转角度不同，造成不同的波程差，场

18、强的叠空间中不同位置相对天线阵法线方向的偏转角度不同，造成不同的波程差，场强的叠 加效果也不同。如果波程差为加效果也不同。如果波程差为/2/2，场强为反向叠加，合成场强为，场强为反向叠加，合成场强为0 0 l 根据波程差，对不同单元天线馈入不同相位的信号，则天线阵可实现在某个方向上形根据波程差，对不同单元天线馈入不同相位的信号，则天线阵可实现在某个方向上形 成场强同向叠加成场强同向叠加 B B点点 A A点点A A点点 B B点点 单天线单天线 二阵元天线阵二阵元天线阵 900900 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD

19、. TD-SCDMATD-SCDMA智能天线结构智能天线结构 l 智能天线的关键在于实时跟踪信道，智能天线的关键在于实时跟踪信道， 自适应调整各单元天线馈入信号的强自适应调整各单元天线馈入信号的强 度和相位，形成上度和相位，形成上/ /下行波束赋形下行波束赋形 l 信道估计是智能天线的关键之一，信道估计是智能天线的关键之一， 通过帧结构中的通过帧结构中的Midamble Midamble 序列来实现序列来实现 信道估计信道估计 l TDDTDD方式更能体现智能天线的优势方式更能体现智能天线的优势 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT C

20、O.,LTD. 智能天线算法描述智能天线算法描述 对于对于TD-SCDMATD-SCDMA系统，其上、下行时隙间隔短，我们可以大致认为上、系统，其上、下行时隙间隔短，我们可以大致认为上、 下行链路的信道特性是对称的，可以利用上行参数在基站发送端对信下行链路的信道特性是对称的，可以利用上行参数在基站发送端对信 号进行预处理（波束赋形），改善下行链路性能，其中，我们运用的号进行预处理（波束赋形），改善下行链路性能，其中，我们运用的 上行参数主要为无线信道响应，标记为上行参数主要为无线信道响应，标记为H H。 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPME

21、NT CO.,LTD. 下行链路的接收信号功率与发送信号功率之比为下行链路的接收信号功率与发送信号功率之比为 智能天线算法描述智能天线算法描述 )()()()( )()()()()()( )( ),( ),( kHkkHk kHkkHkkHk k kk kk uuu u T R G wwcc wHCCHw 对于每个码道，我们期望信号功率比值对于每个码道，我们期望信号功率比值 达到达到 最大，根据这个准则，我们来选择赋形权值最大，根据这个准则，我们来选择赋形权值 。可见权值与扩频码、信道响应。可见权值与扩频码、信道响应 矩阵有关。矩阵有关。 ),( u kk G Kk k 1, )( w 。 N

22、o Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 智能天线算法描述智能天线算法描述 对于波束赋形，目前主要有两种实现方法对于波束赋形，目前主要有两种实现方法 lGOBGOB算法：算法：Grid of BeamsGrid of Beams，波束表格法，也称为固定波束赋形算法，波束表格法，也称为固定波束赋形算法 lEBBEBB算法：算法：Eigen_Based BeamformingEigen_Based Beamforming，基于特征值的波束赋形算法，基于特征值的波束赋形算法 GOBGOB算法：将整个波束空间划分成算法：将整个波束空

23、间划分成 若干个固定的波束分区，每个分区若干个固定的波束分区，每个分区 用一个固定角度来追踪。以每个分用一个固定角度来追踪。以每个分 区的归一化方向向量作为权向量，区的归一化方向向量作为权向量， 可以求得多组信号功率比值。然后可以求得多组信号功率比值。然后 选择最大功率比值对应的权向量，选择最大功率比值对应的权向量， 这即为我们所求的赋形矢量。这即为我们所求的赋形矢量。 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 智能天线算法描述智能天线算法描述 对于波束赋形，目前主要有两种实现方法对于波束赋形，目前主要有两种实现方法 lG

24、OBGOB算法：算法：Grid of BeamsGrid of Beams，波束表格法，也称为固定波束赋形算法，波束表格法，也称为固定波束赋形算法 lEBBEBB算法：算法：Eigen_Based BeamformingEigen_Based Beamforming，基于特征值的波束赋形算法，基于特征值的波束赋形算法 EBBEBB算法：对信道空间相关矩阵进算法：对信道空间相关矩阵进 行特征分解，其最大特征值对应的行特征分解，其最大特征值对应的 特征向量即为我们所求的赋形矢量特征向量即为我们所求的赋形矢量。 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPM

25、ENT CO.,LTD. 智能天线算法对比智能天线算法对比 EBBEBB 优于优于 GOBGOB EBBEBB和和GOBGOB仿真结果比较仿真结果比较功率增益功率增益 仿真研究和外场测试都表明：仿真研究和外场测试都表明： EBBEBB算法优于算法优于GOBGOB算法算法 EBB得到了全局最优解，而GOB得 到的是局部最优解。 低速情况，EBB性能优于GOB 高速情况下，EBB和GOB基本相当 市区无线传播环境越恶劣，EBB的 优势越明显 EBBEBB和和GOBGOB外场测试结果比较外场测试结果比较功率电平功率电平 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQ

26、UIPMENT CO.,LTD. 智能天线大大降低了系统干扰，改善系统性能智能天线大大降低了系统干扰，改善系统性能 N n n mean P N P Pmean P P P 1 max )( 1 )(max )( )(max )(9 . 64.859dB 智能天线技术优势智能天线技术优势 以以6 6阵元天线为例，干扰抑制度阵元天线为例，干扰抑制度 用干扰抑制度用干扰抑制度 来度量智能天来度量智能天 线带来的系统干扰抑制的效果线带来的系统干扰抑制的效果 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 上行上行: : 提高基站接收灵

27、敏度提高基站接收灵敏度10lgN dB10lgN dB，有效增大上行覆盖距离，有效增大上行覆盖距离 下行下行: : 等效功率增加等效功率增加20lgN dB20lgN dB，有效增大下行覆盖距离，有效增大下行覆盖距离 能量集中照得很远能量集中照得很远 能量集中能量集中 增加覆盖增加覆盖 全向照明区域小全向照明区域小 智能天线技术优势智能天线技术优势 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 上行：基站接收信号有方向性，对接收方向以外干扰上行：基站接收信号有方向性，对接收方向以外干扰 有很强的抑制作用，有效提高上行系统容量有

28、很强的抑制作用，有效提高上行系统容量 下行：波束赋形后低旁瓣泄漏，大大减小对小区内下行：波束赋形后低旁瓣泄漏，大大减小对小区内/ /小小 区间其他用户信号的干扰，有效提高下行系统容量区间其他用户信号的干扰，有效提高下行系统容量 智能天线技术优势智能天线技术优势 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 智能天线获取的智能天线获取的DOADOA信息提供了用户终信息提供了用户终 端的方位信息，以用来实现用户定位端的方位信息，以用来实现用户定位 智能天线技术优势智能天线技术优势 通过获得的用户信息，可以用于接力切换，通过获得的用

29、户信息，可以用于接力切换， 提高了切换的成功率和系统效率提高了切换的成功率和系统效率 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 8阵元天线6阵元天线差值比 尺寸（高宽深）1347650110135050670 天线阵重量（Kg）大于17小于13减少24% 最大风荷能力55m/s60m/s增加9% 最大迎风面积(m2)平均0.86300W200W降低33% 施工耗时（小时）107减少30% 工程上：工程上： 有效减小了工程 施工难度，提高 了系统稳定性 性能上：性能上： 6阵元系统优化 算法优于普通8阵 元系统，完全满足 系

30、统性能要求 智能天线技术进展智能天线技术进展6 6阵元阵元 VS. 8VS. 8阵元阵元 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 4 44 4双极化天线在性能上与普通双极化天线在性能上与普通8 8天线相当；天线相当； 与普通与普通8 8天线相比，天线相比，4 44 4双极化天线尺寸减小双极化天线尺寸减小5050，重量降低，重量降低4040，大大降低，大大降低 了工程施工难度和成本了工程施工难度和成本 智能天线技术进展单极化智能天线技术进展单极化VS.VS.双极化双极化 4 44 4双极化是系统性能和工程施工的最佳平衡点！

31、双极化是系统性能和工程施工的最佳平衡点！ No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD. 双排双排7 7阵元天线阵元天线 前排4阵元，后排3阵元 可以有效减小横向尺寸和风阻 赋形增益较低 业务波束较宽，干扰抑制能力下降 小间距天线小间距天线 天线阵元之间的间距小于/2 可以有效减小天线尺寸和风阻 如何在缩小阵元间距的同时保 证天线阵电气性能不受影响是 小间距天线实现的主要困难 智能天线技术进展小型化的其他选择智能天线技术进展小型化的其他选择 No Image DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT C