LTE网络的天馈系统_20120524
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LTE系统的性能分析
目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
18
智能天线和自适应天线的不同
智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统
，其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统 容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收 ，还包括智能发射； 智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只 能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的 对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在 于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分 开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。
F0
¼
5
天线的主要指标
类型
辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 电参数 电参数 电参数
参数
半功率波束宽度 前后比 交叉极化比 增益 上旁瓣抑制 下零点填充 下调角精度 方向图圆度 驻波比 隔离度 交调
对网络质量的影响
覆盖范围、覆盖均匀性 越区覆盖、干扰、切换关系混乱、掉话 分集接收上行信号性能 覆盖 同频干扰、导频污染 近端覆盖 覆盖、干扰 覆盖均匀性 覆盖、基站发射器件 上行干扰、自激 上行干扰、通话质量，掉话
“dBm” – Absolute signal strength relative to 1 milliwatt 1 mWatt 1 Watt 20 Watts = 0 dBm = 30 dBm = 43 dBm Note: The Logarithmic Scale 10 * log10 (Power Ratio)
14
智能天线的基本思想
天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望
用户； 接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制； 发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大 ，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受 到的干扰最小；
15
16
空分多址的概念
与传统的频分多址（FDMA）、十分多址（
TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多 址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分 不同用户； 在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下， 仍然可以根据信号不同的传播路径来区分；
17
空分多址的概念
SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式
完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如 空时－码分多址（SD-CDMA）； 智能天线与传统天线在概念上的区别，智能天 线理论支撑是信号统计检测与估计理论，信号 处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天 线和高分辨阵列信号处理。
28
智能天线的赋形
波束形成技术： 使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高 阵列输出所需信号的强度； 零点技术： 使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干 扰信号的强度； 空间谱估计技术： 处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction of Arrival）的问题；
29
30
目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
7
增益
•Aperture of Dipoles •Vertical Pattern •Horizontal Pattern
•Single Dipole
•Stacking 4 dipoles vertically in line changes the pattern shape (squashes the doughnut) and increases the gain over single dipole. •The peak of the horizontal or vertical pattern measures the gain.
0
Transmit Power = 1 W
-20 -40 -60 -80 -100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Base Station Antenna Height = 40 m Base Station Antenna Gain = 16 dBd Elevation Beamwidth = 6.5°
3
电磁波的传播
4
偶极子
F0 (MHz)
(Meters) (Inches) 10.0 3.75 1.87 1.07 0.65 0.38 0.31 0.18 0.15 393.6 147.6 73.8 42.2 25.7 14.8 12.3 6.95 5.90
¼
30 80 160 280 460 800 960 1700 2000
8
•The little lobes, illustrated in the lower section, are secondary minor lobes.
方向图及圆度
方向（性）图是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射
或接收电磁波能力的图形。 天线实际工作在三度几何空间中，其方向图应该是立体图，因此又由于所取的截 面不同而有不同的方向性图。最常用的是水平面内的方向图（即和大地平行的平 面内的方向图）和垂直面内的方向图（即垂直于大地的平面内的方向图）。有的 专业书籍上也称赤道面方向图或子午面方向图。 方向图圆度（antenna pattern roundness）是反映全向天线的覆盖均匀性指标。全 向天线的方向图圆度是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值 的偏差，平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5°方位上电平（dB）值的算 术平均值。
2
传输线演变为天线
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的照射，照射的能力与导线的
长短和形状有关. 如由于两导线的距离很近，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消， 因而照射很微弱。 如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生 的感应电动势方向相同，因而照射较强。 当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，照射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因 而就能形成较强的照射。通常将上述能产生显著照射的直导线称为振子 。
31
LTE系统多天线技术
MIMO（Multiple Input Multiple Output）
不相关的各个天线上分别发送多个数据流； 利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道容量
源自文库
及频谱利用率，下行数据的传输质量。
32
LTE系统多天线技术应用
传输分集
多天线技术 波束赋形
接收链路：模拟信号 → 数字信号 发射链路：数字信号 → 模拟信号 天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环
境的变化而自适应地进行调整，包括： • 以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字 信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数： • 以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
13
目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
23
波束空间处理方式
包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定
加权求和，形成多个指向不同方向的波束； 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后 合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整 天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其 中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适 应阵列处理； 计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能， 是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
空间复用
33
传输分集技术
•
复杂和动态的无线信道 – 快衰落和慢衰落；大尺度衰落与小尺度衰落 – 平坦衰落与频率选择性衰落
34
常用发射分集天线
TSTD(时间开关的发射分集)
下行用户数据的功率分配
所有用户都由相同 的天线发送，且一 起在不同的天线间 切换 SCTD（空间码分集）
STTD(空时发送分集) 可以用一个简单的 线性变换实现分集 信号的分离和最大 似然检测。
24
智能天线的结构
典型阵列； 结构原理； 系统组成。
25
典型阵列
均匀线阵； 随机分步线阵； 十字阵； 圆阵； 面阵，等。
26
结构原理图
27
智能天线的系统组成
天线阵列： 模数转换： 智能处理：
天线阵元数量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性
能有着重要的影响；
“dBc” – Signal strength relative to a signal of known strength, in this case: the carrier signal Example: -100 dBc = 100 dB below carrier signal If carrier is 100 Watt = 50 dBm -100 dBc = -50 dBm or 0.00001 mWatt dBi和dBd，3D天线演示
ф ф
9
半功率波束宽度和前后比
半功率波束宽度 前后比
1/2 Power Beamwidth
10
F/B Ratio @ 180 degrees 0 dB - 25 dB = 25 dB
下零点填充和上旁瓣抑制
Null Filled to 16 dB Below Peak Received Level (dBm)
19
智能天线的形式
根据工作方式的不同： 欲多波束或切换波束系统； 自适应阵列系统； 根据波束形成的不同： 阵元空间处理方式； 波束空间处理方式；
20
切换波束系统
21
自适应阵列系统
22
阵元空间处理方式
阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号
采样进行加权求和处理后，形成阵列输出， 使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。 由于各种阵元均参与自适应加权调整，这种 方式属于全自适应阵列处理。
•4 Dipoles Vertically Stacked
GENERAL STACKING RULE: • Collinear elements (in-line vertically). • Optimum spacing (for non-electrical tilt) is approximately 0.9λ. • Doubling the number of elements increases gain by 3 dB, and reduces vertical beamwidth by half.
Distance (km)
11
下倾角
12
交叉极化比
交叉极化比是在希望的波束范围内（轴向，±60°），双极化天线
同极化与正交极化的图形性能的比较。 一般取值轴向≥15，±60°以内≥10
120°
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
TYPICAL
Co-Polarization Cross-Polarization (Source @ 90°)
发射分集天线
根据实际信道条件确 定各天线信号的加 权系数，实现分集 发送。
P-CCPCH的分集发 送。这种方式占用 了码道的资源，只 能对少数重要的码 道使用
6
dB的相关概念
“dBd” – Signal strength relative to a dipole in empty space “dBi” – Signal strength relative to an isotropic radiator
“dB”
– Difference between two signal strengths
目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
18
智能天线和自适应天线的不同
智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统
，其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统 容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收 ，还包括智能发射； 智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只 能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的 对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在 于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分 开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。
F0
¼
5
天线的主要指标
类型
辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 辐射参数 电参数 电参数 电参数
参数
半功率波束宽度 前后比 交叉极化比 增益 上旁瓣抑制 下零点填充 下调角精度 方向图圆度 驻波比 隔离度 交调
对网络质量的影响
覆盖范围、覆盖均匀性 越区覆盖、干扰、切换关系混乱、掉话 分集接收上行信号性能 覆盖 同频干扰、导频污染 近端覆盖 覆盖、干扰 覆盖均匀性 覆盖、基站发射器件 上行干扰、自激 上行干扰、通话质量，掉话
“dBm” – Absolute signal strength relative to 1 milliwatt 1 mWatt 1 Watt 20 Watts = 0 dBm = 30 dBm = 43 dBm Note: The Logarithmic Scale 10 * log10 (Power Ratio)
14
智能天线的基本思想
天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望
用户； 接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制； 发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大 ，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受 到的干扰最小；
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16
空分多址的概念
与传统的频分多址（FDMA）、十分多址（
TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多 址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分 不同用户； 在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下， 仍然可以根据信号不同的传播路径来区分；
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空分多址的概念
SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式
完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如 空时－码分多址（SD-CDMA）； 智能天线与传统天线在概念上的区别，智能天 线理论支撑是信号统计检测与估计理论，信号 处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天 线和高分辨阵列信号处理。
28
智能天线的赋形
波束形成技术： 使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高 阵列输出所需信号的强度； 零点技术： 使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干 扰信号的强度； 空间谱估计技术： 处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction of Arrival）的问题；
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目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
7
增益
•Aperture of Dipoles •Vertical Pattern •Horizontal Pattern
•Single Dipole
•Stacking 4 dipoles vertically in line changes the pattern shape (squashes the doughnut) and increases the gain over single dipole. •The peak of the horizontal or vertical pattern measures the gain.
0
Transmit Power = 1 W
-20 -40 -60 -80 -100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Base Station Antenna Height = 40 m Base Station Antenna Gain = 16 dBd Elevation Beamwidth = 6.5°
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电磁波的传播
4
偶极子
F0 (MHz)
(Meters) (Inches) 10.0 3.75 1.87 1.07 0.65 0.38 0.31 0.18 0.15 393.6 147.6 73.8 42.2 25.7 14.8 12.3 6.95 5.90
¼
30 80 160 280 460 800 960 1700 2000
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•The little lobes, illustrated in the lower section, are secondary minor lobes.
方向图及圆度
方向（性）图是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射
或接收电磁波能力的图形。 天线实际工作在三度几何空间中，其方向图应该是立体图，因此又由于所取的截 面不同而有不同的方向性图。最常用的是水平面内的方向图（即和大地平行的平 面内的方向图）和垂直面内的方向图（即垂直于大地的平面内的方向图）。有的 专业书籍上也称赤道面方向图或子午面方向图。 方向图圆度（antenna pattern roundness）是反映全向天线的覆盖均匀性指标。全 向天线的方向图圆度是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值 的偏差，平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5°方位上电平（dB）值的算 术平均值。
2
传输线演变为天线
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的照射，照射的能力与导线的
长短和形状有关. 如由于两导线的距离很近，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消， 因而照射很微弱。 如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生 的感应电动势方向相同，因而照射较强。 当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，照射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因 而就能形成较强的照射。通常将上述能产生显著照射的直导线称为振子 。
31
LTE系统多天线技术
MIMO（Multiple Input Multiple Output）
不相关的各个天线上分别发送多个数据流； 利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道容量
源自文库
及频谱利用率，下行数据的传输质量。
32
LTE系统多天线技术应用
传输分集
多天线技术 波束赋形
接收链路：模拟信号 → 数字信号 发射链路：数字信号 → 模拟信号 天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环
境的变化而自适应地进行调整，包括： • 以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字 信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数： • 以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络
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目录
天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数 智能天线 原理与应用 MIMO天线 分集、复用与赋形
室外天线演进
LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术
室内天线演进 双极化MIMO天线的测试
23
波束空间处理方式
包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定
加权求和，形成多个指向不同方向的波束； 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后 合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整 天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其 中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适 应阵列处理； 计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能， 是当前自适应阵列处理技术的发展方向。
空间复用
33
传输分集技术
•
复杂和动态的无线信道 – 快衰落和慢衰落；大尺度衰落与小尺度衰落 – 平坦衰落与频率选择性衰落
34
常用发射分集天线
TSTD(时间开关的发射分集)
下行用户数据的功率分配
所有用户都由相同 的天线发送，且一 起在不同的天线间 切换 SCTD（空间码分集）
STTD(空时发送分集) 可以用一个简单的 线性变换实现分集 信号的分离和最大 似然检测。
24
智能天线的结构
典型阵列； 结构原理； 系统组成。
25
典型阵列
均匀线阵； 随机分步线阵； 十字阵； 圆阵； 面阵，等。
26
结构原理图
27
智能天线的系统组成
天线阵列： 模数转换： 智能处理：
天线阵元数量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性
能有着重要的影响；
“dBc” – Signal strength relative to a signal of known strength, in this case: the carrier signal Example: -100 dBc = 100 dB below carrier signal If carrier is 100 Watt = 50 dBm -100 dBc = -50 dBm or 0.00001 mWatt dBi和dBd，3D天线演示
ф ф
9
半功率波束宽度和前后比
半功率波束宽度 前后比
1/2 Power Beamwidth
10
F/B Ratio @ 180 degrees 0 dB - 25 dB = 25 dB
下零点填充和上旁瓣抑制
Null Filled to 16 dB Below Peak Received Level (dBm)
19
智能天线的形式
根据工作方式的不同： 欲多波束或切换波束系统； 自适应阵列系统； 根据波束形成的不同： 阵元空间处理方式； 波束空间处理方式；
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切换波束系统
21
自适应阵列系统
22
阵元空间处理方式
阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号
采样进行加权求和处理后，形成阵列输出， 使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。 由于各种阵元均参与自适应加权调整，这种 方式属于全自适应阵列处理。
•4 Dipoles Vertically Stacked
GENERAL STACKING RULE: • Collinear elements (in-line vertically). • Optimum spacing (for non-electrical tilt) is approximately 0.9λ. • Doubling the number of elements increases gain by 3 dB, and reduces vertical beamwidth by half.
Distance (km)
11
下倾角
12
交叉极化比
交叉极化比是在希望的波束范围内（轴向，±60°），双极化天线
同极化与正交极化的图形性能的比较。 一般取值轴向≥15，±60°以内≥10
120°
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
TYPICAL
Co-Polarization Cross-Polarization (Source @ 90°)
发射分集天线
根据实际信道条件确 定各天线信号的加 权系数，实现分集 发送。
P-CCPCH的分集发 送。这种方式占用 了码道的资源，只 能对少数重要的码 道使用
6
dB的相关概念
“dBd” – Signal strength relative to a dipole in empty space “dBi” – Signal strength relative to an isotropic radiator
“dB”
– Difference between two signal strengths