TDSCDMA天馈系统中兴.docx
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TDSCDMA天馈系统中兴
TD-SCDMA天馈系统
课程目标：
●了解TD-SCDMA天馈系统的组成
●了解智能天线的原理、选型和安装原则
●了解TMB原理及安装原则
参考资料：
●陈建军《智能天线性能参数研究v2.0》
●中兴公司智能天线研究小组《智能天线技术综述报告V1.0》
●王长明《天馈系统介绍》
课程思考题：
●参见每章最后
第1章天馈系统
天馈系统是TD-SCDMA系统的室外部分,由智能天线、室外功率放大器TMB以及射频馈缆组成.
图1-1天馈系统组成示意图
1.1智能天线
智能天线也叫自适应天线,由多个天线单元组成.
智能天线的布阵方式一般是线阵和圆环阵,阵元间距多为1／2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图形成不必要的栅瓣,故一般取半波长）.
智能天线的基本思想是利用空间位置来区分不同用户,通过改变各天线阵元的权重在空间形成方向性波束,天线以多个高增益窄波束动态地跟踪期望用户,而在干扰用户方向形成零陷,从而大大降低了系统的干扰,提高了频谱利用率.
接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制；发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户收到的干扰最小.
智能天线的主要功能：
Ø降低多址干扰、小区间干扰
Ø提高接收灵敏度
Ø获取DOA信息,实现定位及接力切换
Ø降低发射功率,降低成本
Ø增大覆盖、增大容量
Ø改进小区覆盖
1.1.1天线基本概念
天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波,或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备.下面给出天线的主要性能指标：
电性能参数（Electricalproperties）：
⏹工作频段
⏹方向图
⏹增益
⏹输入阻抗
⏹驻波比
⏹极化方式
⏹波束宽度
⏹旁瓣抑制与零点填充
⏹前后比
⏹下倾角
⏹功率容量
⏹三阶互调
⏹天线口隔离
机械参数（Mechanicalproperties）：
⏹尺寸
⏹重量
⏹天线罩材料
⏹外观颜色
⏹工作温度
⏹存储温度
⏹风载
⏹迎风面积
⏹接头型式
⏹包装尺寸
⏹天线抱杆
⏹防雷
下面,给出各参数的具体含义：
工作频段—FrequencyRange
天线是有一定带宽的,虽然谐振频率是一个频率点,但是此频率点附近一定范围内天线的性能近似,这个范围就是带宽.
天线的带宽和天线的型式、结构、材料都有关系.一般来说,振子所用管、线越粗,带宽越宽；天线增益越高,带宽越窄.
方向图--Pattern
用垂直平面和水平平面上表示不同方向辐射电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性.
增益--Gain
天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力.一般把天线的最大辐射方向上的场强与参考天线的场强相比,将功率密度增强的倍数定义为增益.
输入阻抗--Impendance
天线可以看作是一个谐振回路,一个谐振回路当然有其阻抗.当天线的阻抗与馈线的阻抗一致,能达到最佳效果.
驻波比--VSWR
天线驻波比是表示馈线与天线匹配程度的指标.它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去,产生反射波,迭加而成的.
=（VSWR-1）/（VSWR+1）
VSWR=（1+）/（1-）
RL=-20lg
驻波比对系统传输的影响：
⏹一般要求天线的驻波比小于1.5,驻波比是越小越好,但工程上没有必要追求过小的驻波比；
⏹1.4和1.5的驻波比,在反射系数上仅差3.3%,对RF功率辐射的影响差别较小.
极化方式--Polarization
天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度（图中红箭头）方向.当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波.
波束宽度--BeamWidth
在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波束宽度（又称波瓣宽度或主瓣宽度或半功率角）.波束宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强.
下倾角—DownTilt
机械下倾：
物理地向下倾斜天线.虽然采用这种技术也能使同频干扰降低,但由于采用物理下倾,波瓣会产生失真,严重时会在主辐射方向上出现凹陷失真,并且其调整倾角的精度较低.
电子下倾：
通过改变共线阵天线振子的相位,改变垂直分量和水平分量的幅值大小,改变合成分量场强强度,从而使天线的垂直方向图下倾.由于天线各方向的场强强度同时增大和减小,保证在改变倾角后天线方向图变化不大,使主瓣方向覆盖距离缩短,同时又使整个方向图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰.
天线3dB角、挂高、俯仰角以及覆盖距离之间的关系：
图1-2天线3dB角、挂高、俯仰角以及覆盖距离之间的关系
1.1.2智能天线基本原理
智能天线基本原理：
使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励,利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图.如果使用数字信号处理方法在基带进行处理,使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向,就能达到提高信号的载干比,降低发射功率,提高系统覆盖范围的目的.
智能天线的阵元通常是按直线等距、圆周或平面等距排列,见下面的示意图.
图1-3智能天线示意图
基本假设：
当移动台距天线足够远,实际信号入射角的均值和方差满足一定条件时,可以近似地认为信号来自一个方向,即为平面波.
图1-4波束形成原理图
相邻阵元之间的延迟为：
相位差为：
可见,空间上距离的差别导致了各个阵元上接收信号相位的不同.经过加权后阵列输出端的信号为
其中,A增益常数,s（t）是复包络信号,
是阵列的权因子.
假设第m个阵元的权因子为：
则：
这样就可以选择不同的Φ0,将改变波束的所对的角度,所以可以通过改变权值来选择合适的方向.
智能天线是一种空分多址技术,主要包括两个方面：
♫空域滤波：
空域滤波（也称波束赋形）的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布,运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声,以获得尽可能好的信号估计.
♫波达方向（DOA）估计：
在进行空域滤波前,一般需要估计有效来波信号的波达方向,而用户数往往大于阵元数,因此当前DOA估计技术的研究焦点是超分辨估计算法.
从阵列综合的角度来看,智能天线的实现离不开校正,校正是得到激励权值的核心途径.天线的阵列形式一旦确定将固定不变,可以调整的智能是激励权值.激励权值即各阵元之间的幅度、相位特性.而要想得到各阵元之间的幅度及相位特性,就必须对天线各阵元进行校正.校正的实现需要把校正信号耦合到天线各阵元,这就需要一个叫作“耦合网络”的设备,耦合网络一般放在天线附近,有些厂家的耦合网络直接做到了天线内部,形成一个整体.耦合网络的原理图分别如图1-5和图1-6所示,图1-7示出了厂家提供的智能天线的实物照片.
图1-5耦合网络内部实现原理图
图1-6圆环阵天线耦合网络实现外观图
1.2室外功率放大器TMB
TMB是TD-SCDMANodeB的一个重要组成部分,本单元为基站收发信机和移动台提供了一个接收和发射的通道,对于接收来说,TMB具有低噪声放大功能,保证了整个NodeB接收通道的噪声系数；同时,TMB把基站发信机来的信号进行放大,保证了NodeB系统的覆盖距离.由于在TD-SCDMANodeB系统中要使用智能天线方案,所以本系统在提供基本要求的情况下还提供一部分通道校正的功能.
TMB除完成射频通道的信号放大以外,还和基站之间传送控制信号、检测信号以及电源信号.控制信号是基站发出的控制TMB收发通道工作时隙的开关信号；检测信号是TBDB单板把TMB的各种检测信号及告警信号传输给基站,以便系统能及时了解TMB的工作状况；电源信号是由基站提供给TMB内部各单板器件工作所需的直流电源.
TD-SCDMA系统按结构来分,分为室外单元和室内单元两部分,TMB属于室外单元部分,NodeB基站为室内单元部分.TMB在系统中所处的位置见图1-7,其一侧与室内单元的收发信机相连接,另一侧通过天线与移动台无线连接.
图1-7TMB在系统中所处的位置
TMB主要由以下几个单板或模块组成：
TLPU双向放大器单板、TBDB数字单板、TCFU腔体滤波器模块、TPBB电源模块以及信号防雷器及馈电防雷器.
一个TMB由四个射频通道组成,一般每扇区由八个射频通道,可以用两个TMB互连实现.TMB与基站的接口信号主要包括：
485开关信号、485通信协议信号、射频信号和直流电源.在现有版本中,485信号通过屏蔽电缆连接,直流电源通过馈电方式和射频信号一起通过射频电缆传送.
TMB的实物图及实现原理分别如图1-8和图1-9所示：
图1-8TMB实物内部结构及外观
图1-9TMB原理实现框图
1.3馈线
目前在通信线路上使用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤等等.天馈系统使用的是同轴电缆和软跳线,如图1-10所示.
图1-10馈线和软跳线
同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根内导线所组成的.柱体同导线用绝缘材料隔开,其频率特性比双绞线好,能进行较高速率的传输.由于他的屏蔽性能好,抗干扰能力强,通常多用于基带传输.
同轴电缆的参数指标：
1、主要电气参数v
（1）同轴电缆的特性阻抗：
同轴电缆的平均特性阻抗为50±2Ω,沿单根同轴电缆的阻抗的周期性变化为正弦波,中心平均值±3Ω,其长度小于2米.
（2）同轴电缆的衰减：
一般指500米长的电缆段的衰减值.当用10MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过8.5db（17db/公里）；而用5MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过6.0db（12db/公里）.
（3）同轴电缆的传播速度：
需要的最低传播速度为0.77C（C为光速）.
（4）同轴电缆直流回路电阻：
电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米（在20℃下测量）.
2、同轴电缆的物理参数
同轴电缆具有足够的可柔性,能支持254mm（10英寸）的弯曲半径.中心导体是直径为2.17mm±0.013mm的实芯铜线.绝缘材料必须满足同轴电缆电气参数.屏蔽层是由满足传输阻抗和ECM规范说明的金属带或薄片组成,屏蔽层的内径为6.15mm,外径为8.28mm.外部隔离材料一般选用聚氯乙烯（如PVC）或类似材料.
目前外场60m以下长度主馈线使用1/4"超柔馈线,长度60m以上使用1/2"普通馈线；跳线有1m、2m、5m长度,根据实际环境情况应用,型号为7d-fb.所有馈线、跳线接头都是用N型直头.具体技术指标如下.
思考题：
1.TD-SCDMA的天馈系统由哪几部分组成？
2.简述TMB的主要功能.
3.简述智能天线主要作用.
第2章天馈系统安装
由于天馈安装工程量相当大,制定切实可行的安装工程方案能够有效地保证安装的进度和质量.在天馈安装之前应做好以下工作：
Ø详细确定安装位置、安装方式、工作地连接方式,确定安装高度、安装体承受强度是否满足网络规划及合同要求.
Ø确定天馈防雷措施,如果安装避雷针需要确定防雷地线的接地方法.
Ø在任何公共、单位或个人所有的建筑上安装天馈系统,均应事先协调获得许可.
Ø进行实际天馈安装的人员应接受认真的培训,同时认真阅读操作说明,并应有督导人员参与监督.
Ø在实地进行天馈安装之前,应详细确定各种安装物料是否齐备,并对一些来料进行必要的性能测试.
Ø准备好制作电缆接头所需要的必备工具.
Ø准备天馈安装纪录表格,便于现场纪录安装情况.
天馈系统的安装流程如图2-1所示：
图2-1天馈系统安装流程
天馈系统安装流程中各附件安装顺序依次为：
基站天线、TMB室外单元、天线跳线、主馈缆、信号电缆、避雷器、接地卡等,具体见下图：
图2-2附件安装流程
下面依次对各附件安装过程中的注意事项加以说明：
2.1天线安装
天馈系统的天线可以安装在有围墙的楼顶,无围墙的楼顶,铁塔以及抱杆上.在正式安装天线前,需做好准备：
固定好各种支架、抱杆,并对铁塔,抱杆,走线架等进行一定的检查.天线的正确安装是确保覆盖区域通信性能好坏的一个重要方面,同时也是保证系统可靠工作的一个重要方面.安装时必须保证天线的正确指向,包括正确的天线下倾角、各扇区天线之间的夹角；同时,必须保证天线牢固,具备良好的抗风能力.
1、圆阵：
（1）抱杆高度必须低于天线本身；
（2）避雷针需要离开天线至少1.5m（避雷针尽可能细,采用另外的抱杆）；
（3）避雷针最高点需要根据避雷要求考虑,避雷针最高点与天线最高点夹角小于45度,整个天线在避雷区内；
（4）天线须处于环境的最高点（周围至少40-50m没有明显的反射物）；
（5）架设的时候尽可能垂直于地面；
图2-3圆阵智能天线安装示意图
2、线阵：
相对简单,如果是环铁架定向安装,则需要保证阵与阵之间的间距（最小距离）为2m以上,按要求下倾,避雷针安装在多个扇区所围成的区域中间；
如果是靠墙边安装,则各个扇区天线需要独立安装避雷针,此时的避雷针安装较简单,需要比天线最高端高1m以上,在后背板安装即可,避雷针尽量细一些.
2.2TMB室外单元安装
为提高系统性能,系统采用室外塔顶放大器单元TMB,TMB可以提高系统的接收灵敏度,扩大系统覆盖范围,改善通话质量.由于TMB箱体比较重,所以在吊装TMB时一定要作好安全措施,吊装工具经检验、齐全后方可使用.确保吊装工具牢固固定在可承重的固定物或墙上,方可进行吊装作业,防止TMB脱落危机人身安全.同时注意TMB要单独接地.
图2-4TMB安装实例
2.3馈缆安装
馈线必须正确安装,保证信号传输过程中损耗尽可能小,同时由于系统使用智能天线,基站与天馈系统之间的射频连接电缆比较多,比较容易错接,所以在连接馈缆和跳线时要正确按照相对应的关系连接.
2.4避雷器的安装
雷电除了对直接被击中的对象会造成极大的危害外,还会给落雷点附近较大的一片区域里的微电子设备带来严重影响.它是通过在馈缆、电源线、信号数据线及其它导体中感应生成的瞬间强电压使设备损坏.良好的避雷方案可以杜绝雷电从线缆上入侵,保护设备不受雷电产生的瞬态电流的损坏.常用的避雷方式是使用避雷器,具体做法是从基站天线引入机房的所有电缆都要串联避雷器,避雷器接至地线.避雷器根据使用不同可分为：
射频避雷器、电源避雷器以及信号线避雷器几种.ZXWRTB10系统使用的是馈电方式,其使用的防雷器主要包括馈电防雷器及信号防雷器,两种防雷器在室外都放在TMB内部,不再需要单独的安装.
2.5接地卡的安装
天馈安装过程中的天线、馈缆、铁塔和TMB室外单元都必须良好接地；基站工作接地应组成联合接地系统,接地电阻应小于5Ω.良好的接地是保证系统稳定可靠工作的前提,通常我们使用接地卡进行设备的良好接地.接地卡用来连接馈缆外导体和塔架或单独的导线柱,在遭遇雷电的情况下,提供电流到地的通道.一般要求在靠近天线的馈缆顶部、靠近塔底的馈缆末端、馈缆进入机房前须安装接地卡.对超过60m的馈缆,馈缆中间须接接地卡,接地卡示意图如图2-5所示.
图2-5接地卡示意图
图2-6线阵天线（天馈）系统
图2-7圆阵天线（天馈）系统
图2-8NodB机柜顶端走线图
思考题：
1.详细叙述智能天线的安装原则.
2.天馈系统的安装顺序是什么？
第3章智能天线选型
3.1站型选择
目前我司只有一款TD-SCDMA室内宏基站――ZXTRB30.
表3-1ZXTRB30指标
基站名称
ZXTRB30
工作电源
-48V（-40V～-57V）DC
双工方式
TDD
频率范围
2010MHz～2025MHz
载波带宽
1.6MHz
码片速率
1.28Mcps
射频信道栅隔
200kHz
天线类型
支持圆阵/线阵智能天线
最大容量
33载扇
用户最大数据速率
上行：
64kbps
下行：
384kbps
Iub物理接口
支持STM-1或E1接口
最大功耗
2200W（含塔放）
工作环境温度
-0℃~45℃（室内）；-35℃~55℃（室外）
工作环境湿度
5%~95%
结构尺寸
11200mm×600mm×600mm（高×宽×深）
重量
小于180kg
3.2智能天线参数的选择
3.2.1智能天线阵列类型选择
规则线形阵列ULA和规则圆形阵列UCA之间的比较如下表：
表3-2ULA和UCA对比
ULA
UCA
视角
最大视角是0－180度
0－360度
相位模糊
存在
不存在
天线增益
主瓣相对于旁瓣具有更高的增益
旁瓣幅度较大,主瓣相对增益较小
实用范围
扇区小区覆盖
全小区覆盖
现在与我司联系的天线厂家主要有：
摩比天线、海天天线、中山通宇和安德鲁.现在四个厂家所设计的天线主要针对2010～2025频段,也有包含2010～2025及1880～1920两个频段的天线.四个厂家的天线设计思想大致相似.
3.2.2智能天线性能参数
一个八阵元的圆阵／线阵智能天线的性能指标可以通过下表的参数来界定：
表3-3MB3G-CSA8-8圆阵智能天线性能指标
工作频段
2010–2025MHz
单元驻波比
<1.4
极化方式
垂直
阵元个数
8个,均匀分布在圆环内
单元增益
8dBi
单元垂直波束宽度（º）
15
单元垂直波束下倾角（º）
0~2
增益一致性（dBi）
≤0.7
相位一致性（°）
≤5
耦合器耦合度
<-20dB
天线隔离
≥16dB
输入阻抗（Ω）
50
任意一个天线口到校准口的幅度,相位差异
<0.7dB（幅度）
<5°（相位）
接头形式
N（F）
雷电保护
直流接地
表3-4西安海天线阵智能天线（HTZN18/2012015）性能指标
工作频段
2010–2025MHz
单元增益
14.5dBi
阵增益
1880～1920MHZ15dBi
2010～2025MHZ16dBi
驻波比
<1.5
极化
Vertical
6dB水平波束宽度（全向覆盖）
120度
3dB水平波束宽度（定向赋形）
0度赋形
12.5度
30度赋形
15度
55度赋形
20度
水平波束增益（定向赋形）
0度赋形
23.5dBi
30度赋形
22.5dBi
55度赋形
20dBi
垂直波束宽度
7度
垂直方向的旁瓣电平
<12dB
预制下倾角
0度
前后比
<25dB
三阶无源交调
<-107dBm
输入阻抗
50Ω
最大功率
500W
接头形式
N（F）
雷电保护
直流接地
表3-5常用的智能天线增益列表
单天线增益dBi
赋形增益dB
广播信道增益dB
8元线阵
15
0度：
9
15
4元线阵
15
0度：
6
15
8元圆阵
8
7
8
天线阵元数不同的天线性能不同,具体见系统仿真结果：
图3-1不同天线的系统仿真结果
1.如果采用多小区联合检测,6天线和8天线都能达到满码道工作,但四天线即使采用多小区联合检测也达不到满码道；当满码道工作时,6天线的小区半径相对8天线的小区半径约有20%的覆盖损失,每扇区6用户时,覆盖损失18%左右；采用MJD后,4天线上下行均可以达到6用户,但是相对于8天线MJD,上行覆盖损失48％,下行损失33％.
2.如果采用SJD,6天线不能达到满码道工作,而8天线可以满码道工作,这是由于天线赋形波束的原因.
3.6天线MJD单天线增益为17dBi的8用户下行覆盖半径比15dBi增加约19%,上行增加约17%.
4.如果采用6天线MJD,单天线增益变成17dbi时,上行覆盖半径比8天线MJD（15dBi）的上行小6.7%,下行覆盖半径比后者小3%.
在网规网优工作中,我们一般关心天线的增益、天线辐射方向图、水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度和下倾角度这几个参数.
水平、垂直波瓣3dB宽度是指在天线的水平面（垂直面）方向图上,相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度,定义为天线的水平（垂直）波瓣宽度.天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内,波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度.对于广播信道全向赋形,全向天线的水平波瓣宽度均为360度；定向天线的常见水平波瓣宽度有20度、30度、65度、90度、105度、120度、180度等多种.对于业务信道定向赋形,全向天线的水平波瓣宽度的理论值为35度；定向天线在0度赋形时水平波瓣宽度的理论值为12.6度,40度赋形时水平波瓣宽度的理论值为17度.天线的垂直波瓣宽度一般5～18度之间.定向赋形的水平波瓣宽度越小,天线的赋形增益就越大,但是有个极限,就是到达理论值时,有9dB的最大赋形增益.
天线口隔离：
理想的极化完全隔离是没有的,天线各个端口之间的隔离度应大于30dB.
下倾角：
圆阵智能天线可以进行电子下倾,但电子下倾度不是任意可调,一般是厂家预置,下倾角度在0-8度之间,线阵列尚不能进行电子下倾的调节,但可以进行机械下倾.
前后比：
主瓣最大值和后瓣最大值之比,典型值是25dB.
3.2.3智能天线性能参数选取原则
波瓣角度的选择：
天线的垂直波瓣宽度和下倾角决定基站覆盖的距离,而天线的水平波瓣宽度和方位角度决定覆盖的范围.水平波瓣宽度的选取：
基站数目较多、覆盖半径较小、话务分布较大的区域,天线的水平波瓣宽度应选得小一点；覆盖半径较大,话务分布较少的区域,天线的水平波瓣宽度应选得大一些.垂直波瓣宽度的选取：
覆盖区内地形平坦,建筑物稀疏,平均高度较低的,天线的垂直波瓣宽度可选得小一点；覆盖区内地形复杂、落差大,天线的垂直波瓣宽度可选得大一些.在城市适合65度的三扇区定向天线,城镇可以使用水平波瓣角度为90度,农村则可以采用105度,对于高速公路可以采用20度的高增益天线.
增益的选择：
天线增益是天线的重要参数,不同的场景要考虑采用不同的天线增益.对于密集城市,覆盖范围相对较小,增益要相对小些,降低信号强度,减少干扰.对于农村和乡镇,增益可以适度加大,达到广覆盖的要求,增大覆盖的广度和深度.公路和铁路,增益可以比较大,由于水平波瓣角较小,增益较高,可以在比较窄的范围内达到很长的覆盖距离.
图3-1几种水平波瓣宽度不同的天线方向性图
下倾角的选择：
圆阵智能天线可以进行电子下倾,但电子下倾度不是任意可调,一般是厂家预置,下倾角度在0~8度之间,线阵列尚不能进行电子下倾的调节.
3.3天线的挂高
表3-6站高选取原则表
区域类型
天线挂高
建筑物高度要求
密集市区
30~40m
不要选在比周围建筑物平均高度高6层以上的建筑物上,最佳高度为比周围建筑物平均高度高2~3层
市区
郊区
30~50m
不要选在比市郊平均地面海拔高度高很多的山峰上
农村
根据周围环境而定
3.4天线下倾角
基站定向天线的下倾能有效地降低蜂窝移动通讯系统的同频干扰和提高主瓣波束辐射能量在所覆盖小区内的利用率.已有的场强计算表明并不是天线的下倾角越大,蜂窝小区的载波干扰比（C/I）就越好,且天线下倾过大会引起水平方向性图发生畸变,小区的覆盖范围亦将随着天线的下倾而减小.
以天线主瓣的半功率角射线作为确定同频干扰是否被有效降低和辐射能量是否被有效利用的边界条件,建立了一个实用的表征天线下倾角动态范围的关系式,以期能从某个侧面来定性的说明和定量的解决
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