TD-SCDMA天馈系统工程设计的探讨

admin

    0  前言
    移动通信中天馈系统所占的投资尽管很少，但却极大地影响了无线网络质量、运营维护工作量和工程建设进度。
    智能天线技术是目前TD标准的必选技术，也是其具有优势的核心技术之一。TD系统很多物理层方面的设计（如帧结构），就是依赖智能天线实现的，如果不采用智能天线，整个TD系统标准必须重新设计。和其他移动通信制式相比，TD-SCDMA在天馈系统方面有很大的特殊性，如天线尺寸大、馈线多、外挂塔顶功率放大器（简称塔放），有人将其形象地比喻为：“三面风帆，一把胡子，一堆瘤子”。TD-SCDMA天馈系统的特殊性是由TD的核心技术（即智能天线）所决定的。目前看来，要彻底改变TD-SCDMA天馈系统的特殊性（即和其他移动通信系统一样，缩小天线尺寸、减少馈线数量、塔放置于室内机架内）是不现实的。
    为了促进TD技术的产业化进程，中国移动、中国网通和中国电信3家运营商分别在厦门、青岛和保定进行了TD-SCDMA规模网络技术应用试验项目的建设。在网络建设和工程设计中，一定要认真研究TD-SCDMA天馈系统的特点，充分发挥其技术优势，尽量减少对站址获取和工程建设所带来的负面影响。
    1  智能天线的选择
    TD-SCDMA首先在其系统中应用了智能天线技术，并作为其必选核心技术之一。智能天线技术的应用能有效降低干扰，提高系统容量和频谱效率，是TD系统的主要技术优势之一；但也带来了相应的问题，如天线尺寸偏大、天线种类单一等。安德鲁平板智能天线的内部结构图，其内部结构主要有一块铝合金背板，上面加装了8行（每行8块）铝合金贴片，然后外面加装天线罩。绿色的一行为一个天线阵元，其中的一个贴片为一个阵子。
    智能天线的高度取决于天线阵元的增益（天线阵元的增益取决于阵子的数量），宽度取决于天线阵元的数量，如果要减少智能天线的尺寸，必然会减少智能天线的增益。目前常规定向智能天线有8个天线阵元，单天线阵元的增益是15dBi。如果天线阵元从8个减少到6个，天线宽度可以减少约1/4；如果天线阵元从8个减少到4个，天线宽度可以减少约1/2。智能天线增益（下行）包括2个部分，即多天线功率叠加增益（10lgN）＋赋形增益（10 lgN）＝20 lgN（N为阵元数量）。如8阵元天线的增益为多天线功率叠加增益＋赋形增益＝10 lg8+10 lg8=18 dB。因此减少阵元数量不仅减少了赋形增益，还减少了多天线功率叠加增益。同时由于阵元数量的减少，智能天线的波束赋形宽度会增加，隔离空间干扰（空域滤波）的能力会降低，从而不仅对系统的覆盖产生影响，对系统的极限容量也会带来影响。因此不建议将6阵元以下的智能天线作为普遍覆盖使用，但可以作为补点等用途。在一些特殊的场合（如山凹、小村镇或半封闭区域等），高增益天线不能发挥有效作用，那么可以减少天线增益，缩小天线尺寸；在一些工程要求比较特殊，无法安装大尺寸天线的情况下，权衡利弊，也可以通过牺牲网络性能来减少天线尺寸，如采用6阵元天线、4阵元天线等。
    和普通天线相比，智能天线有其特殊性，例如天线增益和水平半功率角并不是固定的，在不同的条件下有不同的数据。定向8阵元的智能天线尺寸为1347mm×647.6mm×79.5 mm，最大迎风面积为0.467 m2, 而一般天线的最大迎风面积在0.2~0.3 m2之间。因此，在塔桅工艺中应注意天线的风荷问题。
    目前，定向智能天线只能机械调倾角，就技术而言，厂家认为电调倾角是可以做到的，但因为智能天线由多个天线阵元组成，必须对每个阵元进行电调倾角，且8个阵元相位调整要完全一致，这样天线成本将会大幅度上升。尽管电调倾角不容易做到，但电子预倾角还是可以做到的。根据网络设计要求，在天线出厂之前可以设计好天线的电子下倾角。
    全向智能天线必须尽量安装在铁塔或桅杆的顶端，四周近距离内不能有阻挡，尽量不要安装在铁塔或桅杆的侧面，否则会严重干扰智能天线的正常工作。
    2  馈线和塔放的选择
    TD的智能天线有多少天线阵元，就必然有多少馈线，还要加上控制/电源线、校准电缆、GPS馈线等。正常情况下，三个扇区有（8+1+1）×3+1=31根线缆。在不可能减少线缆的情况下（除非减少天线阵元，降低天线增益，牺牲网络性能），一些厂家可以提供集束电缆，即将9根电缆捆绑在一起，物理上成为一根电缆，但线径是原先的9倍（1.25in），价格约为9根非集束电缆的1.3倍。由于线缆变粗变硬，弯曲半径有所增加，将增加工程布放走线的难度。
    电缆线径是和电缆损耗相对应的。线缆越粗，其百米损耗越少，但价格也越贵。馈线弯曲半径大、柔韧性好，价格就高。因为线缆数量较多，为了易于工程布放，有时候需要选择更柔软的线缆。以安德鲁厂家的馈线为例。
    例如，厂家要求塔放到天线口的损耗不大于1dB，那么，7/8″馈线可以布放15m，1/2″馈线能布放5.6m，1/4″馈线只能布放3.5 m等。但对于TD-SCDMA系统而言，由于馈线多，走线空间有限，不可能使用7/8″以上的馈线，只能用1/2″以下的馈线，而且馈线的柔韧性要好。在工程设计中，应注意馈线的选择，在馈线的线径、柔韧性（弯曲半径）、百米损耗及成本之间取得最佳平衡；同时，由于馈线多，应特别注意线缆铺放的通路，如走线架的宽度是否够，管井是否有足够的空间等。
    TD-SCDMA系统中的塔放具有其他移动通信系统中的下行功放和上行低噪声放大器的两种功能。在WCDMA和CDMA2000系统中，每个扇区对应一个功放，额定功率在20~40W之间；而TD-SCDMA系统中由于采用了智能天线技术，塔放数量和天线阵元数量是相一致的，通常的智能天线有8个天线阵元，那么每个扇区对应有8个塔放。目前厂家将8个塔放集合在2个物理实体，因此看起来一个扇区只有2个，实际上每个包含了4个塔放。
    在CDMA系统中，功放价格很贵，在NodeB硬件成本中占了很大比例。而在TD-SCDMA系统中，由于选用了智能天线技术，大大提高了系统的增益，因此选用了小功率的功放，额定功率一般在1~2W。因为小功率功放的成本很低，所以一些厂家认为TD-SCDMA系统具有成本优势。
    在一些特殊场合（如室内楼宇的覆盖），由于不能采用智能天线，那么有必要采用功率大点的功放。否则，放大器功率太低，只有增加干线放大器来满足大面积楼宇的覆盖要求，不利于多系统的共路。例如，大唐移动计划近期提供1，2，3，6W等不同功率等级的微蜂窝设备。
    3  天馈系统的工程设计
    天线、馈线及连接器、塔放等构成了一个完整的TD-SCDMA天馈系统，其主要功能是将信号能量按要求发射传播出去。天馈系统是一个有机整体，各射频单元是相互依赖、相互影响的。为了满足系统的整体性能要求，各个射频单元必须符合一定的指标要求。
    为了确保天线口的有效发射功率，必然会对智能天线的增益、塔放额定功率以及跳线接头损耗提出指标要求。一般情况下，塔放应尽可能地接近天线底端，减少天线口与塔放之间的跳线接头损耗，其损耗应控制在1dB以内。天馈系统各种射频单元的损耗、增益可以相互弥补、相互替换，但实现增益、减少损耗的成本和收益是不尽相同的。从技术上说，塔放可以下移，通过提升功率来弥补馈线的损耗。例如，塔放下移50m，采用1/2″超软馈线后，其跳线接头损耗是8dB，为了弥补损耗，塔放功率必须提高7 dB，塔放额定功率必须从2 W提升到10 W。那么，这么多数量的大功率塔放（整个系统有24个），其成本将是非常昂贵的。而且，不像CDMA系统那样对功放性能指标要求严格，TD塔放的效率也很低，甚至少于5%；这么多大功率的塔放，其散热也是个大问题。
    以上还仅是从下行方面来分析，塔放不仅起到了下行功放的作用，上行也起到了低噪声放大器的作用。如果塔放离天线口过远，馈线带进来的损耗过大，就起不到低噪声放大的作用了。因此，在工程设计上，为了提高天线有效发射功率，发挥低噪声放大器的作用，确保网络覆盖范围，塔放必须上移，尽量接近天线口。塔放下移，用塔放的功率提升来弥补馈线的损耗，或采用粗馈线减少损耗，在理论技术上是可行的，但成本会大幅度上升，工程实施难度也会大幅度增加，将得不偿失的。
    塔放是有源器件，和无源器件相比，更容易出故障，因此，塔放的安装位置一定要考虑到今后维护的方便性。例如在铁塔上，塔放应尽量安装在维护平台内，而不是伸出去的抱杆上。
    天线和室内机架之间的校准电缆、塔放和室内机架之间射频电缆的损耗应控制在20dB以内，因此，当电缆长度小于60m时，建议采用1/4″电缆；当电缆长度大于60m时，应采用1/2″电缆。塔放对电源的要求为-48 V±10%，最低电压不得低于-36 V，因此控制/电源线应符合此要求，线径一般在25 mm以上。
    在铁塔桅杆的工艺设计中，应注意TD-SCDMA天馈系统的特殊性，注意馈线的布放、塔放的安装等。与其他移动通信系统相比，TD-SCDMA系统天线的最大迎风面积大了一些，8阵元定向智能天线的最大迎风面积为0.467m2，而普通天线最大迎风面积为0.2~0.3m2；由于线缆多、塔放外挂，也相应地增加了铁塔桅杆上的负荷。
    以上提供的一些数据仅起举例示范作用，不同的厂家会有区别，随着技术的发展也会发生变化。设计人员在工程设计中，应和设备厂家交流沟通，以厂家提供的数据为准。
    4  存在的问题
    因为TD-SCDMA系统使用了智能天线技术，所以和GSM、CDMA等其他移动通信系统相比，TD-SCDMA天馈系统具有特殊性。尽管智能天线技术是TD-SCDMA核心优势技术之一，但从工程建设角度而言，和其他系统相比，TD-SCDMA天馈系统存在以下一些问题。
    4.1工程建设难度增加，站址获取困难
    其他移动通信系统的天馈系统已经很成熟了，而且有很多优化天馈系统的手段。例如，目前有CLEANSITE的概念，GSM900MHz、GSM1800MHz，甚至WCDMA3个系统的3种天线可以合成一根双频段，甚至3频段天线（物理上是一根天线，实际上三种天线合在一起）；一个基站3扇区3根双极化天线可以合成物理上一根粗一点的全向天线。为了不招致社区百姓的反对或者适应周围景观，天线有很多隐蔽或美化措施。TD-SCDMA天馈系统在这方面还有很多工作要做。
    4.2运营维护工作量将大幅度增加
    其他移动通信系统的天馈系统大多由无源器件构成，维护的工作量不大，运营商基本上将这部分维护工作外包给了第三方。TD-SCDMA天馈系统包含了有源器件，即外挂的24个塔放（集成6个）。有源器件出故障的概率远大于无源器件。塔放出故障，技术人员必须爬到铁塔或桅杆上进行更换、维护，这对技术人员提出了更高的要求。除了外挂的塔放外，TD-SCDMA天馈系统有31根线缆及相应的接头，出故障的概率也相应增加了。这些都将大大增加维护的工作量和维护的难度。
    4.3灵活覆盖方式受到限制
    其他移动通信系统可以利用天馈系统组合出多种灵活的覆盖方式，天线类型众多，适应不同覆盖场合的需要。例如，高速公路覆盖可以采用窄波束高增益天线。WCDMA中使用的OTSR就是一种天馈系统的覆盖方式，采用全向发、定向收的形式，改善上行链路增益。TD-SCDMA系统的智能天线种类过于单一，天线供应商也不多，大大限制了在网络建设中可以采用的灵活覆盖方法。当然，从理论上说，TD智能天线可以赋形多种波形的天线，一种天线即可以替代其他系统的多种性能指标的天线。
    总之，和另外两种3G移动制式相比，TD-SCDMA的产业成熟度还有一些差距，仍存在不少问题。随着TD-SCDMA系统的不断发展，相信很多问题会在发展中得以改进、完善。例如，目前一些TD厂家正在研发射频光纤拉远设备，即从室内机架到塔放采用光纤来传输数字中频信号。中兴通讯预计2006年6月即能提供射频拉远设备。射频拉远设备将是对目前TD-SCDMA天馈系统的一个巨大改进，它只保留了天线到塔放的射频电缆，而塔放到机架的电缆将由光纤代替。
    作者：朱东照  汪丁鼎