4G/5G定向天线阵列和载波功率控制

ABC2019

4G/5G采用定向天线阵列，取代智能天线。

每根定向天线阵列，有若干个指向不同区域的定向波束，对目标区域进行覆盖。波束之间有部分重叠覆盖。
例如采用4*8，垂直方向4个，水平方向8个，总共32个定向波束，对水平65度扇区，半径2公里的目标区域进行覆盖。
例如采用3*6，垂直方向3个，水平方向6个，总共18个定向波束，对水平65度扇区，半径2公里的目标区域进行覆盖。
例如采用2*4，垂直方向2个，水平方向4个，总共8个定向波束，对水平125度扇区，半径5公里的目标区域进行覆盖。
波束越多、覆盖扇区越窄、半径越小，波束密度越大，天线阵列成本越高，适合于热点区域；
波束越少、覆盖扇区越宽、半径越大，波束密度越小，天线阵列成本越低，适合于低流量区域。
根据目标覆盖区域的业务需求，选择合适的天线。同一个基站针对每个覆盖方向的天线阵列，可以不相同。


智能天线波束由多根天线干涉产生（同相位叠加的信号增强，反相位叠加的信号削弱），有很大一部分能量被浪费掉（弱信号方向不是没有发射能量，而是反相位能力叠加削弱信号强度）。定向天线阵列与智能天线不一样，每一个定向波束，都是由一个定向天线产生，能量集中到波束方向，在其它方向没有能量损耗。根据波束指向区域的通信需求，加载需要的载波。波束指向没有终端的，只采用少量载波，发射基本的网络广播信号。天线阵列的耗电量，比智能天线要小得多，特别时轻载和空载的区域，耗电量随载波数量减少，大幅度下降。

定向天线阵列的另一个好处是，波束指向和覆盖区域是固定不动的。覆盖区域距离基站近的波束，可以降低发射功率；覆盖区域距离基站远的波束、或者需要穿透墙壁和障碍物的波束，提高发射功率。每一个波束，都可以配置不同的发射功率。波束固定不动，方便配置和管理。通过对不同波束的功率配置，可以降低近距离覆盖的波束的功率和信号强度，降低干扰，提高频率资源复用率；可以提高远距离和深度覆盖波束的功率，提高覆盖半径和信号穿透能力。终端功率控制要简单得多，每个终端，都是可以独立控制发射功率和信号强度的。根据距离基站的远近和信号传输损耗，自动调整发射功率。智能天线波束随用户移动而移动，配置和管理起来，要困难得多。

终端在定向天线阵列覆盖区域内，终端接收到基站发射的下行波束，位置不一样，接收到的主波束（最先到达信号强度较高的为主播束，处于多个波束重叠覆盖区，可能会有几个主播束）和反射折算波束不一样（信号延迟到达信号强度较大的反射折射波束），终端由此可以定位自己的位置，向基站反馈。基站根据终端发射的上行信号来向、反馈的位置信息、接收到波束和多径信号情况，判断终端所处的位置，在覆盖该区域的下行波束上，加载指向该终端的下行载波。随着终端移动，上行信号来向、终端接收到的主播束以及反射折设波束发生变化，基站根据上行反馈，动态调整。

上行信号通过反射折射，在多个波束上都接收到上行信号，可以做接收分集，MIMO。根据信号到达时间和强度，判断终端所处的区域，结合终端移动速度，动态调整发射下行信号的波束。需要时，可以在多个波束上同时发射信号（终端高速移动时，同时在相邻波束和终端移动方向上的多个波束发射下行信号，保证信号稳定可靠接收；终端处于重叠覆盖区接收到多个信号强度都比较高的波束信号，选择1个，或者2个，或者3个信号强度最强的波束发射下行信号）。终端接收到多个定向天线的信号、折射反射的信号，可以做分集接收，MIMO。

一个基站内相互之间没有干扰或者干扰很小的波束覆盖区域（水平方向不同并且有足够的隔离度、垂直方向不同并且有足够的隔离度），相邻基站相互之间没有干扰或者干扰很小的波束覆盖区域（波束指向不同，波束覆盖区域不同，并且有足够的隔离度），可以复用频率资源。相互之间有干扰的波束（同一个基站有重叠覆盖的、通过反射折射有干扰的，小区边缘相邻基站对同一个目标区域都有信号覆盖的），广播信号载波采用不同的频率，错开干扰；数据信号载波被一个波束占用时，相互之间会产生干扰的其它载波，不能使用相同频率，避免产生干扰。广播信号载波可以静态或者半静态配置，由于波束是固定不动的，非常容易配置，可以完全避开干扰。两个相邻基站，即使有大部分区域重叠覆盖，因为广播信号载波采用不同频点，也可以避免相互干扰。数据信号载波通过基站以及基站之间的干扰协调，进行动态调度，避开干扰。需求大的波束，多分配一些频率资源；需求少的基站，少分配一些频率资源，根据需求动态调度。通过这种调度机制，以及波束功率控制，相邻机制即使有比较大的重叠覆盖区域，也没有关系。例如相邻基站都配置了2.1G、1.8G、900M的信号，2.1G信号基本实现连续覆盖，1.8G信号会有一些重叠覆盖，900M信号会有比较多的重叠覆盖。通过广播信号载波的配置避免相互之间产生干扰、数据信号载波的动态调度避免相互之间产生干扰、以及波束发射功率的控制，可以有效避免相邻基站重叠覆盖区域的相互干扰，并且可以提高频率资源复用率，随业务需求调度到需要的基站。

采用FDD制式，上行和下行频率解耦，可以自由搭配使用，例如3.5G下行+2.1G上行，3.5G下行+1.8G上行，2.1G下行+1.8G上行。上行和下行都按需求分配频率资源，看视频的终端，分配的下行频率多，上行频率少；视频上传的终端，分配的上行频率多，下行频率少，精准匹配业务需求。由于不涉及TDD的上行和下行转换，可以避免干扰和消耗；频率资源灵活分配，精准匹配业务需求。TDD上行和下行时隙分配是相对固定的，同一基站、相邻基站，所有终端保持一致。灵活度比FDD差得多。复杂度，比FDD高得多。

TDD通过开关切换上行和下行，看似简单，实际上，所有终端其实都需要支撑FDD，相比单纯的FDD，为了支撑TDD，反而要多出切换开关，多出一堆复杂的处理工作。