（无线电物理专业论文）tdscdma系统中智能天线的研究和应用.pdf

摘要 摘要 本文对时分双工同步码分多址( t d s c d m a 面m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统的智能天线技术进行了全面、深入的研究。对 系统的无线传输技术进行了整体的描述，建立了完整的码片级仿真模型和仿真链 路。针对t d s c d m a 系统的关键技术一智能天线技术进行了理论分析和仿真验 证，从链路和系统角度全面评估了智能天线系统的性能。提出了适于t d s c m d a 系统的智能天线算法并考虑了在具体实现中的应用。提出了扇区化智能天线系统 的概念和边缘干扰问题，给出了扇区波束的优化原则和解决边缘干扰问题的两种 信道分配策略。 本文的主要工作包括： 1 在参考了国内外大量测量结果和信道模型的基础上，建立了一种适于 t d - s c d m a 系统智能天线仿真的空时信道模型。该模型包含了空时信道模型 的基本特征和主要特征，特别是角度扩散特性和相关衰落特性。信道模型的参 数综合了国内外大量测量结果，保证了模型的精确性和完备性。此外，该模型 的时延功率谱( p d p ) 采用了3 g p p 的时延谱特性，保证了t d s c d m a 系统 信道模型的继承性。 2 建立了完整的t d s c d m a 系统上行链路的等效低通离散时问系统模型，在此 基础上建立了完整的t d s c d m a 系统物理层仿真链路。从空间处理( 波束赋 形) 、空时处理( 空时最大比合并) 和输出信噪比特性的角度分析了空时波束 赋形( s t j d s p a c et i m ej o i n td e t e c t i o n ) 算法的性能和特点。首次引入了方 向性干扰模型，仿真了考虑干扰抑制和不考虑干扰抑制的空时联合检测算法的 性能。该仿真结果对于t d s c d m a 上行处理算法的设计或选择有重要的参考 意义。 3 在传统的s t e i n e r 信道估计器的基础上改进了t d s c d m a 系统的信道估计方 法，该方法在一定程度上抑制了噪声对信道估计的影响。在信道估计的基础上， 提出了三种改进的干扰空间协方差估计的方法，即后处理方法、基于m i d a m b l e 码的干扰消除方法和基于数据段的干扰消除方法。同传统的空窗估计方法相 比，后处理方法和基于m i d a m b l e 码的干扰消除方法性能有明显改善。 4 首次提出了码片级( 用户缴) 波束赋形和符号级( 码道级) 波束赋形的概念并 仿真了t d s c d m a 系统中两者的差别。分析了t d s c d m a 系统下行的智能 t d - s c d m a 系统中智能天线的研究和应用 天线算法一发射波束赋形算法，分析了各种发射波束赋形的准则、算法和实现 方式。提出一种优化的终端联合检测方法，改方法能够明显提高终端检测性能。 同传统的联合检测算法相比，优化的联合检测算法适当的选择参与联合检测的 用户，避免了传统联合检测算法对噪声的恶化。 5 首次建立了针对t d s c d m a 系统的的智能天线系统仿真模型，在该模型中建 立了t d s c d m a 系统上下行智能天线算法模型并引入了环绕式小区结构，在 建立系统仿真模型的基础上，统计了t d s c d m a 系统外小区干扰的方向性特 点，该结论是上行干扰空问协方差矩阵应用的理论基础。分析了上、下行干扰 协方差矩阵的差别并给出了利用上行干扰协方差矩阵进行下行发射波束赋形 的仿真结果，该结果对基于干扰抑制的发射波束赋形算法实现有着重要的参考 意义。此外给出了不同情况下智能天线的性能仿真结果。 6 扇区化是蜂窝系统重要的覆盖方式，基于这种考虑提出了一种t d s c d m a 系 统实现扇区化智能天线的方法一扇区化智能天线( s s a s e c t o r a ls m a r t a n t e n n a ) ，该方法有效的解决了 1 1 3 s c d m a 系统智能天线扇区化问题。并提 出了广播信道覆盖波束的优化准则，在该准则下，扇区间的干扰被最大程度的 抑制。分析了扇区边缘的干扰问题和t d s c d m a 系统的重码现象，基于 t d s c d m a 系统的特点提出了两种抑制扇区化智能天线边缘干扰问题的策略 一时隙分配方法和信道化码分配方法。两种方法都是基于用户来波方向( d o a d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 估计的动态信道分配( d c a d y n a m i cc h a n n e l a l l o c a t i o n ) 技术，其中，时隙分配策略有效解决了扇区边缘干扰问题，使不 同区域用户的性能趋于均衡；信道化码分配策略有效解决了t d s c d m a 系统 的重码问题。 关键词；t d s c d m a 智能天线空时联合检测发射波束赋形扇区化智 能天线 t h e t e c h n o l o g y o fs m a r ta n t e n n ai nt h et d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) s y s t e mi sc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e e p l y s t u d i e d t h er a d i ot r a n s m i s s i o no fs y s t e mi sd e s c r i b e dw h o l l ya n dt h ew h o l es i m u l a t i o n m o d e la n ds i m u l a t i o nl i n ki ss e tu p t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fs m a r t a n t e n n a , w h i c hi sak e yt e c h n o l o g yo ft d - s c d m a , i sm a d ea n dp e r f o r m a n c eo fs m a r t a n t e n n as y s t e mi se v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l yf r o mt h ep o i n to fl i n kl e v e la n ds y s t e m l e v e l s m a r ta n t e n n aa l g o r i t h m sf i tf o rt d s c d m aa r ep r o p o s e da n dt h e i ra p p l i c a t i o n s a r ea l s oc o n s i d e r e d t h ec o n c e p t so fs e c t o r i a ls m a r ta n t e n n aa n de d g ei n t e r f e r e n c e sa r e p r o p o s e d t h eo p t i m u mp r i n c i p l eo fs e c t o r i a lb e a ma n dt w oc h a n n e ld i s t r i b u t i o n s c h e m e st os o l v et h ee d g ei n t e r f e r e n c ea l ei l l u s t r a t e d t h ea u t h o r sm a j o rc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 as p a c e - t i m ec h a n n e lm o d e lu s e df o rs m a r ta n t e n n as i m u l a t i o ni nt d s c d m a s y s t e mi sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e do np l e n t i f u lp u b l i s h e dm e a s u r e m e n tr e s u l t sa n d m o d e l s b a s i ca n dm a i np r o p e r t i e so fs p a c e t i m ec h a n n e l ，e s p e c i a l l ya n g u l a rs p r e a d a n dc o r r e l a t e df a d i n ga r ei n c l u d e di nt h em o d e l p a r a m e t e r su s e di nt h em o d e la r e s u m m a r i z e df r o mam a s so fp u b l i s h e dm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，w h i c ha s s u r e st h e m o d e lp r e c i s ea n dm a t u r e t h ep o w e rd e l a yp r o f i l ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e li s t h es a m ea st h a tr e c o m m e n d e db y3 g p p , s ot h ec o n s i s t e n c yo ft h et d - s c d m a m o d e li se n s u r e d 2 ad i s c r e t et i m es y s t e mm o d e lo ft h et d s c d m aa i ri n t e r f a c ei sd e s c r i b e di nt h e e q u i v a l e n tl o w p a s sd o m a i n b a s e do nt h em o d e la l li n t e g r a t e dp h y s i c a ll a y e r s i m u l a t i o nl i n ko ft d - s c d m ai ss e t u p t h eu p l i n ks t j d ( s p a c e - t i m ej o i n t d e t e c t i o n ) a l g o r i t h m si sa n a l y z e dw i t hi t ss p a c ep r o c e s s i n g , s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g a n do u t p u ts n rp e r f o r m a n c ec o n s i d e r e d ad i r e c t i o n a li n t e r f e r e n c em o d e li s i n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hi n t e r f e r e n c ec o n s i d e r e d a n dn o tu n d e rd i f f e r e n ti n t e r f e r e n c ec a s ea r eg i v e nw h i c ha r ci m p o r t a n tt ot h e d e s i g no rs e l e c t i o no ft d - s c d m au p l i n ka l g o r i t h m s 3 a ni m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nc o n v e n t i o n a ls t e i n e re s t i m a t o ri s p r e s e n t e dw h i c hc 卸d e p r e s se f f e c to fi n t e r f e r e n c ea n dn o i s eo ne s t i m a t o r t h r e e i m p r o v e di n t e r f e r e n c es p a t i a lc o v a x i a n c em a t r i x e s t i m a t i o nm e t h o d s ，n a m e l y , t d - s c d m a 系统中智能天线的研究和应用 p o s t p r o c e s s i n gm e t h o d ，m i d a m b l es i g n a lc a n c e l l a t i o nm e t h o da n dd a t as i g n a l c a n c e l l a t i o na r ep r o p o s e d t h ef r o n tt w oi m p r o v e dm e t h o d sg i v eb e t t e r p e r f o r m a n c ea n dt h el a s t o n ep e r f o r m sb e t t e ro n l yu n d e rl o ws n rs c e a r i o c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a li d l ew i n d o w sm e t h o d 4 c o n c e p t so fc h i pl e v e lb e a m f o r m i n g ( f o ru s e r ) a n ds y m b o ll e v e lb e a m f o r m i n g ( f o r c o d ec h a n n e l ) a g ef i r s t l yp r o p o s e da n dt h e i rd i f f e r e n c ei ss i m u l a t e di nt d - s c d m a s y s t e m t h ed o w n l i n ka l g o r i t h mo ft d s c d m a , n a m e l yt r a n s m i tb e a m f o r m i n g a l g o r i t h m ，i sa n a l y z e da n dd i f f e r e n tc r i t e r i a , a l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o n so ft r a n s m i t b e a m f o r m i n ga r es i m u l a t e d a no p t i m u mm u l t i - u s e r d e t e c t i o na p p r o a c hf o r t d - s c d m at e r m i n a l sh a sb e e n p r o p o s e d w h i c hg i v e sb e t t e r p e r f o r m a n c e c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lj dm e t h o d sa n ds i m p l i f i e dj dm e t h o d s 5 s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt d s c d m as t a n d a r dh a sb e e nb u i l t i nt h e m o d e lt h es m a r ta n t e n n am o d e l sw i t hd i f f e r e n tc r i t e r i af o rt d - s c d m a u p l i n ka n d d o w n l i n kh a sb e e ns e tu pa n dt h ew r a p a r o u n dm o d e li si n t r o d u c e d c h a r a c t e r i s t i co f u p l i n ki n t e r - c e l li n t e r f e r e n c eo ft d - s c d m as y s t e mi ss i m u l a t e dw h i c hi st h eb a s i s f o ra p p l i c a t i o no fs p a t i a lc o v a r i a n c em a t r i x t h ed i f f e r e n c eo fs p a t i a lc o v a r i a n c e m a t r i xb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n kh a sb e e na n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e i m p o r t a n t r e f e r e n c e sf o r a p p l i c a t i o n o f t r a m s m i t b e a m f o r m i n gm e t h o d sw i t hi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ne r e t e r i t i o n s y s t e ms i m u l a t i o n r e s u l t so fs m a r ta n t e n n au n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa r eg i v e n 6 s e c t o r i z a t i o ni s e x t e n s i v e l yu s e di n c e l lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s as c h e m e c o m b i n e ds m a r ta n t e n n aa n ds c c t o r i a ia n t e n n ai sp r o p o s e dw h i c hi sa l le f f e c t i v e m e t h o dt or e a l i z es e c t o r l z a t i o nt o g e t h e rw i t hs m a r ta n t e n n a a no p t i m i z a t i o n c r i t e r i o no fm i n i m i z i n gi n t e r - s e c t o ri n t e r f e r e n c es u b j e c tt oa l li n - s e c t o rp a t t e r n r i p p l ec o n s t r a i n ti sg i v e n i n t e r - s e c t o ri n t e r f e r e n c ea te d g e sb e t w e e na d j o i n ts e c t o r s a n di l kc o d ep h e n o m e n o no ft d s c d m a s y s t e m s a r ea n a l y z e d t w od c am e t h o d s b a s e do nd o ae s t i m a t i o na l ep r o p o s e dt os u p p r e s se d g ei n t e r f e r e n c e s t i m es l o t a l l o c a t i o nm e t h o d sc a re f f e c t i v e l yc o m b a tm a ia ts e c t o re d g e sa n dt h e nb a l a n c e s p e r f o r m a n c e so fu s e r sa td i f f e r e n ta r e a ；c h a n n e l i z e dc o d ea l l o c a t i o nm e t h o dc a n e f f i c i e n t l yd e p r e s st h ei n f e c t i o no fi l k c o d ep h e n o m e n o no f t d s c d m a s y s t e m k e y w o r d s ：t d s c d m a ； s m a r ta n t e n n a ； s p a c e - t i m ej o i n td e t e c t i o n ； t r a n s m i tb e a m f o r m i n g ；s e c t o r i a ls m a r ta n t e n n a 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示了谢意。 日期：逊生墅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规 定) 本 答名苫拶襞 本人签名：鱼! ：竺奎 导臌名：董叠堇 导师签名： 暨! 王幺 日期：丝堕：! 兰：堕 日期：丝：! 兰：! ! 第一章绪论 第一章绪论 本章作为全文的绪论介绍了本课题的研究背景和意义，阐述了本文所研究问 题的国、内外进展情况，并介绍了本文的结构安排和作者的主要贡献。在1 1 节 介绍了本课题的研究背景和意义；在1 2 节介绍了t d s c d m a 标准的特点，帧结 构和关键技术；在1 3 节介绍了本文研究的主要技术一智能天线技术的进展情况： 最后在1 4 节给出了全文的结构安排和作者的主要贡献 1 1 研究背景和意义 随着移动通信用户的迅速增加和对通信业务需求的不断提高，第三代移动通 信系统的标准化和产品开发工作在全球范围内广泛展开。同以语音业务为主的第 二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统将提供音频视频多媒体、无线电子 邮件、网页浏览以及电子商务等高数据速率业务。因此，第三代移动通信系统要 求更高的系统容量。由于电磁资源的有限，频谱资源十分珍贵，因此通过直接增 加带宽进行系统扩容的可能性越来越小，因此，如何更有效的利用现有的无线频 谱资源成为第三代移动通信技术的重要研究课题。 我国的t d - s c d 姒无线通信标准是中国首个正式的移动通信标准，也是目前国 际上广泛研究的3 种第三代移动通信标准一w c d m a “棚、c d m a 2 0 0 0 “2 ”和t o s c d m a “捌 之一。对于第三代移动通信系统，国际电信联盟( i t u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m u n - i c a t i o nu n i o n ) 称之为i m t 一2 0 0 0 “一。欧洲电信标准协会又将其中的一种制式称 作u m t s ( 通用移动通信系统u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m u n i c a - t i o ns y s t e m ) 。 在i t u 的组织下，全世界的各大通信设备制造商均以非常高的热情迸入到制定第三 代移动通信标准的活动中。 i t u 对第三代陆地移动通信系统有一个基本的要求即在室内、室外及移动三种 环境下，支持话音和各种多媒体数据业务( 速率最高达2 m b s ) ，使用高质量、 高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及实现全球兼容的核心网络“1 。第三代 移动通信是从现有的第二代移动通信的演进和发展，而不是完全重新建设一个新 的移动通信网；初期主要业务仍然是话音业务，数据业务将逐渐增加；数据业务 将主要是因特网所需的不对称的、基于包交换( i p ) 的业务。 在1 9 9 9 年1 1 月5 日结束的i t ut g8 1 第1 8 次会议上通过的输出文件 2 t d s c d n i a 系统中智能天线的研究和应用 j _ _ _ _ = e = e = = = = = ! = = = = j = = = e = 自= e t 目e 目e 目j j 日- e = 目目_ | _ _ e j _ 。 i m t _ r s p c “，标志着第三代移动通信标准的基本定型。第三代移动通信系统确立 了三类共五种无线传输技术( r t t ) ，其中两种t d m a 技术s c - t d m a ( 美国的 u m c 一1 3 6 ) 和m c t d m a ( 欧洲的d e c t ) 、两种c d m a - f d d 技术d sc d i a ( w - c d m a ) 和m cc d m a ( c d 姒2 0 0 0 ) 、一种c d m a - t d d 技术( 包括t d s c d m a 和u t r a t d d ) 。 图i i 第三代移动通信的传输技术 其中时分双工，同步码分多址( t d - s c d m a ) 技术标准是中国提出的、具有自 主知识产权的移动通信标准。无线传输技术是决定系统性能和容量的关键技术， 也是各个标准中差异最大的部分，并且任何高层的协议和应用都是以物理层为基 础，为物理层服务。 随着标准的发展，智能天线在t d s c d m a 系统中的应用得到了越来越多的关注 吼“。删。智能天线的性能、和其他关键技术的结合和兼容性以及带来的问题等 都成为研究热点。正是在这种背景下，本文综合和总结了作者近些年对t d - s c d m a 系统的智能天线技术的若干关键问题的研究结果。这些研究结果部分形成报告供 开发、设计人员进行参考，部分具体实现方法形成了专利进行了知识产权保护。 1 2t d s c d m a 标准 1 2 1t d s c d i v l a 系统特点 在第三代移动通信标准中，欧洲和日本开发的w c d m a 。1 和美国开发的c d m a 2 0 0 0 阱 都是频分双工系统。t d s c d m a 技术是以时分双工、同步码分多址为基础，另外配 以特殊的帧结构的一项标准o 州。同频分双工相比，时分双工有自己的特点。首先 t d d 系统的上下行链路工作在相同的频率，采用定时开关控制的收发双工，因此射 频设备比较简单，系统成本较低。由于上下行链路工作在相同的频率，信道特性 特性一致，更易于使用智能天线进行发射波束赋形；其次t d - s c d m a 对频谱资源的利 第一章绪论3 用更加灵活。不需要f d d 所必须的保护频带，只要有满足一个载波的频段就可以使 用，可以灵活有效地利用现有频率资源；再次t d - s c d m a 系统方便提供不对称业务。 t d d 系统可以根据业务的要求，灵活分配时隙和码道，而f d d 系统一般只能通过码 道的调整来适应不对称业务的需求。 同时，t d - s c d m a 系统也具有t d d 系统固有的一些缺点，例如扩频增益低、定时 要求严格、高速移动性能差以及不连续通信等。总之同以f d d 为双工模式的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比，t d - s c d m a 有自身的优势和弊端。根据这些特点，t d - s c d 姒系统 将主要应用在大中城市以及城乡结合的地区。这些地区的人口较为密集，用户移 动速度较低，它需要大量小半径高容量的小区覆盖。另外，对于数据业务，特别 是因特网等不对称业务，其需求主要在这样的地区，而t d - s c d m a 系统正好能满足 这个要求，这也是t d d 系统的优势所在。 1 2 2t d s c d m a 系统帧结构 t 沪s c d 姒系统的物理信道采用4 层结构，即超帧、无线帧、子帧和时隙哺”。一 个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成。一个无线帧长l o m s ，它又分为两个5 m s 的子 帧。每个子帧由7 个主时隙( 长度6 7 5 u s ) 和3 个特殊时隙下行导引时隙 ( d w p t s ) 、上行导引时隙( u p p t s ) 和保护时隙( g p ) 构成，如图1 2 所示。在7 个主时隙中，t s 0 一般用于下行，作为小区广播使用。t s i t s 3 用于上行通信，t s 4 t s 6 用于下行通信。切换点( s w i t c h i n gp o i n t ) 指的是上行时隙和下行时隙进行 切换的位置。 对于每个主时隙( b u r s t ) ，它具有前后两个数据部分( d a t a ) ，一个居中的 训练序列( m i d a m b l e ) 和一个1 6 码片( c h i p ) 长的保护区( g p ) 。数据区中的数 据比特先调制为数据符号( s y m b 0 1 ) ，然后再采用正交可变扩频因子( o r t h o g o n a l v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) 码对数据符号进行扩频。这样，每个主时隙 可以由o v s f ( s f - l 、2 、4 、8 、1 6 ) 分为1 - 1 6 个码道( c o d ec h a n n e l ) 。训练序列 用于进行信道估计，由一个基本的m i d a m b l e 码进行循环移位产生，它不进行扩频 和加扰过程。 4 t d - s c d i v l a 系统中智能天线的研究和应用 | ，| = 目= ，e = = j 自| e e 目e = = = = 自j _ = ! ! = 目= ! e = = e = ! j = = = = = = 目l = = = e 目| = e ! j _ 目日 图1 2t d s c d m a 多址方式和帧结构 1 2 3t d s c d i v l a 系统关键技术 ( 1 ) 多址技术”捌 在公众移动通信系统中，希望充分的利用各方面的资源，设计出最高效率的 多址技术来满足要求。在f d m a ( 频分多址) 系统中，用不同的频段提供码道，不同 的用户占用不同的码道；在t d m a ( 时分多址) 系统中，用不同的时隙提供码道，不 同用户的数据分时隙收发；目前，能够考虑的资源是频率、时问和波形( 码) ， t d - s c d m a 系统同时使用了f d m a 、t d m a 和c d m a 的技术，如图1 2 所示。 ( 2 ) 上行同步技术阻4 阍 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路一样，都采用正交码扩频。移动台动 态调整发往基站的发射时间，使上行信号到达基站时保持同步，保证了上行信道 信号的不相关，降低了码问干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降低大大提 高，同时，基站接收机的复杂度也大为降低。 ( 3 ) 智能天线技术。4 4 “蚓 智能天线的基本原理是在基站端使用天线阵对信号进行相干的接收发射，相 干接收发射通过基带数字信号处理实现，对各个天线链路上接收到的信号按一定 算法和准则进行合并，这一过程称为波束赋形技术。特别的，对于下行传输来说， 第一章绪论5 称为发射波束赋形。上行的接收波束赋形相对简单，因为多天线安装在基站，基 站有多个收发信机对接收信号进行处理。但是对发射波束赋形来说，因为赋形在 基站进行，上行和下行存在时间差，信道发生变化。对于f d d 系统来说，还有频率 上的变化。 t d d 系统上下行工作在相同的频率，电波的传播特性是相同的，因此不存在频 率补偿的问题。但是，由于上、下行时间差造成的衰落变化和空间特性的变化要 考虑到波束赋形算法中。f d d 系统还要考虑频率的补偿。智能天线能够提供赋形增 益，降低多址干扰，对码间干扰( i s i ) 也有一定抑制作用；智能天线还可以增加系 统的接收灵敏度、降低移动台的发射功率；此外智能天线为s d m a 提供了可能。 ( 4 ) 联合检测技术嘛“”2 目 联合检测是t d - s c d m a 系统使用的又一项重要技术，通过对已知的训练序列 ( m i d a m b l e ) 进行信道估计，对多码道信号联合处理。在基站处，由于信号从移 动台经过多条路径到达基站，因此，上行同步技术只能保证各用户信号的主径在 一定范围内的同步。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及其多径信号一 起处理，精确地检测出各个用户的信号。在移动台处，基站智能天线的波束赋形， 虽然极大地减低了多用户干扰的强度，但是多用户干扰依然存在，尤其是当用户 的位置非常靠近时，多用户干扰问题仍很严重，而联合检测技术能够很好地解决 多用户干扰问题。 除此之外，t d - s c d m a 系统中的信道估计、接力切换等技术也是其重要的关键 技术，这里不做过多介绍。 1 3 智能天线技术及其研究现状 从广义上讲，可以将利用多天线进行收发以提高系统性能的技术都可以称为 智能天线技术。一般来说，智能天线是指利用波束赋形进行干扰抑制的多天线技 术。本文讨论的智能天线技术就是指应用波束赋形的智能天线技术。 在第三代移动通信系统中，多天线技术成为新的研究热点，多天线技术包括 分集技术( d i v e r s i t y ) 、波束赋形技术( b e a m f o r m i n g ) 和空间复用技术( s p a c e m u l t i p l e x i n g ) ，本文重点讨论波束赋形技术。对于采用了分集技术和波束赋形 技术的阵列天线系统来说，对于接收情况，可以称为多输入单输出( m i s o - m u t i p l e i n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，对于发射情况，可以称为单输入多输出( s i m o - m u t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统。而空间复用技术必须应用于多输入多输出系统 ( m i m o - m u t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 。 6 t d s o ) v l a 系统中智能天线的研究和应用 1 3 1 智能天线技术的发展和研究现状 通信系统中智能天线技术是基于自适应天线技术基础上的。自适应天线技术 自6 0 年代提出以来，经过4 0 多年的研究和发展，在雷达、通信、电子对抗以及遥 感等诸多领域有着广泛的应用。自适应天线的发展可以分为下面4 个过程“”： 1 主波束自适应控制研究阶段 2 。零向自适应控制研究阶段o ” 3 空间谱估计研究阶段。2 1 4 自适应天线在各种通信系统中的应用研究。包括性能评估、信道测量和样 机开发陋1 4 2 6 2 7 ”脚1 虬1 ”1 2 5 1 。 近些年来，智能天线的理论研究已经基本完成。但是在智能天线与具体系统 相结合方面，还存在很多需要解决的问题。在这方面。不管是f d d 系统还是t d d 系 统，不管是w c d m a 标准、c d m a 2 0 0 0 标准还是t d s c d m a 标准，都进行了大量的研究和 试验工作，有大量的研究成果嘲“5 3 _ 她眠“_ t 1 7 - 1 2 6 。 在对无线信道空时特性的研究和测量方面，初期用于智能天线仿真的几何模 型吼”4 刚已经不能满足仿真的需要。各研究机构进行了大量的信道测量工作，主 要集中在信道的空间特性，在这方面的，欧洲的c o s t 2 5 9 ( e u r o p e a nc o o p e r a t i o n i nt h ef i e l do fs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lr e s e a r c h ) ”1 对各种环境下的信道 特性测量结果进行了总结。在m i m o 的开发和标准化过程中，3 g p p 和3 g p p 2 联合进行 了空间信道模型的开发“”，并确定了最终的模型。 t d d 与智能天线的结合方面，德国凯泽斯劳腾的射频研究室等研究机构对t d d 系统上行智能天线与联合检测的结合方面做了大量的研究工作”“。中国大唐移 动通信设备有限公司对t d s c d m a 的上、下行智能天线处理算法做了大量的研究和 仿真，并给出了一些具体的实现方案0 3 埘- 眠“1 1 7 - 1 2 5 o 波束赋形技术近些年研究得比较广泛，该技术的基本原理是在基站用多天线 进行收发，通过每个天线上的不同加权在空间形成接收发射赋形波束，对空间信 号进行空间滤波。f d d 由于上、下行载频不同，需要采取反馈的方式由用户终端反 馈信道信息，或者通过上行的空间特性进行近似，因此其精度受到了一定影响。 t d d 因为上、下行载频是相同的，因此可以直接通过上行的信道估计来计算下行波 束赋形的权系数。 此外，由于接收智能天线的算法比较成熟，因此近些年来，对发射波柬赋形 的研究受到越来越多的关注“。多基站联合发射波束赋形“、空时联合发射波 束赋形m 1 等都成为研究的热点。 第一章绪论7 1 3 2m i m o 技术的发展和研究现状 早期人们对多天线技术的研究集中于应用波束赋形技术的狭义概念上的智能 天线。不管是接受还是发射，波束赋形只需要接收端或( 和) 发射端具有适于波 束赋形的智能天线，例如图1 3 所示。 然而在九十年代初期，t e l a t a r 和f o s c h i n i 。嘲提出了利用多天线提高无线 系统容量的概念。在九十年代中期，f o s c h i n i 所在的b e l l 实验室提出t b l a s t ( b e l l l a b ss p a c et i m e ) 结构，这是空间复用技术的一个基本结构，空间复用技术需要 收发端都安装有阵列天线，即m i m o 系统，如图1 4 所示。进x - - 十一世纪后，基于 m i m o 结构的空间复用技术和基于空时编码的发射分集技术得到了广泛的关注和研 究8 “1 。 i ，憾： 无埕信道 芝：、 | 鏊 就 张 墓站 ： 毓 用户帐髟 ii 曩j j 薯 图1 3 单端多天线的结构( m i s o s i m o )图1 4 多输入多输出系统结构( m 1 m o ) m i m o 系统收发端都安装有多天线，其中，发射端可以用复用的发射模式，也 可以用发射分集的发射模式。发射分集可以起到抗快衰落的效果，对于多路空间 信号起到分集的效果。面空间复用技术则是利用多天线传输不同的数据流来提高 系统的峰值传输速率。虽然两者的实现方式不同，但是其本质都是利用空间信道 的独立性提高信道容量。信道的空间相关性与散射环境以及天线间距有关，用于 分集和空间复用的发射端希望多天线信道之间相关性越弱越好，这就需要天线单 元之间的间距越大或者散射体越丰富，而这种环境对波束赋形却是很恶劣的。因 为波束赋形需要适合合成波束的天线单元问距，过大会产生栅瓣造成干扰，过小 又会产生严重的互耦。 m i m o 系统的研究包括从信息论角度出发研究理论上的信道容量、m i m o 信道的 测量和建模、空时码以及其他的发射分集模式、空阿复用技术中发射端技术和接 收端的检测技术以及分集和复用的均衡等。近些年，m i m o 系统的研究成为移动通 信领域的热点，m i m o 系统的标准化工作也得到的很大进展。 8 t d s c d m a 系统中智能天线的研究和应用 1 4 1 本文的结构 1 4 本文的结构和作者的主要工作 在第一章绪论之后，本文在第二章给出了对空时信道特性的描述和对空时信 道建模的综述，并给出了本文所用的信道模型。在第三章给出了t d s c d m a 上行离 散时间系统的等效低通模型，对上行空时联合检测算法进行了理论分析和仿真。 第四章给出了信道估计和干扰空间协方差矩阵的估计方法，提出了一种改进的信 道估计方法和三种干扰空间协方差矩阵的估计方法，并给出了仿真结果。第五章 给出了t d - s c d m a 下行