（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中智能天线技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，随着移动通信系统用户数的极快增长以及移动用户对无线服务的质量、业务 种类、数据率等要求越来越高，如何更加有效地使用有限的无线资源成为无线通信领域一 个急待解决的问题。智能天线技术在无线通信系统中的应用能够实现基站对移动台的定向 发射和接收，从而能大大减轻系统的多址干扰，提高系统的频谱利用率，增大系统容量。 第三代移动通信系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 只将智能天线作为可选技术，而中国的 t d s c d m a 系统已明确提出使用智能天线。智能天线是t d s c d m a 系统的关键技术之一， 其在t d s c d m a 系统中应用的算法、实现结构、与其他技术的结合方式等都会对 t d s c d m a 系统能否满足3 g 要求有着至关重要的影响。 本文首先对t d s c d m a 系统作了简单的介绍，然后对智能天线的工作原理、主要结 构和常用算法及性能作了详细的分析和说明。在此基础上，研究了t d s c d m a 系统中智 能天线系统的具体实现和特性。给出基于智能天线的t d s c d m a 系统基站的实现框图和 波束成型算法；研究了t d s c d m a 系统天线阵列模型的特性；并分析了t d s c d m a 系统 中智能天线和联合检测相结合的空时处理技术。最后，通过计算和计算机仿真，分析了智 能天线对t d s c d m a 系统容量和性能的改善作用，并在此基础上给出一种提高 t d s c d m a 系统容量和性能的动态信道分配方案。 关键词：智能天线，波束形成，空时处理，系统容量，t d s c d m a 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，谢t l lt h er a p i di n c r e a s ef o rt h en u m b e ro fm o b i l ep h o n eu s e r sa n dt h em o r e p e r f e c tr e q u i r e m e n t sf o r t h eq u a l i t yo fw i r e l e s ss e r v i c e ，t h ev a r i e t yo fs e r v i c ea n dt h ed a t ar a t e ，i t b e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mt h a th o wt oe f f i c i e n t l yu t i l i z et h ep r e c i o u ss p e c t r u mr e s o u r c e si nt h e f i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h ei m p l e m e n t a t i o no fs m a r ta n t e n n a sc o u l da c h i e v et h e d i r e c t i o n a lt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n go nb a s es t a t i o n ，h e n c e ，、i t l lt h er e d u c t i o no fs y s t e m m u l t i a d d r e s si n t e r f e r e n c e ，t h es p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n ds y s t e mc a p a c i t yw o u l dh a v e b e e ni m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y a l t h o u g hs m a r ta n t e n n a sm e r e l yi sa no p t i o ni nw c d m aa n d c d m a 2 0 0 0s t a n d a r d s ，i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a ts m a r ta n t e n n a sw o u l db ea k e yt e c h n o l o g yi n t d s c d m as t a n d a r d n o w , t h ea p p l i c a t i o na l g o r i t h m ，i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r ea n dt h e c o m b i n a t i o n 、析t ho t h e rt e c h n o l o g i e sf o rt h es m a r ta n t e n n a sa r ev i t a lf a c t o r sf o rt d - s c d m a s y s t e mt oa c c o m p l i s h3 gr e q u i r e m e n t s f i r s t l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt d s c d m as y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ；s e c o n d l y , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，m a i ns t r u c t u r e ，n o r m a la l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c eo fs m a r ta n t e n n a sa r e a n a l y z e da n di n s t r u c t e di nd e t a i li nt h ep a p e r b a s e do i lt h e s ec o n t e n t ，w ef u r t h e rr e s e a r c ht h e s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r ta n t e n n a si nt d s c d m as y s t e m ，a l s og i v e t h ei m p l e m e n t a t i o nd i a g r a ma n db e a mf o r m i n ga l g o r i t h mf o rt h eb s ，t h e nw er e s e a r c ht h e c h a r a c t e ro fa n t e n n aa r r a ym o d e li nt d s c d m as y s t e ma n dt h es p a t i a l - t i m ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yu s e df o rs m a r ta n t e n n a sc o m b i n i n gw i t hj o i n td e t e c t i o n t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o n a n ds i m u l a t i o nb yc o m p u t e rp r o v et h ei m p r o v e m e n to fc a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c ef o rt h e t d s c d m as y s t e mw i t hs m a r ta n t e n n a s ，a n dad y n a m i cc h a n n e l sa l l o c a t i o ns c h e m et o a m e l i o r a t et h es y s t e ma l s oi sp r e s e n t e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a s ，b e a m f o r m i n g ，s p a t i a l t i m ep r o c e s s i n g ，c a p a c i t y , t d s c d m a 2 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作取得的研究工作及取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除了在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授 权南京邮电大学研究生部办理。 研究生虢弛新虢建蛳嗍丝z 笙厂 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信技术的发展状况及智能天线的提出【l 2 9 】 2 0 世纪7 0 年代中期，蜂窝移动通信技术的诞生符合人们对方便快捷通信手段的需求， 因此蜂窝移动通信系统就以十分迅速的速度发展起来，并已经历了以调频模拟电话信号无 线传输和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s )为主要标志的第一代系 统；以窄带数字信号无线传输和时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 以及码 分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为主要标志的第二代系统；现在，以宽 带数字信号无线传输为主要特征的第三代移动通信系统( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a ) 也正逐步投入正式商用。 移动通信市场的高速膨胀，有力地推动了移动通信事业的强劲发展，同时也使通信技 术面临着很大的挑战。1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 提出第三代移动通信( 3 g ) 系统的 概念。随着移动用户数目的急剧增加及第三代移动通信系统中宽带业务的引入，人们对移 动通信容量的需求与日俱增，频率资源匮乏的问题不仅依然存在，而且更加突出。尽管可 以对蜂窝小区进行裂化或将小区分成若干个扇区来进一步增加系统容量，但是随着小区裂 化的进行或小区扇区数量的增加，移动台的越区切换会变得越来越频繁，而完成越区切换 会消耗较多的信道资源，因此对小区进行裂化或在小区中增加扇区数量都是有一定限制 的。 在巨大的市场潜力的推动下，有关3 g 的关键技术和标准化工作备受关注，并取得了 可喜的进展。为满足日益增长的通信业务的要求，现在全球正在研制第三代移动通信系统， 其主要特点包括采用宽带c d m a 方式，基站采用天线阵列实现灵活的波束扫描，通信容 量比采用传统的全向天线扇区化天线有很大提高，并且具有多媒体业务能力。 对于蜂窝移动通信，由于无线信号的路径是复杂的多径传播，引起传播信号的时间扩 展、多普勒扩展和角度扩展，从而使得基站接收信号时产生频率选择性衰落和时间选择性 衰落，导致符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ；同时，为了节省频率资源，无线 蜂窝采用频率再用技术，这也使得基站接收希望用户信号的同时，产生同频道干扰( c c i ， c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，特别是c d m a 系统，对所有的c d m a 用户可能占有同一时间和 同一频率，唯一区别是每个用户拥有自已独特的相互不完全正交的扩频码，接收端只需借 助各自的扩频码进行解扩，由于大量的多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea c e s si n t e r f e r e n c e ) 的存 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在而使得c d m a 移动通信系统的接收能力受到干扰的限制。为了抑制c c i 和i s i ，改善 系统的性能，各国学者做了大量的工作，研究了很多有效的方法。最初，人们采用分集处 理技术，如空间分集，每个天线接收的信号是相互独立的，其波束图互不重叠，在峰值时 刻对多个峰值进行采样，并以适当的方式进行合并；后来，又提出了自适应阵列处理技术 和时域自适应均衡技术，而现在人们主要研究时域和空域相结合的空时二维处理技术。 1 2 智能天线系统的研究背景及发展状况【1 4 】 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一。欧、日、美等国非常重视智能 天线技术在未来移动通信方案中的地位和作用，并开展大量的理论分析研究，同时也建立 了一些技术试验平台。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ，( r e s e a r c hi n a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ne u r o p e ，欧 洲先进通信技术研究所) 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，由德国、英国、丹麦 和西班牙合作完成。项目组在d e c t 基站基础上构造智能天线试验模型，于1 9 9 5 年初开 始现场试验，天线由8 阵元组成。射频工作频率为1 8 9 g h z ，阵元间距可调，阵元分布分 别有直线形、圆形和平面形3 种形式。模型用数字波束成形的方法实现智能天线。欧洲通 信委员会准备在a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ，先进通信技术 和业务) 计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中在最优波束形成算法、 系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂 窝优化与现场试验。 日本a t r 光电通信研究所研制出了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线布 局为间距半波长的1 6 阵元平面方阵，阵元组件接收信号在模数转换后进行快速傅理叶变 换处理，形成正交波束后。分别采用恒模( c m ) 算法或最大比值合并( m r c ) 分集算法。 野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功能。理论分析及试验表明，使用最大合 并比合并分集算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方案在形成的波 束内，选用最大电平接收信号，而不需要判别用户信号到达方向及反馈控制机制等硬件跟 踪装置。 美国a r r a y c o m m 公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环 路( w l l ) 智能天线系统。a r r a y c o m m 产品采用可变阵元配置，有1 2 元和4 元自适应阵 列可供不同环境选用。在日本进行的现场试验表明，在p h s 基站采用该技术可以使系统容 量提高4 倍。信威公司智能天线采用8 阵元环形自适应阵列。采用t d d 方式，收发间隔 2 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 1 0 m s ，接收灵敏度最大可提高9 d b 。 1 9 9 8 年中国电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电信联盟提交的t d d c d m a 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的t d s c d m a 技术，是第一次提出 以智能天线为核心的c d m a 通信系统。在国内一些大学、研究机构和电信设备生产商 也相继开展了智能天线的理论研究和技术研发。国家“8 6 3 计划、国家自然科学基金、 博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究。 1 3t d s c d m a 系统标准的发展【2 ，1 1 】 t d s c d m a 系统是一个采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、软件无线 电等一系列高新技术的时分双工模式的低码片速率第三代移动通信标准，是我国移动通信 历史上的重大突破，标志着我国在移动通信技术领域已进入世界先进行列。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，经信息产业部批准，中国电信科学技术研究院代表中国向国际电 联提交了第三代移动通信t d s c d m a 标准提案。 1 9 9 9 年1 1 月初，在芬兰赫尔辛基举行的国际电联( i t u r ) 会议上，我国的t d s c d m a 标准提案被写入第三代移动通信无线接口技术规范的建议中，这是我国百年电信史上首次 完整地提出自己的标准，并被国际电联接纳。 2 0 0 0 年5 月5 日，在土耳其召开的国际电联2 0 0 0 年会上，由我国提交的第三代移动 通信技术标准t d s c d m a 被批准为国际电联的正式标准，2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国1 j h j l l 结束的3 g p pt s gr a n 第1 1 次会议上，中国的t d s c d m a 标准正式被3 g p p 接纳，包 含在3 g p p 版本4 中。它标志着t d s c d m a 技术规范在被i t u 正式确定为第三代移动通 信技术标准后，又被广大的设备运营商和设备制造商所接受，它使t d s c d m a 技术的正 式使用成为可能，它是t d s c d m a 成为全球实质3 g 标准的一个重大里程碑。 1 4 本论文的组织结构 本论文主要内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了移动通信技术的发展状况、智能天线系统的研究背景和发展状 况，阐述了t d s c d m a 系统标准的发展。 第二章介绍了t d s c d m a 系统独特的帧结构、给出了t d s c d m a 系统的基本参数， 并对t d s c d m a 系统所采用的关键技术作了简单分析。 第三章详细分析了智能天线技术，主要内容包括：智能天线的作用：智能天线的信号 二l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 模型、波束形成原理和波束形成的实现方法；智能天线的主要结构；智能天线的常用性能 度量准则和常用智能天线算法及其性能。 第四章研究了t d s c d m a 系统中智能天线的实现方式。给出了t d s c d m a 系统中以 智能天线为核心的基站结构和智能天线波束形成算法；分析了t d s c d m a 系统的天线模 型和系统采用均匀圆形阵列天线的原因；分析了t d s c d m a 系统中智能天线和联合检测 结合的空时处理技术。 第五章分析智能天线对t d s c d m a 系统容量的改善。在对t d s c d m a 系统的干扰分 析和智能天线平均干扰因子分析的基础上，讨论了智能天线对系统容量和性能的改善，并 在最后提出种提高系统容量的动态信道分配方案。 第六章总结全文并提出了下一步工作的展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 r d s c d m a 系统简介 第二章t d s c d m a 系统简介 2 , 1t d s c d m a 系统的帧机构和基本参数 t d s c d m a 系统是世界上第一个采用时分双工( t d d ) 方式和智能天线技术的公共 陆地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a ( s c d m a ) 技术和低码片速率( l c r ) 的 第三代移动通信系统，同时也采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技 术。至今为止，其他公共陆地移动通信系统中没有使用这些技术，t d s c d m a 系统可以采 用这些技术并能保证它们很好地工作，关键是采用了特殊的帧结构和智能天线技术。 7 2 0 m s 超帧 。无线帧( 1 0 m s ) 。 帧嚣o 帧撑1帧# 7 1 子帧( 5 m s ) 。 子帧拌0子帧拌1 o 6 7 5 m s 。 、 、 t s o t s lt s 2t s 3 t s 4 t s 5 t s 6 ( 7 5 u s ) s ( 交换点) u p 曲交多 数据符号 l i 训练序列 l l数据符号 8 6 4 c h i p s 图2 1t d s c d m a 系统的帧结构 t d s c d m a 系统的帧结构如图2 1 所示【1 ，2 1 。物理信道有4 层结构：超帧、无线帧、 子帧和时隙码。一个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成，每个无线帧长1 0 m s 。由于它使 用了智能天线技术，需要5 m s 掌握用户终端的位置，因此t d s c d m a 进一步将每个帧分 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d - s c d m a 系统简介 为两个5 m s 的子帧，从而缩短了每一次上下行周期的时间，能在尽量短的时间内完成对用 户的定位。每个子帧由长度为6 7 5 u s 的7 个主时隙和3 个特殊时隙组成。3 个特殊时隙分 别为下行导频时隙( d w p t s ，7 5 u s ) 、上行导频时隙( u p p t s ，1 2 5 u s ) 和保护时隙( g ， 7 5 u s ) 构成。 在这7 个主时隙中，t s 0 总是分配给下行链路，而t s l 总是分配给上行链路。其他时 隙既可作为上行链路的时隙，也可作为下行链路的时隙。上行链路的时隙和下行链路的时 隙之间由一个转换点分开。通过该切换点可以调整上行链路时隙和下行链路时隙的数量比 例，从而适应各种分组业务中的不对称业务。灵活分配上行链路业务和下行链路业务的信 道示例如图2 2 所示。图( a ) 中有1 个上行时隙和6 个下行时隙，适用于文件下载，i n t e m e t 浏览等，可达2 m b i t s 传输速率。图( b ) 中有3 个上行时隙和3 个下行时隙，是对称结构， 适用于语音呼叫；图( c ) 中有1 个下行时隙和6 个上行时隙，适用于文件上传等。 ( c ) 图2 2t d s c d m a 信道分配示例 一个突发的持续时间就是一个时隙，主时隙突发结构由两个数据符号域、一个1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码、l l 控制信息和1 6 c h i p s 的保护域组成，总长为8 6 4 c h i p s 。数据区共7 0 4 c h i p s ， 数据域中每个码片用q p s k 调制，扩频系数为l 1 6 。m i d a m b l e 码用作训练序列，供多用 户检测时信道估值用。下行导频时隙( d w p t s ) 由6 4 个码片正交码组成，它是无线基站 的导频信号，也是下行同步信号。而上行导频时隙( u p p t s ) 由1 2 8 码片正交码组成，它 是用户终端的导频信号，主要用作上行同步。保护时隙( g ) 用于保护和区分上下行时隙， 使距离较远的终端能实现上行同步。在t d s c d m a 系统中，此时隙的宽度保证了小区的 最大半径可达到1 0 k m 以上。 t d s c d m a 系统中的时隙用于在时间域上区分不同用户信号，称为t d m a ；在一个 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d - s c d m a 系统简介 时隙内用信道地址码来区分不同用户，称为c d m a ；对给定的一段频率还可以在频域上分 为一些带宽为1 6 m h z 的载波，称为f d m a ；采用智能天线技术进行空间滤波，这可以认 为是s d m a 。因此，t d s c d m a 系统的多址方式可以认为是 c d m a + f d m a 十t d m a + s d m a 。t d s c d m a 系统的基本参数由表2 1 给出l i , z j 。 表2 it d s c d m a 系统的基本参数 信道间隔 1 6 m h z 码片速率 i 2 8 m c h i p s 多址方式c d m a + t d m a + f d m a + s d m a 双工方式 t d d 帧长短帧长lo m s ( 子帧5 m s ) ) 信道载波 4 8 ( 对称业务) d s 与m c 方式单载波窄带d s 数据调制q p s k 8 p s k ( 2 m b s 业务) 扩频调制q p s k 语音编码 a m r 信道编码卷积编码+ t u 曲o 码 基站发射功率最大4 3 d b m 移动台发射功率 3 3 d b m 小区覆盖半径 0 1 1 2 k m 切换方式接力切换 上行同步精度 1 8 c h i p 相干检测上行、下行：公共导频 功率控制开环+ 闭环功率控制，2 0 0 次s 多速率方式多时隙、可变扩频和多码扩频 基站间定时 同步 2 2t d s c d m a 的关键技术 在t d s c d m a 系统中，采用了很多的关键技术，用于提高系统性能，显示其优越性 能，下面将对这些关键技术进行简单介绍。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 系统简介 2 2 1 智能天线技术 随着信号处理技术迅速发展，d s p 芯片的性能不断提高，在t d s c d m a 系统中， 在不显著增加系统复杂度情况下，采用数字方法实现波束形成的智能天线技术将得到充分 的应用。 t d s c d m a 系统的智能天线是由8 个天线单元组成的均匀圆形阵列，阵元间距为 2 2 1 , 1 1 】。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式和激励，利用波的干 涉原理可以产生方向性很强的辐射方向图，使用数字信号处理方法使主瓣自适应地指向移 动台，就可达到提高信号的信噪比，降低发射功率等目的。 由于每个用户在小区内的位置都是不同的，这一方面要求天线具有多方向性，另一方 面要求每一个独立方向上，系统可以跟踪个别用户。通过数字信号处理实现用户的方向测 量可以实现上述要求。每个用户的跟踪通过到达角进行测量，在t d s c d m a 系统中，由 于子帧的长度是5 m s ，则每秒至少可以测量2 0 0 次，通过智能天线的方向性和跟踪性，可 获得最佳的性能。 2 2 2 联合检测技术 1 , 1 4 1 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测技术基础上提出的。该技术是 减弱或消除多址干扰、多径干扰和“远近”效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功 率控制精度，弥补正交扩频码相关性不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高 系统容量。联合检测技术已被纳入3 g 系统的关键技术中，但只有t d s c d m a 第一次在 c d m a 通信系统中采用，实现智能天线和联合检测技术的有机结合。由于各种技术因素和 成本的制约，联合检测技术只能在基站中实现。 t d s c d m a 中联合检测的高效率主要是因为t d s c d m a 是一个时域和帧控的t d m a 方案。因此，用户被分布在每个时隙中，最终使每个时隙并行用户数很小，这样，通过较 小的计算量和较低的信号处理要求即可有效的检测到目标信号。 2 2 3 同步c d m a 技术i i , 3 0 同步c d m a 指上行链路各终端信号和基站解调器完全同步，这样可使使用正交扩频 码的各码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰。 t d s c d m a 系统中，上行同步是根据一定的算法由基站向终端发送同步调整命令来实 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d - s c d m a 系统弼介 现的。精度为1 8 c h i p 的上行同步使t d s c d m a 显示了更多的优势。首先，移动终端的数 据到达基站保持同步是使用联合信道冲击响应的基础。其次，在t d s c d m a 系统中上行 链路和下行链路都采用正交扩频码扩频，上行同步能保证接收到的扩频码保持正交，从而 可以有效地减少干扰，提高系统容量，并降低基站接收机的复杂度。另外，为保持上行同 步，移动台动态调整发往基站的发射时间，从而可以进行距离估算，更有效地进行波束赋 形和切换判决。 2 2 4 软件无线电 k 4 1 所谓软件无线电是指利用d s p f p g a 等器件来代替a s i c 芯片。对t d s c d m a 系统 来说，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。 在t d s c d m a 系统中，基站和移动台采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件 定义，射频频段、多址模式和信道调制都可编程。软件无线电的发射与其他系统不同，它 先划分可用的传输信道，选择传播路径，进行合适的信道调制，控制发射波束指向正确的 方向，选择合适的功率，然后再发射。接收也同样如此，它能区分当前信道和相邻信道的 能量分布，识别输入信号模式，自适应抵消干扰，估计所需信号多径的动态特征，对多径 信号进行相干合并和自适应均衡，对信道编码进行解码，然后通过f e c 解码纠正错误，尽 可能降低误码率。此外，软件无线电通过许多软件工具定义增值业务，这些软件工具能帮 助分析无线环境，定义所需增加的模块，在无线环境下，测试由软件开发增值业务的模版， 最后通过软件和硬件开发增值业务。 2 2 5 动态信道分配技术【1 1 1 由于t d s c d m a 系统带宽为1 6 m h z ，与w c d m a 系统带宽为5 m h z 相比，可支持3 个载波频率，所以可实现频率复用，同时智能天线技术使t d s c d m a 系统可实现空分复 用，所以t d s c d m a 系统中采用了c d m t d 蝴d m s d m a 的混合多址方式，动态 信道资源管理方式成为t d s c d m a 系统的一个重要特点。 在t d s c d m a 系统中t d d 模式将在时域资源的动态管理中发挥优势，这主要考虑到 随着移动通信的发展，大多数业务将是不对称的数据业务。而在支持不对称业务方面，t d d 模式通过上、下链路切换点灵活的调整，可实现对时域资源的动态分配。另一方面，智能 天线技术工作于t d d 模式更为合适，在t d d 模式中上行和下行链路间隔时间短，使用相 同频率，上下行链路无线传播环境差别不大，接收时的空间矢量可直接用于信号发射，大 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d s c d m a 系统简介 大提高信号的利用率。 2 2 6 接力切换技术 接力切换是t d s c d m a 系统的核心技术之一，其设计思想是充分利用上行同步技术。 在切换测量期间，使用上行预同步技术，提高获取切换后上行信道发送时间、功率信息， 从而达到减少切换时间，提高切换的成功率，降低切换掉话率的目的。接力切换是基于同 步和时分基础上的切换方法。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 3 1 智能天线的作用 第三章智能天线技术 智能天线是通过一组天线阵列在空间形成不同指向的波束对准不同的用户，实现了信 号的空域滤波，从而达到提高通信系统容量和改善系统性能的目的。同传统的时域和频域 方面提高频谱利用率的多址技术t d m a 、f d m a 和c d m a 三种方式相比，智能天线是 从空域的角度提高系统频谱利用率，实现了空分多址( s d m a ) 。基站天线阵列形成不同指 向的高增益波束对准不同的用户，从多方面改善了系统的性能： ( 1 ) 增加系统容量：由于智能天线在不同方向形成了高增益的波束，在t d m a 和f d m a 系统中，基站可以给不同空域的用户分配相同的时间和频率来增加信道容量；在c d m a 系 统中，由于基站天线增益的提高使得用户发射功率降低，从而减小了多址干扰，增加了同 - d , 区内同时工作的用户数目。 ( 2 ) 提高基站覆盖范围：由于基站天线增益的提高，可以使得更远处的用户以同样的收 发功率和基站通信，因此扩大基站的覆盖范围，在用户稀少的地区便可以减少安装基站系 统的个数，减少系统建设成本。 ( 3 ) 改善系统对于远近效应的敏感度：在c d m a 系统中要求严格的功率控制使得每一用 户到达基站的电平一致，由于智能天线的定向波束对于不同方位的用户有不同的响应，因 此有助于降低系统对于功率控制的要求。 ( 4 ) 改善了信号的传输质量；智能天线可以改善多径效应，提高信噪比，从而降低信号 传输误码率。 正因为智能天线可以显著改善通信系统的综合性能，它己成为通信领域的研究热点。 尤其是在第三代移动通信中如何利用智能天线进行系统扩容、系统性能分析和实验系统研 究都己成为人们关注的研究课题。 3 2 智能天线系统的基本原理 3 2 1 智能天线信号模型 智能天线是由多个独立阵元在空间按照某种几何结构排列而成，天线的发射和接收则 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 是全部阵元发射和接收信号的线性组合。 x z 图3 1 任意结构的天线阵列模型 对于一个如图3 1 所示的具有n 个阵元、任意结构的天线阵列【3 1 ，在空间坐标系中第 n 个阵元的位置坐标为( ，虼，乙) ，信号s ( f ) 酬从( 秒，矽) 方向入射，其中秒为信号的空间 仰角；矽为信号的水平方位角；国为信号载波角频率。在移动通信中，通常对阵列信号模 型作如下假设：( 1 ) 所有的入射信号都为一系列离散的平面波，即通信信号的传播满足远 场条件：( 2 ) 阵元的间距足够小，使得同一信号到达不同阵元位置处理的信号幅度相等； ( 3 ) 与载波频率相比，入射信号的带宽足够小；( 4 ) 阵元之间无耦合；则在阵列天线的 第n 个阵元上的接收信号可标示为： 此( f ) = g n ( 秒，矽) s ( f ) p 倒p 一弘屯 ( 3 1 ) 式中，( 乡，缈) 为第n 个阵元的阵元方向性函数； 丸= ( c o s f p s i n o + 虼s i n o s i n 缈+ z 挖c o s o ) 为第n 个阵元上接收信号和原点处阵元 上接收信号之间的相对相位差，= 2 万见为相位传播因子，力是信号波长； 对n 元的天线阵列，可用矢量形式表示阵列输出： h 矿) = 队( f ) ，y 2 ( t ) 朔( 瑚r = s ( t ) e m g l ( o , ( p ) e - y m ，( 幺咖矿鹏g ( 只劝矿础r = s ( t ) e j a t a ( t 夕，c , o ) ( 3 2 ) 其中a ( o ，妒) = g l ( 秒，矽) p 一弘磊，9 2 ( 秒，矽) p 一如，g j v ( 秒，妒扣一如 丁称为阵列响应矢 量；( 9 ，矽) 称为接收信号的来波方向( d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 。 在移动通信系统中，一般只考虑水平信号方向，即设0 = 万2 ，用纱代表信号的d o a 。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章智能天线技术 一般情况下，阵列天线中各阵元是各向同性的，且对各阵元增益作归一化处理 ( g 以( 秒，驴) = l ，z = 1 , 2 ，n ) ，则阵列相应矢量为： 口( 缈) = k 一_ ，m ，e 一弘屯，名一弘如r ( 3 3 ) 当m 个不相关的线号j l o ) ，s 2 0 ) ，s m o ) ( 此处射频信号用等效基带信号表示) 同时从 仍，仍，方向入射时，则阵列输出矢量为： 】，( f ) = 口( ) s m ( f ) ( 3 - 4 ) m - - i 采用阵列相应矩阵和基带信号矢量表示，在存在加性白噪声的情况下，可以得到阵列 天线的信号模型为： 】，o ) = 彳( 缈) s 0 ) + o )( 3 - 5 ) 式中，彳( 缈) = 【口( 仍) ，口( 娩) ，口( 鳓) 】，s ( f ) = 【岛( f ) ，s 2 0 ) ，s m 0 ) 】7 对n 元阵元的智能天线，对每个阵元进行幅度和相位加权，复权系数为： ，n = 1 。阵列权值用权矢量表示为：w = 【，w 2 ，w n ，。因此，幅度和相位加权后 阵列输出的信号模型为： n x ( f ) = w r y ( f ) = 虼( f ) + ( f ) ( 3 6 ) 以= i 均匀直线阵( u l a ，u n i f o r ml i n e a ra r r a y ) 的几何结构如图3 2 所示，n 个全向阵元 等距离排列成一条直线，阵元间距为d ，以最左边的阵元为参考点( 把最左边的阵元放在 原点处) 。设信号的入射方位角( 与阵列法线方向的夹脚) 为矽。则均匀直线阵的阵列响 应矢量为【3 1 ： 口( 缈) ： 1 ，p 一，2 n ，七_ j 2 a _ d ( n - 1 ) s i n o 】丁( 3 - 7 )口( 缈) ： 1 ，p 一，七 4 】丁 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 y j 丫丫。 ( 0 ， h 7 图3 2 均匀直线阵结构模型 3 2 2 智能天线波束形成 x 图3 3 智能天线的波束形成 智能天线中每个阵元的方向图为全向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以使阵 列接收的方向增益聚集在一个方向上，形成一个波束。对于图3 2 的均匀线性阵，当入射 角为缈的单位平面波入射到天线阵列，由式( 3 7 ) 口- - j 知，阵列响应矢量为： 口( 够) = m 一了2 t r 捆m ，g 2 z t - j 7 廿l 脚r口( 够) = m 一，了嬲m 矽，gd 煳伊r 则由图3 3 可得波束形成输出为： ( 3 - 8 ) 则阵列的波束方向图函数为： f ( 缈) = 1 w 口( 咖i ( 3 - 9 ) 对于如图3 2 所示的均匀直线阵结构，为了将波束指向缈= o d ( 法线方向) ，取权矢量 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 为矿= 【l ，1 ，1 】7 ，则此时波束方向图函数为： f ( 缈) = 。：。，n 万d s m 缈) s l n ( 五 “ s i n ( 华) ( 3 - l o ) 如使波束指向方向，则可取权矢量为形： 1 , e - j s i n 碉o ，石- j - - 争 ，- 1 ) s i n 缅r ， 则其波束方向图函数为： ，( 矽) = s i n - - 掣( s i n ( a - s i n ) 】 ，o s i n 【掣( s i n ( p - s i n ) 】 t ( 3 1 1 ) 通过改变权矢量中的值即可改变波束指向，即实现电控波束扫描。图3 4 表示了 = 0 0 和= 9 0 0 时的波束形状( 此处，取天线阵元数为8 ，阵元间距为允2 ) 。图3 5 表 示在天线阵元数不同的情况下，天线波束宽度的变化( 此处，取= 0 0 ，阵元间距为州2 ) 。 ， t 誓+ 、 ， 0 - 4 + ：、 ”擎三雩剿。 图3 4 不同入射角度下均匀直线阵的波束形状 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章智能天线技术 图3 5不同阵元数下均匀直线阵的波束宽度 从图3 4 可以看出，均匀直线阵在沿轴线对称的方向形成两个主瓣，所以均匀直线阵 无法分辨沿轴线对称到达阵列的信号；当入射信号方向靠近轴线方向时，方向图的主瓣变 宽，从而使阵列抑制干扰的能力下降，角度分辨力减小。这是均匀直线阵相比于均匀圆阵 的不利之处( 均匀圆阵将在下章详细分析) 。 从图3 5 可以看出，天线的波束宽度随阵元的增加而变窄，这有利于提高阵列抑制干 扰的能力，但这是以提高系统复杂度和成本为代价的，在实际的系统应用中应综合考虑这 两方面。 若要形成多个波束，则可采用多个指向不同方向的权矢量的波束形成器，如图3 6 所 示。图3 6 中共有l 个波束形成器，可形成l 个波束。第i 个波束的权矢量为： 形= 【l ，p 一等s i n p j ，p - j 等( n - 1 ) s i n 口 i 】7 ，f = 1 ，2 ，上，表示其波束指向仍方向。 x l ( f ) 图3 6 接收多波束形成 发射波束形成和接收波束形成的过程相反，根据互易原理，若保持同样的权矢量，则 发射波束图和接收波束将是一样的。图3 7 为能同时产生l 个发射波束的原理图。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 x 1 ( i l ) x , c t ) 图3 7 发射多波束形成 3 2 3 智能天线波束形成的实现方法【6 ，7 】 根据前面讨论的波束形成原理，阵列波束形成需要对n 个天线阵列的输出信号分别进 行n 个复数加权才能形成个波束。在实际的系统实现中，有三种方式可以实现阵列的加 权，即为射频模拟波束形成、中频模拟波束形成和基带的数字波束形成，他们的实现原理 框图分别如图3 8 、3 9 和3 1 0 所示。 图3 8 射频模拟波束形成 m 输出 图3 9 中频模拟波束形成 1 7 出 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 l 一下变频ha d 卜 y 一下变频h 舳p d b f i b 下变频h 志p 波束l 波束2 波束l 图3 1 0 基带的数字波束形成 用模