（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统下行波束赋形技术研究.pdf

论文题目：t d - s c d m a 系统下行波束赋形技术研究 专业：通信与信息系统 硕士生：代新冠 指导教师：曾召华 摘要 ( 签名) 迟短笈 ( 签名 智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望用户信 号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除 或抑制干扰信号的目的。因此智能天线技术已成为t d - s c d m a 系统的关键技术之一 智能天线的核心是波束赋形，也就是多天线权值的确定。关于波束赋形算法国内外已 经有了较深入的研究。但对于智能天线在t d - s c d m a 中的应用研究较少。同时由于在 t d s c d m a 系统中，上行采用联合检测技术，下行采用波束赋形技术。基于此，本文着重研 究l d s c d m a 系统中的下行波束赋形技术。 本文首先介绍t d s c d m a 系统的技术特点，及其物理信道基本帧结构。简要的介绍 了智能天线原理。 本文的主要工作如下； l 、结合t d - s c d m a 系统上下行信道相同的的特点，本文首先研究了基于最大信 噪比准则的下行e b b 波束赋形算法并针对m s n r 准则在色噪声背景下，赋形增益 下降的闯题。提出了一种利用上行信道参数的基于m s i n r 准则的快速广义特征值分 解的下行e b b 波束赋形算法。并利用m 棚，a b 工具对这两种算法进行了性能分析与 比较。从仿真结果可以看出：e b b 波束赋形算法相对于单天线系统能获得相当的性能 增益；m s i n r 算法相对于m s n r 算法性能更优，但其复杂度更高。 2 、提出了一种低复杂度的g o b 波束赋形算法：f i x d o a 赋形算法；并针对信道 快速变化时，赋形增益下降的问题，提出了一种基于f i x d o a 算法的下行m b f 多波 束赋形算法。 通过仿真可以得出以下结论：本文提出的f i x d o a 算法在通常信道环境下均能获得 相当的赋形增益；而且运算量只有普通d o a 算法的1 1 0 ； 本文提出的m b f 多波束赋形算法在高速、大角度扩展信道环境下，相对于传统单 波束算法有大约0 8 d b 的赋形增益； 3 、针对e b b 算法和g o b 算法各有其适用的信道环境的问题。本文提出了一种基 于特征值分布的自适应赋形算法切换方案。 本方案通过计算信道相关矩阵对应的最大与次大特征值的比值，来确定多径相关性 的大小，以决定赋形算法的切换； 通过仿真可以得到如下结论： ( 1 ) 当最大与次大特征值比值1 0 时，则多径间相关性弱，切换到e b b 算法；当 最大与次大特征值比值2 2 时，则多径问相关性强，切换到g o b 算法。 ( 2 ) 当最大与次大特征值比值处于1 0 , - - 2 0 之间时，维持原有的波束赋形算法不变。 关键词：智能天线；下行波束赋形；特征分解波束赋形；多波束赋形；特征值分布 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e a s e r c ho fd o w n l i n k b e a m f o r m i n g i nt d - s c d m a s y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：d a ix i n - g u a n i n s t r u c t o r ：z e n gz h a o - h u a a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c 髂s m gt e c h n o l o g i e sw e r eu s e dt op r o d u c es p a t i a la n d d i r e c t i o n a lb e a m i ns m a r ta n t e n l l a $ t h e nt h em a i nb e a ma i m sa tt h ec o m i n gd i r e c t i o no f r e f e r e n c eu s e fa n dt h e s i d el o b ep o i n t st ot h ec o m i l l gd i r e c t i o l lo f i n t e r f e r e n c eu s e t t h e r e f o r es m a r ta n t e n n a sh a v ete e na d o p t e da so n eo f k e yt e c h n o l o g i e so f t h e t d - s c d m a s y s t e m s b e c a u t d - s c d m au s e j o i n td c t e c t i o f li nu p l i n ka n du s eb e a m f o r m i n gi nd o w n l i n k , s o t h i sp a p e rf o c u s e so nd o w n l i n kb e e m f o r m i n g ， 1 1 地m a i nc o n 血i b u t i o n so f t i n sd i s s e r t a t i o n 勰鹤f o l l o w s ： 1 r e a s e a r c ht h ef l x d o aa n de b b a l g o r i t h m ： w i t hm a t l a bs i m u l 越i o n , t h ef i x d o aa n de b ba l g o r i t h mc o u l dg e ta b o u t7d b b e s m f o r m i n gg a i n s 2 p r o p o s eak i n do f q m c h yg ea l g o r i t h mt oe b b i m d e i m s i n rc r i t e r i o n 【： w i t ht h ea n a l y s i s ，t h ec a l c u l t a t i o no f o p t i m i z a t i o nw e i g h tu n d e rm s i n rc r i t e r i o nc o u l d c h a n g et ot h eg ep r o b l e m ；b 廿ta c c o r d i n gt ot h ec h 锄盈c t e ro f t d - s c d m a t h a tt h eu p l i n k c h a n n e le q u a lt ot h ed o w n l i n kc h a n n e l t h eg ep r o b l e mc o u l db et r a n s f o r mt ot h ec a l c u l a t i o n o f t h ec h a n n e lc o r r e l a t i o nm a t r i c e sa n dr e c e i v e ds i g n a lc o r r e l a t i o nm a t r i c e s a n dw i t ht h i s m e t h o d , t h ea l g o r i t h mc o m p l e x i t yr e d u c eg r e a t l y w i t hm a t l a bs i m u l a t i o n t h ee b b a l g o r i t h mb a s e o nm s i n r l e a dm o r eg a i nt h a nm s n r c r i t e r i o n 3 p r o p o s ea k i n do f m u l t ib e m f o r m i _ n g a l g o r i t h m ； t h ee b ba n df i x d o aa l g o r i t h mg e tl i t t l eg a i nw h e nt h ec h a n n e lc h a n g eq m c h yu n d e r t h eq m c k 盯m o v e m e n to f t e m i n a l ，b e c a u s et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eu p l i a kc h a n n e la n dt h e d o w n l i n kc h l l n 1 lb e c o m ew e a k e r t h em u l t i - b e a m f o r m i n ga l g o f i t h r ag e n e r a t es e v e r a lw e i g h ta td e s i r e du s e r ss e v e r a lp a t h , w i t ht h i sm e t h o d , t h er e c e i v e ds i g n a lw o u l db ei n c r e a s e d w i t ht h em a t l a bs i m u l a t i o n , t h em u l t ib e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sg e to b v i o u sg a i nt h a n t r a n d i t i o n a lb e a a a f o r m i n gm g o f i t h m 4 a1 3 e a r a f o m a i n gs c h e m eb a s e do ne i g e n v a l u ed i s t r i b u t i o ni nt d s c d m a w i m t h e o r y , t h eg o b a n de b ba l g o r i t h ml i m i tb yd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t s o i nt h i sp a p e r , a e a m f o r m i n gs c h e m eb a s e do ne i g e n v a l u ed i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e d w h i c hc a n a d a p t i v e l yu t i l i z ed i f f e r e n tb e a m f o r m i n g a l g o r i t h ma c c o r d i n g t ot h e e i g e n v a l u ed i s t r i b u t i o n w i t hm a f l a bs i m u l a t i o n w h e nt h er a t i ob e t w e e nt h em a x i m u me i g e n v a l u ea n d s u b m a x i m u me i g c n v a l u ei sb i g g e rt h a n2 2 , t h eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mc h a n g et og o b ， w h i l et h em a x i m u me i g e n v a l u ea n ds u b m a x i m u me i g e n v a l u ei ss m a l l e rt h a n1 0 , t h et h e b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mc h a n g et oe b b o t h e r s ，k e 印w i t hi n t r i n s i ca l g o r i t h m k e y w o r d s ：s m a r ta n t c n n s s d o w n l i n k b e a m f o r m i n g e b bm u l t ib c a m f o r m i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻种技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一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。 学位论文作者签名乇入前召日期：。7 年， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名：濠 弓 如) 年丫月c 日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究t d - s c d m a 系统的意义 随着世界经济全球化的发展以及我国加入w t o ，国内各界对国际标准和知识产权 的重视程度不断提高，我国已经制订了全面的标准战略、专利战略和人才战略。而我国 在第三代移动通信( 3 g ) 国际标准研究方面率先获得了突破，由大唐集团代表我国提出 的t d - - s c d m a 标准已经被国际电联接纳并成为世界三大主流3 g 标准之一。 这一标准从1 9 9 8 年提出发展到今天，走过了一条艰难曲折的道路。这其中有技术 的攻关，也有不同标准之间的激烈斗争更有产业化的艰难推进。在这一过程中，人们逐 渐认识了技术标准以及技术标准中所包含的知识产权对于一个企业和一个国家的重要 意义。 我们从以下两个方面来阐述研究t d - s c d m a 系统的意义。 1 i 1t d s c d m a 特点 t d - s c d m a 系统是我国提出并被国际电联采纳的第一个具有自主知识产权的移动 通信空中接口标准。由于其采用t d d 模式，因此相对于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 而言。 具有以下技术优势f 1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 有利于频谱的有效利用 采用不需要配对频率的t d d 方式，上下行链路的信息是在同一载频的不同时间 间隔上传送的。 ( 2 ) 更适合于不对称业务 在t d d 模式下，在周期性重复的时间帧里传输基本的t d m a 突发脉冲( 与g s m 相同) ，周期性地转换传输方向，在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。这样， 可以根据业务的不同而任意调整上下行转换点，适用于不对称的上下行数据传输速 率，尤其适合口分组型数据业务对于对称和不对称业务，t d d 模式都可提供最佳 频谱利用率和最佳业务容量。 ( 3 ) 上下行链路中具有对称信道特性 由于采用t d d 的双工方式，使得用同一频率的上下行链路具有相似的电波传播 特性，便于采用智能天线等新技术，提高系统性能、降低成本。 ( 4 ) 同步c d m a 1 1 ) s c d m a 是同步的c d m a ，它克服了异步c d m a 技术由于每个移动终端发 射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，既提高了 西安科技大擘硕士学位论文 系统的容量，又使硬件得到简化。 ( 5 ) 和u t r a t d d 相比可以独立组网 t d - s c d m a 与u 吼t d d 的最大区别是：u t r a t d d 是w c d m a ( f d d ) 系 统的一个补充，用于室内环境，提供高速数据和多媒体业务；而t d - s c d m a 是基 于玎u 对i m t - 2 0 0 0 的全部要求来设计的，解决了移动速度和小区半径等t d d 的问 题，本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。 1 1 2 研究t d - s c d m a 系统的战略意义 首先，t d s c d m a 是个先进的国际认可的技术标准。虽然在产业化的道路上， t d - - s c d m a 目前可能还稍落后于另外两个标准，但是，应该看到其起步比其他两个标 准要晚了许多，而其成熟的速度却被公认为是最快的。在技术方面，其频谱利用率也是 目前最高的。几年来的发展，实际上已经逐步改变了业界对t d d 技术的偏见。而且最 新的研究表明，更远期的移动通信技术，很有可能是基于t d d 的。因此，t d - - s c d m a 的发展，是我国企业对世界移动通信技术发展的贡献，人们相信，t d s c d m a 不仅会 造福中国人民，而且会造福世界人民。 其次，从我国产业发展的角度看，支持1 d s c d m a 技术，将使我国的移动通信 产业有一个真正的腾飞。如前所述，由于大唐在t d - - s c d m a 技术的知识产权上拥有 决定性的发言权，这无疑是我国企业发展的最有利的条件。如果没有这种发言权，我国 企业就将永远像现在我国的d v d 企业那样，与这家联盟谈完专利费，再与另一个联盟 谈专利费，而自己手中却没有一个筹码。通俗一点说就是，在三个国际3 g 标准之中， 另外两个标准的发展如果没有我国企业的参与，其发展实际上不会受到太多的影响，而 t d s c d m a 的发展，如果没有我国企业的参与将是不可想象的。因此，保证t d s c d m a 产业化的成功对我国信息产业的发展有着非凡的意义。1 1 ) s c d m a 系统作为自 主知识产权的系统，更关系到我国信息产业安全发展及我国国计民生的问题。 因此，研究t d - s c d m a 系统并使之不断完善就有了深远的意义。 1 2 研究智能天线技术的意义 移动通信传输环境较恶劣。由于多径衰落、时延扩展造成的符号间干扰、共信道干扰 以及c d i m a 系统的多址干扰都会带来链路性能变差、系统容量下降的问题。传统的技 术都是利用时域、频域信息来对抗，但实际上这些信号在空域也存在差异，这就是智能天 线被引入的一个重要因素； 利用智能天线技术，可以充分利用有用信号和于扰信号在空间方位上的差异，选择恰 当的合并权值，形成最优的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣或者领先对 准主要的干扰信号( 如图1 1 所示) 1 3 1 ，从而可更有效的抑制干扰，更大比例的降低频率复 2 1 绪论 用因子，和同时支持更多用户在某种意义上，我们可以将智能天线看作是更灵活、主瓣 更窄的扇形天线 归纳起来，智能天线技术具有如下的优势： l 、抗衰落、减少多径效应：由于智能天线有波束赋形的功能，可减少多径的影响，抗多 径衰落： 2 、抗干扰：即将主瓣方向对准期望用户，零陷和低增益旁瓣对准干扰用户，从而可更 有效的抑制干扰； 3 、增加覆盖范围：在接收端，由于天线阵列对信号进行相干接收、噪声非相干相加， 因而可获得信噪比增益，该增益与接收天线的数目成正比，这样可以降低天线的 发射功率，而在同样的发射功率情况下，可增加覆盖范围。 4 、降低功率，减少成本：智能天线可以对特定用户的传输进行优化，这样就会使发射 功率降低，从而降低放大器的成本； 5 、提高通信的安全性：在传统无线通信技术中，在整个小区内都可以接昕用户的空 中接口无线信号，但在采用智能天线技术后，由于波束的定向作用，只能在有限区 域接收到用户信号，提高了通信的安全性。 6 、实现移动台定位：大多数蜂窝移动通信系统智能确定移动台所处的小区，采用智 能天线技术后，可以随时确定用户所处位置，不但给用户和网络管理之提供很大 方便，还可开发出更多的新业务 幻8 佃 图1 , 1 智能天线信号增强及干扰抑制原理图 在目前第三代移动通信标准中，除了中国的t d s c d m a 明确使用智能天线外，其他 有影响的标准如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等也都将智能天线作为可选方案，并加速进行智 能天线在f d d 系统中的应用研究。目前，国际上已经将智能天线作为未来无线通信技术 发展的主要方向之一，是一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是未来无 线通信系统中不可或缺的关键技术之一 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 国内外t d - s c d m a 系统研究现状 智能天线技术的核心是波束赋形技术，由于在t d s c d m a 系统中采用上行联合检测 + 下行波束赋形的方式。因此，当前t d - s c d m a 系统中智能天线技术研究主要集中在下行 波束赋形算法方面。 智能天线通常包括多波束智能天线和自适应智能天线【1 】【2 】。 多波束智能天线系统，也可称为切换波束系统( s w i t c h e db e a ms y s t e m ) ，采取准动态预 多波束切换方式，利用多个不同固定指向的波束覆盖整个用户区，随着用户在小区中的移 动，基站选择其中最合适的波束，从而增强接收信号的强度。 多波束智能天线系统采用空间参考算法，主要是指基于d o a 估计的一类算法，即采用 d o a f e 计方法来确定赋形权向量的。采用d o a 估计方法包括波束形成方法、参数模型 方法、子空间类方法等，其中子空间类方法以其良好的参数估计性能已经成为人们研究的 重点。 自适应智能天线系统( a d a p t i v e a n t e m ms y s t e m ) 采取全自适应阵列自动跟踪方式，通 过不同自适应调整各个天线单元的加权值，达到形成若干自适应波束，同时自动跟踪若干 个用户的目的，能够对当前的传输环境进行最大可能匹配。 自适应智能天线系统采用时间参考算法，它包括非盲算法和盲算法。 非盲算法是指需要训练序列的算法，此时接收端已知发射的训练序列，进行算法处理 时或是先确定信道响应再按一定准则确定各加权系数，或是直接按一定的准则确定或逐 渐调整加权系数，使智能天线输出与已知输入最大相关。常用的准则包括最小均方误差 ( m m s e p i t 则、最大信噪比( m s n r ) 准则、最大信干噪比( m s 玳r ) 准则等，对应着基于不同 准则的自适应算法。 盲算法不需要训练序列( 参考信号) ，而是利用接收信号的某些特性计算权向量。盲算 法包括恒模算法( c m a ) 、最d s - - 乘恒模算法( l s - c m a ) 、多目标最小二乘恒模算法 ( m t - l s c m a ) 、多目标判决导向算法( m t - d d ) 、最小二乘解扩重扩多目标阵列算法 ( l s - d r m t a ) ，最小二乘解扩重扩多目标恒模算法( l s d r m t c m a ) 等，其e p m t - l s c m a 算法和l s d r m t a 算法可认为是l s d r m t c m a 算法的特殊形式 盲算法因为不需要训练序列，因此能够提高系统的频谱利用率，但是算法复杂。非盲 算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源。 自适应智能天线系统与多波束智能天线系统，在很多方面诸如：最大化期望用户接收 功率、减少对非期望用户的发射功率以及灵活适应各种不同天线阵列类型更有优势。同 时，自适应算法在波束产生上并不拘于固定方向和形状，因而更加灵活并且可以更准确地 对用户所在实际位置进行赋形在多径环境下，指向用户的波束也可能会有多个；其根本 目标是提高期望用户的载干比并避免对其他用户形成干扰。综合来看，自适应算法将会是 4 1 绪论 智能天线波束赋形算法发展的方向。 1 4 本课题的主要研究内容 本文首先介绍了t d s c d m a 系统物理帧结构及智能天线下行波束赋形技术实现原 理。在此基础上，研究了f i x d o a 波束赋形算法及基于m s n r 准则的特征值分解波束赋 形算法在t d s c d m a 系统的实现方法，并提出了一种t d s c d m a 系统的基于快速广义 特征值分解的基于最大信干噪比准则的算法。 为了解决高速、大角度扩展信道环境下算法赋形增益下降的问题，本文提出了一种 下行多波束赋形算法。 针对g o b 与e b b 算法各有其适用的信道环境的问题，本文提出了一种基于特征 值分布的赋形算法切换方案。 利用m a t l a b 对本文所研究f i x d o a 、基于m s n r 准则的特征值分解波束赋形算 法、基于m s i n r 准则的特征值分解波束赋形算法及下行多波束赋形算法及赋形切换方 案进行性能仿真比较。 全文安排如下： 第二章t d s c d m a 系统概述 介绍了i d s c d m a 系统的技术优势以及t d s c d m a 系统物理信道结构， 1 r i ) s c d m a 系统下行信号数学模型； 第三章智能天线原理 研究了智能天线原理及常见的下行波束赋形算法； 第四章t d s c d m a 系统下行e b b 波束赋形算法； 研究了m s n r 下行e b b 波束赋形算法；根据t d l s c d m a 系统上行信道估计可用 于下行赋形的特点，提出了基于快速广义特征值分解的基于m s i n r 准则的特征值分解波 束赋形算法，并利用m a t l a b 仿真比较了它与基于m s n r 准则的特征值分解波束赋形算 法性能。 第五章t d s c d m a 系统下行g o b 波束赋形算法； 提出了一种低算法复杂度的g o b 波束赋形算法：f i x d o a 算法；并针对信道快速变 化时，传统算法赋形增益下降的问题，提出了一种m b f 下行多波束赋形算法。并利用 m a t l a b 进行性能仿真，并对仿真结果进行了分析比较。 第六章t d - s c d m a 系统基于特征值分布的自适应赋形切换方案； 针对e b b 和g o b 算法在不同信道下赋形增益不同的问题，提出了一种通过计算信 道相关矩阵最大与次大特征值比值大小来自适应的进行波束赋形算法切换的方案。并利 用m a t l a b 进行性能仿真，并对仿真结果进行了分析比较。 第七章结论 5 西安科技大学硕士学位论文 2t d s c d m a 系统概述 2 1t d - s c d m a 系统技术优势 t d - s c d m a 是由我国提出的一种t d dc d m a 标准，由于它采用了智能天线、联合 检测、同步c d m a ，软件无线电以及动态信道分配等多项关键技术，使得它兼具了 c d m a 、t d m a 以及s d m a 三者的特点。和其他3 g 系统相比，也有其独特的优势。为 了便于比较，我们通过三张表来描述t d s c d m a 系统的技术参数及其与w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 及h c r ) d 的异同。 表1 1t d - s c d m 系统标准技术概况 接入方式t d m a ，c d m a 双工方式 t d d 带宽 1 6 m h z 码片速率1 2 8 m c h i p s s 载波频率1 8 8 0 - 1 9 2 0 m h 班0 1 0 - 2 0 2 5 2 2 0 0 - 2 3 0 0 z 业务速率 最高3 8 4 k p s 帧长 2 * 5 m s 时隙结构7 个时隙，上行导频时隙，下行导频时隙。保护问隔 多速率技术多时隙+ 多码字 f e c 编码 卷积码( 如= 1 2 ，1 3 , k = 9 ) ：t u r b o ( 8 状态, r l 3 ) 交织1 0 ，2 0 , 4 0 ，8 0 m s 调制方案q p s k 成形滤波器系数为o 2 2 的根升余弦滤波器 扩频因子 1 1 6 表1 23 ( 3 中三种标准技术的差异性比较 w c d m at i ) - s c d m ac d m a 2 0 0 0 载频间隔5 m 21 6 m1 2 5 m 2 码片速率 3 8 4 m c s1 2 8 m c ，s1 2 2 $ m c s 双工方式 f d dt d df d d 帧长 1 0 m s 1 0 m s ( 子帧5 m s l 2 0 m s 信道编码卷积码、t u r b o 码 卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 调制方式q p s k b p s kq p s k g p s k数据调制：q p s k b p s k 功率控制开环结合快速闭环开环结合闭环开环结合快速闭环 功率控制速率1 5 0 0 次，s2 0 0 次s8 0 0 次，s 基站同步同步异步同步同步 6 2t d s c d m a 系统概述 衰i 3t d - s c d m a 与u l t r at d d 两种标准技术的差异性 参数1 1 ) _ s c d m 【ah c r t d d 多址方式1 1 w i ，c d m a f d m a ，s d m a t d m a ，c d m a ，f d m a 双工方式 t d dt d d 码片速率 1 2 8 m c h i p s s3 8 4 m c h i p s s 带宽1 6 h m z 5 h z 帧长和结构帧长：1 0 m s ；子帧：5 m s帧长：1 0 m s 突发类型3 种突发类型1 种突发类型 数据调制 q p s k $ p s k q p s k 数据速率3 s 4 k b p s ( 室外) ；2 m b p s 功率控制上行开环和闭环；下行闭环上行开环；下行闭环 信道估计 m i d a m b l e 码m i d a t a b l e 码 同步要求基站间同步；u e 与n 0 d e 基站间同步 通过以上三个表，我们可以得出t d s c d m a 具有以下优势： ( 1 ) 频谱利用率最高，可以利用零散频段，频谱利用灵活 t d d 由于不需要使用成对的频率，故各种频率资源在t d d 模式下均能够得到有效的 利用；从而可以充分利用不成对的频段，分配频段相对来说更加简单。 ( 2 ) 更适合不对称数据业务 在f d dd s c d m a 系统中。前向业务信道与反向业务信道占用的是不同频段，在前向 信道与反向信道之间采用保护频带以消除干扰；对于t d - s c d m a 系统，前向和反向信道 工作于同一频段，前向与反向信道的信息通过时分复用的方式来传送。) d 特别适用于 不对称的上、下行数据传输速率。当进行对称业务传输时，可选用对称的转换点位置；当 进行非对称业务传输时，可选择非对称的转换点位置。 ( 3 ) 抗干扰能力强 智能天线技术自动地将天线指向期望用户，而在干扰用户方向形成零瓣，有效的抑制 了多址干扰 ( 钔系统综合成本低； 由于t d - s c d m a 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于利用智能天 线等新技术，也可达到降低成本的目的。设备成本在无线基站方面t d - s c d m a 的设备成 本至少比u 订渔t i d 低3 0 ( 5 ) 支持多种通信接口 由于t d s c d m a 同时满足多种接口的要求，所以t d - $ c d m a 的基站子系统既可作为 2 g 和2 5 gg s m 基站的扩容又可作为3 g 网中的基站子系统；能同时兼顾现在的需求和长 7 西安科技大学硕士学位论文 远未来的发展。 基于以上这些特点, t d - s c d m a 系统既适合于在城市人口密集区提供高密度大容量 话音、数据和多媒体业务，也适合郊区和农村的广域覆盖。 2 2t n s c d m a 物理信道帧结构 如图2 1 2 2 所示, t d - s c d m a 帧长为1 0 m s , 被分为2 个5 m s 的子帧，每个子帧又被 分为7 个各持续期为6 7 5 p s 的主时隙和3 个特殊时隙：d w p t s ( 下行导引) ，g ( 保护周期) 和 u p r r s ( 上行导引) 时隙的内容为对应长度的突发。每个突发包括两个数据符号域、 1 4 4 c h i p s 长度的中缀码和1 6 c h i p s 的保护期。突发的数据域长7 0 4 c h i p s 。相应的符号长 个数依赖于扩频因子。并且在t d s c d m a 系统中，所有业务时隙内激活的用户均由基站 指定m i d a m b l e 码及与m i d a m b l e 对应的扩频码序列。而所有用户的m i d a m b l e 码均由一 个根据小区序号指定的基本m i d a m b l e 码通过一定方式产生。 1一、。一r ， s w i t c l 嗌n gp o i n t 十 + 十 0士 圈2 1t d - s c d m a 子帧结构 妯瓣 i ，埔私d a 郴n b l e 3 5 2i 嘶3 5 2 一c h i o si 引 洲j1 4 4 洲泌ii 西f 图2 2t d - s c d m a 突发结构 上下行时隙阃隔短，所以可以近视看作上下行信道参数一致，可以直接把上行估计的 智能天线权系数应用于下行。 训练序列m i d a m b l e 进行信道估计。可以低代价的估计出上行信道参数。 下行导频时隙( d w p l s ) 一方面被u e 用来建立和锁定下行同步，另一方面还可被用作 下行功率测量( 包括服务小区和邻近小区) 。 ， 上行导频时隙( u p p t s ) 。u e 使用该时隙来建立与基站的上行同步。这一方面简化了 基站的智能天线的算法，另一方面还解决了数据通信时因l i e 端可能长时间没有数据发 送，从而造成基站端丢失l i e 位置信息。 8 2t d - s c d m a 系统概述 可见在t d - s c d m a 中采用诸多有利于智能天线技术，使智能天线优势可以 t i ) - s c d m a 中得到充分的发挥。 2 31 1 ) - s c d m a 系统下行信号模型 图2 3 描述的是基于下行时延和角度扩散信道模型下的t d - s c d m a 系统下行传输模 型，基站在一个小区内同时发送k 个用户的数据，各用户的扩频信号”被用户的扩频码 c ( 扩频，然后经波束加权矢量矿) 加权。 图2 3t d - s c d m a 系统f 行传输模型 形( ( 七) = 【形( 七) ，w ( k ，j 勖) 】1 基站用户k 的n * i 发送数据矢量： j ( ) = 【d ( 1 f ，d ( ) 7 r 基站总的在同频率同时隙的总用户k 总的k n * i 维的发送数据矢量为： d ( ) = 【d ( 1 y r ，d 隹丌】7 定义组合信道冲激响应： b 护) = c 劬( h w 劬) 其中，h o k ) 表示基站和用户k 之间总的冲激响应 利用( 2 4 ) 式就可以得到用户k 接收数据矢量( ( n q + w - o 维) 的表达式： p ( ) = 彳( ) d + n a 定义为基站到用户k 的系统矩阵： a ) = 【a 啦n ，a 啦的】 f b k , p 疗= 1 【a 忙f 力】f 。- l 尬，= i = i q + w ip = l ，k 1 0其它 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 西安科技大学硕士学位论文 3 1 智能天线综述 3 智能天线原理 智能天线技术来源于传统的阵列天线技术。他的目的是利用用户波达角的不同，有效 的从空间上区分不同用户，达到空分多址的目的。其原理是依据相应的算法处理，对基站 的接收和发射波束进行波束形成和赋形，从而形成窄波束，使其主瓣对准期望用户，而在干 扰方向尽可能的形成衰减甚至零陷，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信 质量、降低发射功率和提高无线数据传输速率的效果。 智能天线之所以能够识别和利用空间方位信息，是因为它的阵列天线中，各个天线阵 元位于不同的空间位置上，在接收上行信号时，信号到达各个天线阵元的时间不同，在已知 天线阵元的空间分布情况的前提下，可根据各个天线阵元接收到的信号之间的时差推算 出信号的来波方向d o a 。 同理，在下行发送时，由波束方向( 以上行d o a 作为下行波束方向) 可推算出信号从各 个天线阵元到达用户的波程差，以及因波程差造成的信号时差，通过控制各个天线阵元上 激励信号的时延，可以抵消波程差造成的时差，使得在d o a 方向上各路信号同相叠加，形 成预期的波束 3 1 1 智能天线分类 智能天线从其实现原理上可以分为两类：波束切换智能天线系统和自适应智能天线 系统 1 波束切换智能天线系统( s w i t c h e d b e a ms y s t e m ) 多波束智能天线系统，也可称为切换波束系统，采取准动态预多波束切换方式，利用 多个不同固定指向的波束覆盖整个用户区，随着用户在小区中的移动，基站选择其中最合 适的波束，从而增强接收信号的强度。多波束智能天线虽然具有结构简单、响应速度快等 优点，但是对干扰的抑制能力有限，难以实现信号最佳接收，当用户信号偏离主瓣方向时， 接收效果变差。波束转换天线阵结构框图如图3 1 所示 图3 i 切换波束系统框图 1 0 3 智能天线原理 2 自适应智能天线系统( a d a p f i v ea n t e n n as y s t e m ) 自适应智能天线其原理框图如图3 2 所示， 叵卜 ； 只、 r j 。l b 叵卜 l if l 通脚掉弦卜 图3 2 自适应智能天线框图 自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反 馈控制系统。它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将 干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。 由于自适应天线阵接收到的信号被加权和合并，取得最佳的信噪比系数，采用m 个阵 元自适应天线理论上，自适应天线阵的价值是能产生m 倍天线放大，可带来l o l g m 的s n r 改善。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率可减小这不但表明可以延长移动台电池 寿命或可采用体积更小的电池。也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链 路；对基站发射而言，总功率被分配到m 个阵元，又由于采用d b f 可以使所需总功率下降， 因此每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。自适应智能天线在理论 上性能可以达到最优，但其实现结构和算法复杂度均明显高于多波束智能天线。随着数字 信号处理技术的迅猛发展，特别是d s p 芯片处理能力和速度的不断提高，进一步增加了自 适应智能天线的工程应用前景 3 2 窄带标准 窄带标准是实现本文的宽带c d m a 智能天线下行发送系统的重要前提条件；所谓的 窄带标准是指信号应具有不变可加性，即信号相加前后波形或频谱结构不变。相加前后谱 结构不变则认为信号相干性强，相加前后谱结构畸变则认为信号相干性弱 4 1 。 相关文献已经给出了具有一定带宽的信号的相干条件，即： b “1 r ( 3 1 ) 定义： p = 所( 3 2 ) 则由公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 可得： p = 所l( 3 3 ) 西安科技大学硕士学位论文 满足上式即为窄带条件。即信号在阵列上的延迟比信号的带宽倒数小得多，信号包络 沿阵列的延迟可以忽略不计。即可以认为窄带信号同一用户的同一径在各个阵元上的幅 度相同，只是相位不同。 电磁波在空间中传播需要时间，因此空间的跨度可能造成信号的相对时延。尺寸为l 的天线( 包括天线阵) 可能造成的信号时延的最大值为： f 。= l l c ( 3 4 ) 其中c 为电磁波传播速度。按照式( 3 3 ) ，则相干指数最大为 p = 历k = b l i c( 3 5 ) 对于的m 元线阵，若阵元间距d 为载波波长z 的一半，载波频率为2 g , n ： p = 6 r k = 烈m 一1 ) 名2 c = 烈m i ) 2 l ( 3 6 ) 使用宽带c d m a 模型中的参数b = s t l = 2 0 ，并设天线阵元数m = 8 ，则代入式( 3 6 ) 可 得 户= 历o = 0 0 0 8 7 5 l ( 3 7 ) 满足窄带条件，因此可以得到以下结论：第三代移动通信系统相对于第一代第二代移 动通信系统而言，可以称作宽带系统，但是由于第三代移动通信系统使用的波段高达 2 g h z , 所以在天线尺寸不甚大时仍然具有很好的信号相干性，从智能天线的角度而言仍 然满足窄带标准。 3 3 天线阵列 天线阵列由一套天线阵元组成，天线阵元按照一定的几何规则在空间分布。一个随机 排列的天线阵列如图3 3 所示。 弋7 l _ 弋7 i 黎v 可态 慕 ；r 图3 3 随机阵列的示意图 为了简化分析，做如下假设： l 、天线阵元间的间隔足够小，以致入射