（无线电物理专业论文）采用定向多波束智能天线的cdma系统研究.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 本文系统介绍了智能天线技术及其发展现状，着重比较了自适应智 能天线和定向多波束智能天线之间的区别，从而得出定向多波束智能天 线的优点和实用价值。本文重点研究了在现有的c d m a 系统基站处采 用定向多波束智能天线技术，给出新系统的结构框图，并阐述各功能实 体的作用。然后详细分析了新系统的性能改善，包括覆盖面积的扩展、 系统容量的提高、抗干扰能力的增强以及系统成本的降低等。本文力求 给出清晰的整体思路，对智能天线研究和无线网络优化有借鉴意义。 关键词：移动通信；定向多波束；c d m a 系统；多址干扰；载干比 兰9 i 1 大学研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fs m a r ta n t e n n a a r e i n t r o d u c e d ，t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e n a d a p t i v e s m a r ta n t e n n aa n d d i r e c t i o n a lm u l t i - b e a ms m a r ta n t e n n aa r e s p e c i a l l yc o m p a r e d ，a n d t h e e x c e l l e n c ea n dp r a c t i c a l i t yo fd i r e c t i o n a lm u l t i b e a ms m a r ta n t e n n aa r e p o i n t e do u t i no r d e rt o d e s c r i b et h en e ws y s t e m ，i nw h i c hd i r e c t i o n a l m u l t i b e a ms m a r ta n t e n n ai su s e di nb a s es t a t i o n so ft h ep r e s e n tc d m a s y s t e m ，t h ef r a m ew o r k i sw o r k e do u ta n dt h ef u n c t i o n so fa l lp a r t so ft h e n e ws y s t e ma r ee x p 6 u n d e d t h e nt h ei m p r o v e m e n to ft h i sn e ws y s t e mi s a n a l y z e d ，s u c h a st h ee x t e n s i o no fc o v e ra r e a ，t h ei n c r e a s e so fs y s t e m c a p a c i t y , t h ei m p r o v e m e n to fa n t i - i n t e r f e r e n c ea n dt h ed e c r e a s eo fs y s t e m c o s t t h en e w s y s t e mw h i c hi sa n a l y z e d a saw h o l ew i l lp r o m o t et h es t u d i e s o ns m a r ta n t e n n aa n d o p t i m i z a t i o n o fw i r e l e s sn e t w o r k k e y w o r d s ：m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ；d i r e c t i o n a l m u l t i b e a m ；c d m a s y s t e m ；m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ；c a r r i e r t o i n t e r f e r e n c er a t i o i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：尊金区 日期：兰咀：竺塑 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名：拿龃日 期：碰：垒! 鲨 兰州大学研究生学位论文 l 引言 众所周知，移动通信中有限的频谱资源异常宝贵，如何进一步提高频谱利用率， 增加系统容量，一直是移动通信技术发展中最为重要的课题。 移动通信的发展经历了几个阶段“叫。第一代移动通信自8 0 年代开始发展，以 美国的a m p s 系统为代表，采用模拟调制，其多址技术f d m a ( 频分多址) 为每 个用户分配一个唯一的频段或信道，如果某一个f d m a 信道没有被使用，那么它 就处于空闲状态，而且不能被其他用户使用以增加或共享系统容量，因此其频谱 利用率较低。另外，由于模拟通信系统容量的限制，不能满足大量手机用户数， 随着申请手机用户数的急速增多，便会发生过载( o v e r l o a d ) 现象，尤其在城市过 载现象更为严重，将导致通话呼叫被阻隔、中断或者发生串音等现象，通话品质 也随之下降。 随后，移动通信从第一代模拟调制发展到第二代数字调制。数字调制t d m a ( 时 分多址) 的代表性通信标准为北美的i s 5 4 系统和欧洲的g s m 系统。t d m a 系统 把无线频谱按时隙划分，n 个时隙组成一帧，使几个用户共享一个载波频率，每 一个时隙仅允许一个用户使用，要么接收要么发射，相比第一代移动通信系统而 言，虽然稍微提高了系统容量，并采用独立的逻辑信道传送控制指令，系统性能 大为改善，但是通话递交( h a n d o v e r ) 时的性能还有待改进，而且整个通信系统 的容量仍不理想。 因此，移动通信业界更期待一种先进的复用技术，既是数字调制，还要占用 少量的带宽，提供更高的系统容量。 c d m a 技术以它在系统容量、业务质量、安全性和可靠性等方面的优势倍受 关注。在c d m a 系统中，所有用户共享同一载率，并且可以同时发射，采用伪随 机码序列( p n 码序列) 区分每一个用户。c d m a 技术改变了原有的蜂窝式通信系 统和个人通信系统( p c s ) 的面貌，大幅度增加了系统容量，克服了多重路径造成 的影响，改善了传输信号质量，减少了通话递交造成的断话现象，其频谱规划简 兰州大学研究生学位论文 单，能提供更好的语音与数据服务。 近年来，智能天线技术也逐渐成为移动通信发展的热门话题。与现有的信道 扩容方案频分多址、时分多址、码分多址不同，智能天线采用空分多址( s d m a ) 技术，利用在信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙、同地址码的信号区分 开来，可以成倍的扩展通信容量，并和其它复用技术相结合，能最大限度地利用 有限的频谱资源。智能天线还相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天 线波束控制下，可以显著降低用户信号之间的干扰。此外，智能天线还具有扩大 系统覆盖区域，降低基站发射功率，节省系统成本和减少电磁环境污染等优点。 第三代移动通信系统i m t 0 2 0 0 0 与第一代、第二代移动通信相比，具有如下更 高的要求“1 ： ( 1 ) 频谱利用率高； ( 2 ) 提供全球无缝覆盖和漫游； ( 3 ) 支持语音通话服务和多媒体的数据传输，按照不同的传输环境动态调整 传输带宽，使不同环境下的移动电话用户具有不同的传输速率。如图1 1 所示，在户外高速移动的汽车能达到1 4 4 k b s ，户外低速移动汽车或行人可 达3 8 4k b s ，室内的手机用户可高达2m b s 的传输率。 图1 1 i m t - 2 0 0 0 针对不同环境下的移动电话用户定义了不同的传输速率 2 兰州大学研究生学位论文 ( 4 )多种移动通信技术相融合，如蜂窝、无绳、卫星移动通信系统等，且新 系统对各个无线接口的包容性最大，以便简化多模移动终端的开发； ( 5 )适应多种运行环境，如陆地、航空和海域： ( 6 )服务质量相当于固定网的水平，安全保密性高，收费合理； ( 7 )频率及无线资源管理、系统配置、业务提供、网络结构灵活，可同智能 网( i n ) 相结合； ( 8 ) 系统起始配置简单，随后可平滑升级，支持i m t - 2 0 0 0 以前的系统的演 进和过渡； ( 9 )移动终端轻便，成本低。 在第三代移动通信的高要求下，智能天线技术和码分多址技术以其自身具有的 诸多优点，理所当然成为第三代移动通信的关键技术。 目前，被广泛研究的是自适应智能天线与现有移动通信系统相结合对整个系统 性能的改善。而本文提出的定向多波束智能天线除了具有自适应智能天线的诸多 优点外，由于其实现方法简单，无须复杂的波束赋形算法等优点弥补了自适应智 能天线的不足。实际上，智能天线技术既可以应用于移动通信基站，也可应用于 移动用户终端，但由于体积、成本和设备复杂度等因素限制，目前主要用于移动 通信基站。本文研究的内容是定向多波束智能天线技术与现有c d m a 系统基站相 结合，在分析了定向多波束智能天线的原理和特点的基础上，旨在建立系统模型， 阐述整个新系统的控制和管理过程，并对定向多波束智能天线如何提高c d m a 系 统的各方面性能做了详细的分析和论述。 2 定向多波束智能天线 2 1 智能天线概述及研究方向 智能天线采用空分复用技术拍。1 ，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、 同时隙和同地址码的信号区分开来。它以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个 期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制，可以成倍地扩展通信容量，并和其他 兰州大学研究生学位论文 复用技术相结合，能最大限度地利用有限的频谱资源。 智能天线波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理 方向。实际上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是 在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想 的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束 并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效发射功率以减小电磁干扰。另外， 在实际移动通信信道中，由于复杂的障碍物结构以及大量用户之间的相互影响， 系统会产生时延扩展、多径干扰、同信道干扰等现象，使通信质量受到严重影响， 智能天线技术可以有效的解决这些问题。 智能天线一般分为三种类型：自适应智能天线、预多波束智能天线和定向多波 束智能天线。 自适应智能天线利用数字信号处理技术、波束控制技术和空间数字处理技术连 续调整其自身的方向。图，通过波束形成算法使天线主波束对准目标用户到达方向， 方向图零陷对准干扰信号到达方向，实现充分利用用户信号并抑制干扰信号的目 的。自适应智能天线一般采用6 1 6 个天线阵元，阵元间距1 2 波长，间距过大则 各接收信号之间的相关程度降低，间距过小则方向图会形成不必要的副瓣。由于 自适应智能天线能形成不同的天线方向图，并且可以通过软件更新自适应算法， 自适应地调整方向图，可以在不改变系统硬件配置的前提下，增加系统灵活性， 所以又被称为软件天线。 预多波束智能天线预先利用方向图合并算法，综合出指向不同角度的固定形状 方向图所对应的阵元加权系数，并将这些阵元加权系数按顺序存储在数据库中以 供查用。在系统实际工作时，通过测向确定用户信号的波达方向( d o a ) ，然后根 据信号的波达方向在阵元加权数据库中选取合适的阵元加权，将固定形状方向图 的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。对于处于非主瓣区域内的干扰信 号，是通过低的旁瓣电平来抑制的。 4 兰州大学研究生学位论文 定向多波束智能天线采用若干个高增益、强定向、低旁瓣天线单元形成多个并 行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确 定而确定。随着用户在小区中的移动，基站通过各天线波束内接收信号强度比较 出移动用户的位置，根据比较结果将发射信号切换到接收信号最强的一面或几面 天线，实现用户跟踪。处于非主瓣区域内的干扰信号是通过强定向天线的低旁瓣 电平抑制的。 目前对智能天线的研究主要集中在前两种方法上，尤其是自适应智能天线。自 适应智能天线研究的核心是自适应算法。“1 ，目前已提出很多著名算法，主要包括 非盲算法和盲算法两大类。在实际移动通信环境中，天线接收到的信号中包含大 量的目标用户自身的多径信号和同频干扰用户的多径信号，干扰遍布周围各个方 向，且干扰数目远大于阵列天线单元数，自适应算法无法形成凹点来抑制所有干 扰信号。另外，自适应智能天线权值的形成是通过迭代法来实现的，系统的响应 速度将受到限制，对于高速运动的用户很难实现实时跟踪。因此，自适应智能天 线由于移动通信复杂的传输环境、信号处理的巨大计算量等因素，使得理论分析 中很好的方法难以在实际基站中应用。 定向多波束智能天线结构简单，无须判断信号波达方向，无须复杂的波柬赋形 算法，可以避免自适应天线研究中的诸多难题，易于在实际基站中实现，因此是 移动通信领域的一项实用技术。 2 2 智能天线原理 智能天线使用一系列天线阵元，连接在合并网络上。如图2 1 所示，图中给出 了一个任意的天线元阵列。其中，妒是入射到阵列上的平面波的方位角，口是仰角， 水平面用口= 州2 表示。 为简化天线阵列的分析，作如下假设t ( 1 ) 阵元间距足够小，不同阵元接收到的信号幅值相同； ( 2 ) 阵元间没有互耦合； 兰州大学研究生学位论文 ( 3 ) 所有入射场都可分解为一系歹u 离散的平面波，即信号的数目有限； ( 4 ) 入射到阵列上的信号带宽小于载频。 对来自( 口，矿) 方向的入射平面波，入射到阵元m 和原点参考阵元的信号分量间 的相位差为 a g m = f l a d 。= 卢( c o s # s i n o + y 。, s i n o s i n 0 + z e g s o ) ( 2 1 ) 其中，卢= 2 7 r ，a 是相位传播因子，旯= c f 表示波长a 图2 1确定入射到任意天线元阵列的平面波波达方向( d o a ) 的几何坐标系 一般说来，构成阵列的阵元可按任意方式排列，但通常是按直线等距、圆周等 距或平面等距排列的，并取向相同。图2 2 给出了一个m 元的直线等距天线阵列， 取向沿x 轴，陴元间距为a x 。阵列的每一条支路都具有一个权因子，权因子 具有榴应的幅度和相位，阵列的基带复包络如图2 2 所示。 考察个入射到阵列上的平面波，其与阵列轴线所夹的入射角为( 口，庐1 。用基 带复包络s ( f ) 表示平面调制波。暂且假设所有阵元都是无噪声的各向同性天线，在 各个方向具有相同的增益。由式( 2 ) 及= m a x 知，阵元m 上接收到的信号为 6 兰州大学研究生学位论文 0 ) = a s ( t ) e 一9 “= 4 j ( r ) p 一。4 ”“。“5 “9 阵列输出端的信号z ( f ) 为 m - !m - 1 z ( ，) = ( f ) = a s ( t ) w e 一伽“蛐8 = a s ( t ) f ( o ，) m = om = o ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中a 是任意的增益常数，f ( o ，庐) 称为阵列因子，是波达方向的函数，定义为阵列 输出端的信号z ( f ) 与参考阵元处测得的信号a s ( t ) 的比值。通过调整权集 ，可 以将阵列因子的最大主瓣对准任意方向( o o ，疙) 。 图2 2 取向为x 的直线等距阵列接收来自 ) 方向平面波时基带复包络模型 在阵列输出端接收到的功率为 p = 弘1 研= 三1 a 酬2 i f ( e ，硝 ( 2 4 ) 为说明权集 能改变天线阵列的方向图，令第m 个极闵子曲 = e j , a r a “。“ ( 2 5 ) 7 兰州大学研究生学位论文 于是阵列因子为 盯- 1 f ( o ，= e 一伽蛳印”“嘲 m = o j 譬( m s ，n 口一一 ) p ( 2 6 ) 在x y 水平面上，考察平面波入射到图2 2 所示阵列上的情况( 即日= 州2 ) 。 这种近似对于很多蜂窝和p c s 的智能天线应用都是合理的。图2 3 给出唬为4 5 。 和8 0 。时的阵列因子，只调整丸这一个参量，就可以把波束指向任何希望的方向。 做代换 c o s f = c o s # s i n o ( 2 7 ) 图2 2 中0 是平面波 与z 轴的夹角，类似地， 这里是平面波与x 轴 的夹角。这表明，各向同 性阵元组成的直线阵列， 其天线方向图是关于阵 列轴圆周对称的。 通常情况下，阵列因 子方向图是0 和庐的函 数。如果每个阵元的场方 向图为岛( 口，) ，所有阵 元的性能和取向相同，则 图2 3 图2 2 所示阵列用d b 表示的阵列因子图 阵列的总场方向图为 f ( 口，妒) = f ( o ，) g 。( 曰，妒) 8 ( 2 8 ) 兰州大学研究生学位论文 这称为方向图相乘原理“”。由于每个阵元和入射平面波都具有极化状态，假定 入射到每一个阵元上的平面波是共极化的，则平面波与阵元的相互作用中没有极 化损失。 用向量形式表示天线阵十分方便。定义权向量为 w = w o w , 坳一。r ( 2 9 ) 其中上标日表示赫密特转置，就是取复共轭后再转置。各个天线阵元的信号合成 一个数据向量 u = ( f ) “。( r ) 。一。o ) 】1 ( 2 1 0 ) 于是，由式( 2 3 ) 知，阵列输出z o ) 可以表示成阵列权向量w 和数据向量u ( r ) 的 内积，即 z ( t ) = w ”u ( f ) ( 2 1 1 ) ( 口，) 方向的阵列因子为 ，( p ，庐) = w “a ( o ，痧) ( 2 1 2 ) 向量a ( o ，妒) 称为( 口，矿) 方向的导引向量。如图2 1 所示，当平面波从( p ，痧) 方向入射 时，导引向量a ( 口，妒) 表示各个阵元信号与参考阵冗( 阵元0 ) 信号间的相位差。利 用式( 2 i ) ，导引向量为 a ( 曰，妒) = 1 ，q ( 口，班( 只班a n 一。( 口，庐) 7 ( 2 13 ) 其中 ( 口，痧) = e 一 h 8 姗“蜘蚰如舢钿删9 ) ( 2 1 4 ) 包含所有口和庐值的一组导引向量称为阵列流形( a r r a ym a n i f o l d ) ，阵列流形不 仅有利于阵列分析，而且在定向、下行波束形成以及阵列操作等方面都起着十分 重要的作用。( 秽，庐) 这对角被称为接收平面波的波达方向( d o a ) 。除非特殊说明， 都认为多径分量以水平方向到达基站，因此方位角就可以完全确定d o a 。 2 3 定向多波束智能天线原理 定向多波束智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图 1 2 1 3 ，如图 9 兰州大学研究生学位论文 2 4 所示。 定向多波束智能天线使用阵列天线技术，在同一信道中利用多个波束同时给多 个用户发送不同的信号，并从多个固定波束中选择其一，检测其信号强度。当移 动台越过扇区时，信号从一个波束切换到另一个波束，能在特定的方向上提高系 统的灵敏度，从而提高通信容量和质量。定向多波束智能天线阵结构如图2 5 所 示。 1 3 5 杉- 一。 夫、j j ，一一。c j ， 、氇 、j ：舞 n 、 形， 7 、双 。 i ， 、 图2 4 。定向多波束智能天线方向图图2 5 走向多波束智能天线系统框图 由图2 5 可知，定向多波束智能天线阵由波束形成网络、射频( r f ) 切换和选 择特定波束的逻辑控制电路组成。通过选择输出，就使用了固定波束中的个， 每个接收机的波束选择必须是分开进行的。如何实现波束选择主要取决于是 f d m a 、t d m a 还是c d m a 系统。 为保证定向多波束智能天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的 信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别“照射”不同用户，特 别地，要求在每个波束中发送不同的信息而且互不干扰。 定向多波束智能天线形成的每个波束方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元 兰州大学研究生学位论文 的数目变化而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强 度最大。在实际通信中，用户信号未必在固定波束中心，若用户在波束边缘，干 扰信号在波束的中央，则接收效果最差。因此，与自适应天线相比，定向多波束 _ 智能天线不利于实现信号的最佳接收。由于扇区失真，定向多波束智能天线增益 在方位角上不能均匀分布。但由于定向多波束智能天线所形成的固定波束方向图 通常都具有较窄的主瓣宽度和较低的旁瓣电平，所以当用户量较大时，其性能和 自适应智能天线相差无几。 2 4 定向多波束智能天线的特点 定向多波束智能天线与自适应智能天线相比，具有以下特点“”“1 ： ( 1 ) 提高了基站接收机灵敏度。自适应智能天线的波束增益取决于天线阵元 数，通常为6 1 6 个单元，其最大增益可由公式g = 1 0 1 9 n 给出，其中n 为阵元数目。其极限增益为1 2 d b ，实际最大增益为7 s d b 。而定向多 波束智能天线实际增益为1 5 1 8 d b ，可使通信距离增大2 3 倍。 ( 2 ) 提高了基站发射机的等效发射功率。同等功率的发射机由于智能天线波 束能量的集中，将使发射效果得到改善，同样其功率增益为g = 1 0 1 9 n ， 定向多波束智能天线较自适应智能天线增益高7 1 0 d b 。 ( 3 ) 降低了系统干扰。定向多波束智能天线的强定向性可有效减弱单元天线 的干扰信号强度，抑制多径效应的影响。 ( 4 ) 增加了c d m a 的系统容量。c d m a 系统是一个自干扰系统，其容量限 制主要来自于本系统的干扰，使用定向多波束智能天线后，每个定向窄 波束内的白干扰将大大降低，这样就可以大幅度增加系统容量。定向多 波束智能天线的波束数可以远多于自适应智能天线波束数，因而在系统 容量提高方面要优于后者。 ( 5 ) 改进小区的覆盖。自适应智能天线通过软件自动优化小区覆盖。定向多 波束智能天线可根据小区分布的实际需要优化天线增益和分布，实现更 兰州大学研究生学位论文 好的覆盖效果。 ( 6 ) 降低基站成本。在基站设备中，高功率放大器( h p a ) 的价格随功率的 增大而剧增，c d m a 基站系统使用h p a ，因而其成本很高。若在c d m a 基站处使用定向多波束智能天线阵列，则基站总功率由每一个天线单元 的低功率放大器共同承担，即由多个低功率放大器代替原有的高功率放 大器，可大大降低系统成本。同时，由于使用定向多波束智能天线可以 增加小区用户容量，增大基站覆盖范围。因此，在同等面积内减少了基 站数，使系统成本进一步降低。 ( 7 ) 减少电磁污染。 3 采用定向多波束智能天线的c d m a 系统 3 1 小区模型 如图3 1 所示1 ， 为现有c d m a 系统的 小区模型。假设每个正 六边形代表一个理想 小区，每个小区中央设 有一个基站，各小区的 基站共享同一载频，基 站通过p n 码序列来区 分小区内的用户信号。 每个基站与移动交换 中心( m s c ) 相连接， 图3 1 现有c d m a 小区系统模型 移动交换中心与公用电话网( p s t n ) 相连接。 在小区中，基站和小区内的每个移动台之间存在两条由前向和反向c d m a 信 道组成的链路。前向c d m a 信道是指从基站到移动台的链路，反向c d m a 信道是 1 2 兰州大学研究生学位论文 指从移动台到基站的链路。用户可以同时和两个或以上的基站建立连接，即实现 c d m a 特有的软切换技术。理论上，c d m a 系统具有软容量特性，可以容纳无数 用户，但实际上，系统内的每个用户都是其他用户的干扰源，容纳的用户越多， 干扰就越严重，话音质量就越下降，这就是所谓的多址干扰现象。因此，c d m a 系统是自干扰系统，系统容量和话音质量之间应取折中。另外，基站使用全向天 线或扇区天线时，多径干扰严重，而且若达到理想覆盖范围，需增大基站和移动 台的发射功率。 在现有c d m a 系统的基站处采用定向多波束智能天线技术心”2 “，如图3 2 所 示。 图3 2( a ) 定向多波束基站模型( b ) 定向多波束小区模型 图3 2 ( a ) 表示在基站处使用定向多波束智能天线阵列，形成小个固定下行波 束，覆盖整个用户区，波束分别表示为波束l 、波束2 波束m ( 图中脚：4 ) 。 根据天线原理可知，波束主瓣的最大方向增益最强，两个波束交叉区域增益减弱。 所以，对于期望信号而言，若其位于主波束区域，则接收到基站的信号最强，若 其位于两个相邻波束的交叉区域，即波柬边缘，则接收到基站的信号相对减弱， 但仍可以把波束边缘区域的增益设置成满足系统的最低通话要求。对于干扰信号 而言，当其位于波束边缘时，对系统的影响很小，当其位于波束主瓣区域时，则 兰州大学研究生学位论文 对期望用户信号干扰很大，但仍可以设置成满足系统要求的最低信噪比。 图3 2 ( b ) 为m 个波束形成的波束小区平面图。每个正六边形代表一个理想波 束小区，中心波束增益最大，边缘波束增益最小。实际情况下，由于天线存在副 瓣，以及对波束覆盖效果有所要求，相邻波束小区会形成重叠区域，即图中圆形 波束小区所示。 本文分析定向多波束智能天线的c d m a 系统时，以理想的小区模型为基础， 各波束之间没有重叠，每个波束覆盖区域面积相同，且小个波束可以完全覆盖整 个用户区。图3 3 所示为理想三层波束小区模型。 假设在a 区中心处设有基站，基 站处采用高增益、强定向、低副瓣天 线阵列，可以在服务区内形成n 个波 束小区，每个波束的覆盖范围是理想 的，即每个波束的覆盖面积相同，相 邻波束问不考虑波柬重叠现象。移动 台随时监测基站每个波束的下行信 号，直到与信号强度符合规定门限的 天线波束建立连接。当用户从一个波 束小区移动到另一个波束小区时，需 要进行波束间切换，本系统采用软切 换或更软切换技术。显然，新系统的 图3 3 理想定向多波束天线基站小区 模型( 三层小区，基站设在a 区中央) 每一个波束小区相当于原来的一个基站小区，大大减少了基站的数目。而且每个 波束均由强定向、高增益天线产生，可以明显增大覆盖范围，降低基站和移动台 发射功率。 3 2 信道特征 在现有的c d m a 系统中，移动台与每个基站建立直接联系。如果在基站处使 1 4 兰州大学研究生学位论文 用定向多波束智能天线，则移动台通过空中接口与基站的波束形成天线建立连接。 前向c d m a 链路为波束天线到移动台的链路，在每个下行波束中，包括导频信道、 同步信道、寻呼信道和一定数量的前向业务信道。 导频信道：用于传送导频信息，由c d m a 波束连续不断的发送一种不调制的 直接序列扩频信号。移动台监视导频信道以捕获前向c d m a 信道定时信号，并提 供相关解调的相位参考。 同步信道：用于向移动台传送同步消息，更重要的是，同步信道信号是经过编 码、交织、扩频和调制的扩频信号，被移动台用来获取初始同步。 寻呼信道：提供基站在呼叫建立阶段传输的控制信息，寻呼信道信号也是经过 编码、交织、扩频和调制的扩频信号。 前向业务信道：在通话过程中，基站用来向特定移动台发送用户语音编码数据 或其他业务数据和信令业务。 同步信道、寻呼信道和前向业务信道要进行卷积编码和符号块交织，以便纠错 和防止数据在发送到多径衰落环境中发生突发性错误，而导频信道不需要。 反向c d m a 链路为上行波束信道，包括接入信道和反向业务信道。 接入信道：移动台用接入信道来发起与基站的通信并响应寻呼信道消息。接入 信道传输的是经过编码、交织和调制的扩频信号，每路接入信道由不同的长p n 码 区分。 反向业务信道：反向业务信道用于呼叫过程中向基站传输用户数据和信令信 息。每路反向业务信道由不同的用户长码序列标识，长码序列在反向业务信道和 前向业务信道唯一标识移动台。 3 3 系统的控制和管理过程 3 3 1 系统网络结构及功能 任何无线通信系统，无论是用于蜂窝运营( o 类频段，即8 5 0 m h z 频段) ，还是 用于p c s 运营( 1 类频段，即1 8 g h z 频段) ，都必须支持与移动台的通信，以及 兰州大学研究生学位论文 与p s t n 的交互作用。在呼叫过程中，如果移动台改变位置，无线系统要确保移动 台和p s t n 之间的连接能够持续下去。 采用定向多波束智能天线的c d m a 系统的网络结构如图3 4 所示。 m s c 移动交换中心 a c 鉴权中心 p s t n 公用交换电话网 b s 基站系统 h l r 归属位置寄存器 m c 短消息中心? m s 移动台 o m c 操作维护中心 v l r 访问位置寄存器 s m e 短消息实体 e i r 设备识别寄存器 i w f 互连功能 图3 4 采用定向多波束智能天线的c d m a 系统网络框图 此网络结构主要包括：移动台子系统、基站子系统和网络子系统。 ( 1 ) 移动台子系统( m s ) m s 在用户端终止无线电波传输路径，并且确保用户能够通过网络获得服务。 m s 可以是一个独章的设备，也可以附带一些与之相连的设备( 例如个人计算机、 传真机等) 。由于采用软切换或更软切换策略，移动台有时需要同时与两个或两个 以上波束天线建立连接，因此，移动台内部采用分集天线技术，可以区分基站不 同波束发来的信号。 ( 2 ) 基站子系统( b s s ) b s s 结束无线电波传输路径并连接到m s c 上，它在整个c o m a 通信系统中主要完 成地面信道阻塞指示、无线信道配置管理、无线业务信道分配、无线业务信道链 1 6 兰州大学研究生学位论文 路监视、无线业务信道释放、空闲信道观察、功率控制、公共控制信道管理、空 闲信道状态报告、寻呼重呼、小区内切换、小区间切换、切换决定、语音加密及 信令消息加密等主要功能。 b s s 还有一个重要的功能，即一个完整的b s s 系统逻辑上包括声码器选择器单 元，用来完成其与固定电话网之间码型的变换与速率的配合，并且实现软切换时 的分集作用。声码器选择器在物理位置上可以作为一个m s c 的附件，也可以放在 m s c 和b s s 之间，但在逻辑上受b s s 控制。码型的变换主要完成在上行链路将语 音解码从q c e l p 变换至p c m ，在下行链路将语音编码从p c m 变换至q c e l p 。而 选择器是将下行的语音数据链路分配到正在软切换的所有小区，从所有小区的上 行语音数据链路里选择最好的一条传送至m s c 。 b s s 主要包括三个组成部分：定向多波束智能天线阵列( d m b a ) 、基站收发信 机( b t s ) 、基站控制器( b s c ) 和基站子系统操作维护中心( o m c r ) 。 ( a ) 定向多波束智能天线阵列( d m b a ) 由一系列高增益、强定向、低副瓣天线单元构成的天线阵列，可以形成多个固 定波束。负责接收移动台发来的无线电波，并把基站发射的信号传给移动台，即 实现基站和移动台之间的无线传输，并将收到的移动台信号送给b s c ，进而送给 m s c 进行处理。可以将此天线阵列设计为b t s 的一部分，也可以将其作为单独的 设备。 ( b ) 基站收发信机( b t s ) b t s 主要负责将定向多波束智能天线阵收到的移动台上行无线信号转换成有线 信号传给b s c ，将b s c 的下行有线信号转换成无线信号通过定向多波束智能天线 阵发射给移动台a b t s 主要由时钟子系统、基带数字处理子系统和射频子系统组 成a 时钟子系统主要包括g p s 接收机、g p s 接收模块和时钟控制模块。基带数字 处理子系统主要由信道处理模块和通信控制模块等组成。射频子系统主要由收发 兰州大学研究生学位论文 信机t r x 、高功率放大器h p a 和双工器d u p 等组成。b t s 网络端结束无线电波 传输路径，可以与b s c 相连，也可以和b s c 放置在一起。 b t s 的性能指标主要有接收机和发射机两部分。它是整个基站子系统非常重要 的单元，其性能好坏将直接影响通话质量、接通率、系统容量等。 ( c ) 基站控制器( b s c ) 基站控制器b s c 主要负责管理b t s ，它主要由时钟子系统、高速互连子系统、 信道数据服务单元、呼叫处理子系统、声码器选择器子系统组成。b s c 与b t s 和m s c 交换信息。 ( d ) 基站子系统的操作维护中心( o m c - r ) o m c r 主要负责对整个基站子系统的设备进行监视和控制，并负责对b s c 和 b t s 的容量、载频、赢区等进行配置，主要完成故障管理、测试管理、性能管理、 安全管理、配置管理、人机命令、告警功能及接口等七大项功能。 ( 3 ) 网络子系统( n s s ) 网络子系统主要由移动交换中，l , ( m s c ) 、归属位置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存 器( v l r ) 、鉴权中一t j , ( a u c ) 、设备识别寄存器( e i r ) 和短消息中心( m c ) 等组成。 ( a ) 移动交换中心( m s c ) m s c 是一个自动系统，负责来自无线网络的用户业务以及有线网络与其他无线 网络之间的业务转换。m s c 追踪着用户位置并处理电话路线，每个m s c 都与核心 网络以及存储基本注册鉴定、收费信息的数据库相连。 ( b ) 归属位置寄存器( h l r ) 归属位置寄存器是通过维护所有的用户信息( 例如电予序列号、电话号码簿、 国际移动台识别号、用户记录、当前位置) 而对移动用户进行管理的功能单元。 h l r 可以作为m s c 的一部分与m s c 放置在一起，也可以独立于m s c 。一个h l r 可以为多个m s c 服务，一个h l r 也可以分布到多个位置。 ( c ) 访问位置寄存器( v l r ) 兰州大学研究生学位论文 访问位置寄存器连接到一个或多个m s c 上，是能够动态存储用户信息( 例如用 户电子序列号、电话号码簿、用户档案信息) 的功能单元，当用户位于v l r 的覆 盖区域之内时，用户信息是从用户的h l r 中得到的。当一个漫游的m s 进入一个 新的m s c 覆盖的服务区域时，在m s 完成登记过程之后，m s c 通过询问h l r 的 方式将m s 的情况通知给v l r 。 ( d ) 鉴权中心( a u c ) a u c 负责鉴权或对与个人用户有关的信息进行加密，它可以位于h l r 或m s c 中，也可以独立于两者而放置。 ( e ) 设备标识寄存器( e i r ) e i r 记录提供移动台的信息，e i r 可以置于h l r 中，也可以独立于h l r 放置。 3 3 2 系统控制管理过程 如图3 3 ，设基站采用定向多波束智能天线后j 共形成三层波束小区，考虑理想 情况，每个波束小区彼此不重叠，基站设置在波束小区a ( 中心波束) 的中央。 当移动台开机后，会自动搜索和选择c d m a 系统，并不断地检测周围各基站的每 个波束发来的导频和同步信号。同时，基站通过各个波束的上行接入信道收集移 动台的信息，包括位置、状态等。 如图3 4 所示，在基站子系统中，b t s 连接定向多波束智能天线阵列和b s c 。 定向多波束智能天线阵列的每个波束都时刻检测移动台的信号，b t s 负责将这些 无线信号转换为有线信号并送给b s c 处理。b s c 处设有接收信号强度门限，当由 b t s 送来的各个信号中，强度小于此门眼值的信号，b s c 不予处理，对于强度达 到或大于此门限值的信号，b s c 对其进行处理，并把此信息告知m s c ，m s c 将命 令b s c 给此信号强度对应的用户分配业务信道，供其建立正常通信。 由于空间的逻辑信道结构异常复杂，存在散射、反射、绕射等现象，所以定向 多波束智能天线阵收到同一个移动台的信号不只一个，这些信号可以通过不同的 波束到达基站，基站从诸多韵信号中选择较强的信号，并把所有的信息送到b s c 兰州大学研究生学位论文 中进行处理，b s c 通过m s c 与固定电话网相连。m s c 利用处理好的信息命令基 站给该移动台分配一个固定的波束，并在此波束内给移动台分配信道，这时基站 的其它波束并不为此移动台服务。 3 3 3 切换策略 切换是移动通信系统控制管理过程中的重要环节，它直接影响系统网络操作过 程，同时也影响系统容量。移动用户切换的发起主要有两方面的原因”“：其一是 用户离开当前服务区进入相邻小区；其二是用户在当前信道上的信号质量较差而 需要得到另一信号质量较好的信道。切换发起的实质是由用户接收信号质量决定 的2 ”2 ”。 在采用定向多波束智能天线的c d m a 系统中，移动台在业务信道中进行通信 时，会发生以下几种切换： ( 1 ) 软切换。当移动台从一个基站a 区域移动到相邻基站b 区域时采用在这种 切换。当移动台开始与新基站b 建立联系时，并不立即中断与原来基站a 之间的 通信。软切换仅仅能用于具有相同频率的c d m a 信道之问，可提供在基站边界处 的前向业务信道和反向业务信道的路径分集。 ( 2 ) 更软切换。当移动台从一个波束c 区域移动到相邻波束d 区域时采用这种 切换，且波束c 和波束d 属同一基站控制。 ( 3 ) 硬切换。移动台先中断与原基站的联系，再与新基站建立联系，它一般发 生在不同频率的c d m a 信道之间。 在进行软切换时j 移动台首先搜索各个波束发来的所有导频信号并测量它们的 强度，并计算导频的所有多径分量( 最多k 个) 的e ，o ( 一个比特的能量e 与 噪声加信号，。的比值) 来作为该导频的强度，k 是移动台所能解调的单元数。在 移动台尚未与新基站建立连接之前，若其检测到的新基站的导频强度e 。i o 大于一 个特定值t - a d d ，并能被正确解调时，移动台就向原基站发送一条导频强度测量 消息，将此信息报告给原基站，原基站再将此报告送往m s c ，m s c 则让新的基站 2 0 兰州大学研究生学位论文 安排一个前向业务信道给移动台，同时原基站发送一条消息指示移动台开始切换。 当收到来自基站的切换指示消息后，移动台将新基站的导频纳入有效导频集， 开始对新基站和原基站的前向业务信道同时进行解调。随后，移动台会向基站发 送一条切换完成消息，并将其已经根据命令开始对两个基站同时进行解调的信息 通知给基站。 。 接下来，随着移动台的移动，可能两个基站中某一方的导频强度已经低于某一 特定值t - d r o p ，这时移动台启动切换去掉计时器( 移动台对在有效导频集和候选 导频集里的每一个导频都有一个切换去掉计时器，当与之相对应的导频强度比特 定值d 小时，计时器启动) 。当该切换去掉计时器周期己满时( 在此期间，其导频 强度应始终低于d ) ，移动台发送导频强度测量消息。两个基站接收到导频强度测 量消息后，将此信息送至m s c ，m s c 再返回相应切换指示消息，然后基站发切换 指示消息给移动台，移动台将切换去掉计时器到期的导频从有效导频集中去掉， 此时移动台只与目前有效导频集内的导频所代表的基站保持通信，同时会发一条 切换完成消息告诉基站，表示切换已经完成。 可见c d m a 软切换是移动台辅助的切换。根据文献 1 9 和文献 2 0 ，移动台 在与单个基站建立连接时，要求用户的e z 。为7 _ 9 d b 。而使用软切换时，由于 宏分集减小了阴影衰落的影响，每个接收基站要求的e z o 降为4 6 d b 。 更软切换是由基站完成的，并不通知m s c 。对于同移动台，不同波束天线的 接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量，并被合成一个话音帧送至选择器， 作为此基站的语音帧。而软切换是由m s c 完成的，将来自不同基站的信号都送至 选择器，由选择器选择最好的一路，再进行话音编解码。 在系统运行时，这些切换是组合出现的，可能同时既有软切换，又有更敢切换 和硬切换a 比如，个移动台处于一个基站的两个扇区和另一个基站交界的区域 内，这时将发生软切换和更软切换。若处于三个基站交界处，又会发生三方软切 换e 上面两种软切换都是基于具有相同载频且彼此容量有余的基础上完成的，若 2 1 兰州大学研究生学位论文 其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷，m s c 就会让基站指示移动台切换 到相邻基站的另一载频上，这就是硬切换。在三方切换时，只要另两方中有一方 的容量有余，都优先进行软切换。因此，只有在无法进行软切换时才考虑使用硬 切换。当然，若相邻基站恰巧被不同的m s c 控制，这时即使是同一载频，在目前 也只能是进行硬切换，因为此时要更换声码器。如果以后b s c 间使用了i p i 接口 和a t m ，就能实现m s c 间的软切换。 3 4