TD-SCDMA中的关键技术

xxxx 毕业论文毕业论文 1 摘 要 第三代移动通信 3G 是全球通信界关注的焦点问题 TD SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access 时分同步码分多址 是由中国无线通 信标准化组织 CWTS 制定 并被 ITU International Telecommunications Union 国际电信联盟 接纳的三大 3G 无线通信主流标准之一 TD SCDMA 是 FDMA TDMA 和 CDMA 这三种基本传输模式的灵活结合 具有系统容量大 频谱利用率高 抗干扰能力 强等特点 它使用 1 28Mchip s 的低码片速率 扩频带宽为 1 6MHz TD SCDMA 的关键 技术主要集中在基带部分 如智能天线技术 联合检测技术 时分双工 同步技术 动态信道分配技术 软切换技术 无线网络技术 功率控制技术 软件无线电技术 信道估计与补偿技术等一系列高新技术 从而大大增加了系统容量 提高了系统抗干 扰性能 大大降低了发射功率 节约了制造成本 本论文主要简述三大主流标准的技术的差异和 TD SCDMA 的发展历程 重点介绍 TD SCDMA 的技术特点 因为 TD SCDMA 的关键技术主要集中在基带部分 这里详细的介 绍其中的几种关键技术 智能天线技术 联合检测技术 功率控制技术 接力切换技 术 关键词 3G TD SCDMA 智能天线技术 联合检测技术 软切换技术 TitleTitle emphatic technology of TD SCDMA Abstract 3G is the focus by the global communication vocation attention to TD SCDMA is made by CWTS and is adopted by ITU It is one of the three main stream standards TD SCDMA is actively integrated in three base transmission modes FDMA TDMA and CDMA this standard has large system capacity use spectrum of bandwidth efficiently and has the ability to resist interference etc traits It use low chips speed this speed is 1 28Mchips s spread spectrum bandwidth is 1 6MHZ the emphatic technology of TD SCDMA is converged on base band For example intelligent antenna technology more users detection technology TDD technology synchronous technology dynamic channel allocation technology soft hand off technology radio network technology power control technology software radio technology etc tissues of original technology swaggeringly add to the capacity of system aggrandize ability to resist interference Swaggeringly debase launch power conservative the cost of manufactured This treatise emphatically vignette technical difference of the three mainstream standards and the history of TD SCDMA s developments Emphatically introduce technical trait of TD SCDMA Because the emphatic technology of TD SCDMA is converged on base band xxxx 毕业论文毕业论文 2 particularity introduce some of the emphatic technology intelligent antenna technology more users sensing technology power control technology relay hand off technology 目录 第一章 引言 3 1 1 移动通信技术的发展状况 3 1 2 第三代移动通信技术标浅析 3 1 3 3G 主要特征 4 第二章 3G 主要技术标准 4 2 1 3G 标准技术特点 4 2 1 1 WCDMA 4 2 1 2 CDMA2000 5 2 1 3 TD SCDMA 5 2 2 3G 标准对比分析 6 2 2 1 WCDMA 与 CDMA2000 的比较 6 2 2 2 TD SCDMA 与 WCDMA 和 CDMA2000 比较 7 第三章 TD SCDMA 中的关键技术 8 3 1 智能天线技术 8 3 1 1 智能天线的概念 8 3 1 2 智能天线的自适应算法 10 3 1 3 智能天线的波束形成 10 3 1 4 智能天线在 TD SCDMA 中的应用 12 3 1 5 使用智能天线的有关问题 14 3 1 6 小结 15 3 2 联合检测技术 15 3 3 接力切换技术 16 3 3 1 接力切换原理 17 3 3 2 接力切换与其他切换主要区别 18 3 3 3 接力切换应用优势 19 3 3 4 小结 19 xxxx 毕业论文毕业论文 3 结论 致谢 参考文献 附录一 第一章第一章 引言引言 1 1 移动通信技术的发展状况 一 第一代 模拟移动通信系统 第一代 即 1G 是 the first generation 的缩写 移动通信系统的主要特征是采用 模拟技术和频分多址 FDMA 技术 有多种制式 我国主要采用 TACS 其传输速率为 2 4kbps 由于受到传输带宽的限制 不能进行移动通信的长途漫游 只是一种区域 性的移动通信系统 第一代移动通信系统在商业上取得了巨大的成功 但是其弊端也 日渐显露出来 如频谱利用率低 业务种类有限 无高速数据业务 制式太多且互不 兼容 保密性差 易被盗听和盗号 设备成本高 体积大 重量大 所以 第一代移 动通信技术作为 2O 世纪 80 年代到 90 年代初的产物已经完成了任务退出了历史舞台 二 第二代 数字移动通信系统 第二代 即 2G 是 the second generation 的缩写 移动通信系统是从 20 世纪 90 年 代初期到目前广泛使用的数字移动通信系统 采用的技术主要有时分多址 TDMA 和码 分多址 CDMA 两种技术 它能够提供 9 6 28 8kbps 的传输速率 全球主要采用 GSM 和 CDMA 两种制式 我国采用主要是 GSM 这一标准 主要提供数字化的语音业务级低速 数据化业务 克服了模拟系统的弱点 和第一代模拟移动蜂窝移动系统相比 第二代 移动通信系统具有保密性强 频谱利用率高 能提供丰富的业务 标准化程度高等特 点 可以进行省内外漫游 但因为采用的制式不同 移动标准还不统一 用户只能在 同一制式覆盖的范围内进行漫游 还无法进行全球漫游 虽然第二代比第一代有更大 的带宽 但带宽还是很有限 限制了数据的应用 还无法实现高速率的业务 如移动 的多媒体业务 三 第三代 多媒体移动通信系统 随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增 未来的移动通信系统不仅要有大的系 xxxx 毕业论文毕业论文 4 统容量 还要能支持话音 数据 图像 多媒体等多种业务的有效传输 第二代移动 通信技术根本不能满足这样的通信要求 在这种情况下出现了第三代 即 3c 是 the third generation 的缩写 多媒体移动通信系统 第三代移动通信 系统在国际上统称为 IMT 一 2000 是国际电信联盟 1TU 在 1985 年提出的工作在 2000MHz 频段的系统 与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比 第三代 的最主要特征是可提供移动多媒体业务 1 2 第三代移动通信技术标准浅析 1999 年 11 月 5 日在赫尔辛基结束的 ITU R TG8 1 第 18 次会议上 顺利地通过了 IMT RSPC 输出文件 确定了全球统一的无线接口标准 IMT 2000 标志着第三代移 动通信系统的技术标准基本定型 3G 总共包括了 5 个大的标准 目前经国际电信联盟 ITU 认可的 3G 无线传输技术主流标准共有 3 种 分别是欧洲的 IMT 2000 CDMA DS 即 WCDMA 美国的 IMT 2000 CDMA MC 即 CDMA2000 以及中国的 TD SCDMA 3G 标准是 各地区根据本地区移动通信当前发展现状和未来发展趋势而提出来的 它们各有千秋 究竟谁能在 3G 时代获取用户的青睐 关键是看哪种标准更符合市场需求 更具有竞争 力和生命力 1 3 3G 主要特征 3G 系统有别于第一 二代以提供语音和低速数据业务为主的移动通信系统 ITU 对 3G 提出了更高要求 其主要特点概括如下 1 全球普及和全球无缝漫游的系统 2G 一般为区域或国家标准 而 3G 将是一个 在全球范围内覆盖和使用的系统 它将使用共同的频段并统一标准 2 具有支持多媒体业务的能力 特别是 Internet 业务 可满足具有不同通信要 求的各类用户的需要 3 具有可变的高速数据率 3G 同时支持无线接口不同的高低数据比特率 在快速 移动环境下 最高速率达 144kbit s 在室外到室内或步行环境下 最高速率达 384kbit s 在室内环境下 最高速率达 2Mbit s 对应于不同的数据速率要求基站的 覆盖半径分别约为 12km 300m 和 10m 4 便于过渡 演进 为保护已有投资 3G 网络一定要能在 2G 网络的基础上灵活 演进而成 并应与固定网兼容 5 高频谱效率 高服务质量 低成本 高保密性 除了以上所述之外 3G 还有许多其它优点 如提供可靠的信道编码 灵活配置的 传输信道和逻辑信道 支持多种语音编码方案 为用户提供更灵活的接入服务等 此 外 3G 还继承了容易通过使用软件无线电实现窄带 CDMA 系统 语音质量高 手机功耗 小等优点 xxxx 毕业论文毕业论文 5 第二章 3G 主要技术标准 2 1 3G 标准技术特点 2 1 1 WCDMA WCDMA 的发起者主要是欧洲和日本 继承了 2G 标准化程度高和开放性好的特点 WCDMA 全名为宽带码分多址 分为时分双工 TDD 和频分双工 FDD 两类 能同时支持 电路交换业务 如 PSTN ISDN 和分组交换业务 如 IP 网 支持高速数据传输和可变速 传输 支持异步和同步的基站运行方式 灵活组网 具有多种编码方式 与 GSM 兼容 该系统使用的灵活的无线协议可在一个载波内同时支持语音 数据和多媒体业务 并 通过透明或非透明传输来支持实时 非实时业务 功率控制减少了多址干扰 提高了 系统容量 支持软切换和更软切换 其核心网络基于 GSM GPRS 网络的演进 并保持与 GSM GPRS 网络的兼容性 2 1 2 CDMA2000 CDMA2000 由美国高通北美公司为主导提出 cdma2000 的一个主要特点是与现有 的 TIA EIA 95 B 标准后向兼容 可从 IS 95B 系统的基础上平滑地升级到 3G 建设成 本低 但目前使用 CDMA 码多分址技术 的地区只有日 韩和北美 所以 cdma2000 的支 持者不如 WCDMA 多 CDMA2000 采用 MC CDMA 多址方式 可支持语音 分组和数据等业务 也可实现 QoS 的协商 CDMA2000 包括 1x 和 3x 两部分 也可扩展到 6x 9x 和 12x 另外 CDMA2000 还可采用辅助导频 正交分集和多载波分集等技术来提高系统的性能 2 1 3 TD SCDMA 时分同步码分多址 TD SCDMA 是由中国原邮电部电信科学技术研究院提出的 在 频谱利用率 对业务支持 频率灵活性及成本等方面具有独特优势 它是目前世界上 唯一采用智能天线的 3G 系统 还采用了联合检测 接力切换 同步 CDMA 软件无线电 低码片速率 多时隙 可变扩频系 自适应功率调整等技术 由于采用 TDD 模式 上下行链路使用同一频率 同一时刻上下行链路的空间物理 特性完全相同 可以实现上下行链路间的灵活切换 这一模式的优势是 在上下行链 路间的时隙分配可以被一个转换点改变 以满足不同的业务要求 通过改变上下行链 路的转换点就可以实现所有 3G 对称和非对称业务 TD SCDMA 与联合检测相结合 在传输容量方面表现非凡 通过引进智能天线 容量 还可以进一步提高 智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰 并 通过更高的频率复用率来提供更高的话务量 xxxx 毕业论文毕业论文 6 WCDMA CDMA2000 及 TD SCDMA 的无线空中接口参数如表 1 所示 表 1 WCDMA CDMA2000 及 TD SCDMA 的无线空中接口参数 规范参数 WCDMACDMA2000TD SCDMA 复用方式FDD TDDFDDTDD 基本带宽5MHz 1 25MHz 或 3 75MHz1 6MHz 码片速率 3 84Mchip s1 228 3 6864Mchip s1 28Mchip s 无线帧长10ms10 5ms10ms 信道编码卷积编码 Turbo 码等 卷积编码 Turbo 码 等 卷积编码 Turbo 码等 数据调制QPSK 下行链路 HPSK 上行链路 QPSK 下行链路 BPSK 上行链路 QPSK 和 8PSK 高 速率 扩频方式QPSKQPSKQPSK 功率控制开环 闭环功率控制 控制步长 1dB 2dB 或 3dB 开环 闭环功率控制 控制步长 1dB 可选 0 5 0 25dB 开环 闭环功率 控制 控制步长 1dB 2dB 或 3dB 功率控制速 率 1600 次 s 800 次 s200 次 s 智能天线 在基站端有 8 个 天线组成天线阵 基站间同步 关系 同步或非同步需要 GPS 同步同步 多址方式DS CDMAMC CDMATD SCDMA 支持的核心 网 GSM MAP ASNI 41GSM MAP xxxx 毕业论文毕业论文 7 上行信道相干解调相干解调相干解调 2 2 3G 标准对比分析 WCDMA 和 CDMA2000 都是 FDD 标准 而 TD SCDMA 是 TDD 标准 因此 将 WCDMA 和 CDMA2000 合为一类 TD SCDMA 单独列为一类 2 2 1 WCDMA 与 CDMA2000 的比较 WCDMA 和 CDMA2000 都满足 IMT 2000 提出的全部技术要求 支持高速多媒体业务 分组数据和 IP 接入等 这两种系统的无线传输技术均基于 DS CDMA 作为多用户接入技 术 WCDMA 和 CDMA2000 在技术先进性和发展成熟度上各具优势 总体来看 WCDMA 略 胜一筹 1 WCDMA 使用带宽和码片速率 3 84Mchip s 是 cdma2000 1x 的 3 倍以上 因而能 提供更大的多路径分集 更高的中继增益和更小的信号开销 也改善了接收机解决多 径效应的能力 2 在小区站点同步方面 CDMA2000 基站通过 GPS 实现同步 将造成室内和城市小 区部署的困难 而 WCDMA 设计可以使用异步基站 3 由于支持 CDMA20001x EV DO 的 TDM 接入系统采用共享时分复用下行链路 它 具有固定时隙 因此 CDMA2000 物理层兼容性较差 4 WCDMA 进行功率控制的速度是 CDMA2000 的两倍 因而能保证更好的信号质量 并支持更多的用户 5 CDMA2000 的导频信道大约需要下行链路总传输功率的 20 WCDMA 只需约 10 因而可以节省更多的公用信道的开销 6 为了使支持基于 GSM 的 GPRS 业务而部署的所有业务也支持 WCDMA 业务 为了 完善新的数据 话音网络 CDMA2000 1x 必须添加额外的网元或进行功能升级 7 在混合话音和数据流量方面 WCDMA 的系统性能比 CDMA2000 表现更佳 并且 WCDMA 较 CDMA2000 能够更加灵活地处理话音和数据混合业务 因此 WCDMA 在技术上具备一定的优势 由于全球移动系统的 85 都在用 GSM 系统 而 GSM 向 3G 过渡的最佳途径就是由 GPRS 过渡到 WCDMA 所以从传统基础网络这个角度 上看 WCDMA 也具备一定的优势 2 2 2 TD SCDMA 与 WCDMA 和 CDMA2000 比较 TD SCDMA 集 CDMA TDMA FDMA 技术优势于一体 系统容量大 抗干扰能力强 与 xxxx 毕业论文毕业论文 8 WCDMA 和 CDMA2000 比较有如下优势 1 频谱利用率高 TD SCDMA 采用 TDD 方式和 CDMA TDMA 的多址技术 在传输中 容易针对不同业务设置上下行链路转换点 因而可以使频谱效率更高 2 TD SCDMA 系统频谱灵活性强 仅需单一 1 6M 的频带就可提供速率达 2Mbit s 的 3G 业务需求 而且非常适合非对称业务的传输 3 支持多种通信接口 TD SCDMA 同时满足多种接口要求 基站子系统既可作为 2G 和 2 5G 的 GSM 基站的扩容 又可作为 3G 网中的基站子系统 能同时兼顾现在的需 求和将来的发展 4 系统性能稳定 TD SCDMA 收发在同一频段上 上下行链路的无线环境一致性好 适合使用新兴的智能天线技术 利用了 CDMA 和 TDMA 结合的多址方式 便于联合检测 技术的采用 能减少干扰并提高系统的稳定性 5 兼容性好 TD SCDMA 支持现存的覆盖结构 信令协议可以后向兼容 网络不必 引入新的呼叫模式 就能够实现从现有的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡 6 系统设备成本低 TD SCDMA 上下行信道工作于同一频率 对称的电波传播特性 便于智能天线的利用 可达到降低成本的目的 在无线基站方面 TD SCDMA 的设备成 本比较低 7 支持与传统系统间的切换功能 TD SCDMA 支持多载波直接扩频系统 可以利用 现有的框架设备 小区规划 操作系统 账单系统等在所有环境下支持对称或不对称 的数据速率 与前两种标准尤其是与 WCDMA 相比 TD SCDMA 也有不足 比如 在对 CDMA 技术的 利用方面 TD SCDMA 因要与 GSM 的小区兼容 小区复用系数为 3 降低了频谱利用率 又因为 TD SCDMA 频带宽度窄 不能充分利用多径 降低了系统效率 实现软切换和软 容量能力较差 另外 小区间要保持同步 对定时系统要求高 而 WCDMA 则无需小区 同步 可适应室内外等不同的环境 WCDMA 对移动性的支持更加优越 适合宏蜂窝 蜂 窝 微蜂窝组网 而 TD SCDMA 只适合微蜂窝 对高速移动的支持也较差 第三章 TD SCDMA 中的关键技术 3 1 智能天线技术 自适应天线波束赋形技术在 20 世纪 60 年代就开始发展 其研究对象是雷达天线 阵 目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力 而其真正的发展是在 90 年代初 随着 微计算器和数字信号处理技术的飞速发展 DSP 芯片的处理能力日益提高 且价格也逐 渐能够为科研和生产所接受 这样也就促进了自适应天线波束赋形技术的发展 但其 发展也是从雷达开始的 另外 移动通信频谱资源日益紧张 如何消除多址干扰 MAI xxxx 毕业论文毕业论文 9 共信道干扰 CCI 以及多径衰落的影响成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素 而用现代数字信号处理技术 选择合适的自适应算法 动态形成空间定向波束 使天 线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向 旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向 从而 达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的 因此 固定的 天线阵列与数字信号处理器的结合 就构成了可以动态配置天线特性的智能天线 所 以到 90 年代中期 在美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统 在 1997 年 北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的 SCDMA 无线用户环路系 统 美国 Redcom 公司则在时分多址的 PHS 系统中实现了智能天线 以上是最先商用化 的智能天线系统 同时 在国内外众多大学和研究机构内也广泛研究了多种智能天线 的波束形成算法和实现方案 3 1 1 智能天线的概念 智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的 是通信系统 中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线 它利用信号传输的空间特 性 从空间位置及入射角度上区分所需要信号与干扰信号 从而控制天线阵的方向图 达到增强所需信号抑制干扰信号的目的 同时它还能根据所需要信号和干扰信号位置 及入射角度的变化 自动调整天线阵地方向图 实现智能跟踪环境变化和用户移动的 目的 达到最佳收发信号 实现动态 空间滤波 的效果 智能天线也叫自适应天线 由多个天线单元组成 每一个天线后接一个复数加权器 最后用相加器进行合并输出 这种结构的智能天线只能完成空域处理 同时具有空域 时域处理能力的智能天线在 结构上相对复杂些 每个天线后接的是一个延时抽头加权网络 结构上与时域 FIR 均衡 器相同 自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行 自适应更新调整 xxxx 毕业论文毕业论文 10 智能天线的一般结构如图 7 天线阵列可采用直线型 圆环型或二维平面型 智能天 线系统的核心在于数字信号处理部分 它根据一定的准测 使天线阵产生定向波束指 向移动用户 并自动的调整权系数以实现所需的空间滤波 智能天线的基本思想是 天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户 接 收模式下 来自窄波束之外的信号被抑制 发射模式下 能使期望用户接收的信号功 率最大 同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小 智能天线是利用 用户空间位置的不同来区分不同用户 不同于传统的频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 或 码分多址 CDMA 智能天线引入第 4 种多址方式 空分多址 SDMA 即在相同时隙 相同频率或相同地址码的情况下 仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分 SDMA 是一种信道增容方式 与其他多址方式完全兼容 从而可实现组合的多址方式 例如空分一码分多址 SD CDMA 智能天线与传统天线概念有本质的区别 其理论支撑 是信号统计检测与估计理论 信号处理及最优控制理论 其技术基础是自适应天线和 高分辨阵列信号处理 3 1 2 智能天线的自适应算法 自适应算法是智能天线研究的核心 一般分为非盲算法和盲算法两类 1 非盲算法 是指需要借助参考信号 导频序列或导频信道 的算法 此时收端知 道发送的是什么 按一定准则确定或逐渐调整权值 使智能天线输出与已知输入最大 相关 常用的相关准则有 MMSE 最小均方误差 LMS 最小均方 和 LS 最小二乘 等 2 盲算法 无需发端传送已知的导频信号 他一般利用调制信号本身固有的 与具 体承载的信息比特无关的一些特征 如恒模 子空间 有限符号集 循环平稳等 并 调整权值以使输出满足这种特性 常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法 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 xxxx 毕业论文毕业论文 11 源 将二者结合产生一种半盲算法 即先用非盲算法确定初始权值 再用盲算法进行 跟踪和调整 这样做可综合二者的优点 同时也与实际的通信系统相一致 因为通常 导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的 3 1 3 智能天线的波束形成 波束赋形的目标是根据系统性能指标 形成对基带信号的最佳组合与分配 具体说 波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰 落与失真 同时降低用户间的共信道干扰 智能天线均采用数字方法实现波束形成 即数字波束形成 DBF 天线 从而可以使用软件设计完成自适应算法更新 在不改变系 统硬件配置的前提下增加系统的灵活性 DBF 对阵元接收信号进行加权求和处理形成天 线波束 主波束对准期望用户方向 而将波束零点对准干扰方向 根据波束形成的不 同过程 实现智能天线的方式又分为两种 阵元空间处理方式和波束空间处理方式 1 阵元空间处理方式 直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后 形成阵 列输出 使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向 由于各个阵元均参与自适应加权 调整 这种方式属于全自适应阵列处理 2 波束空间处理方式 这是当前自适应阵列处理技术的发展方向 他实际上是两 级处理过程 第一级对各阵元信号进行固定加权求和 形成多个指向不同方向的波速 率 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出 此方案不 是对全部阵元都从整体最优计算加权系数作自适应处理 而是仅对其中的部分阵元作 自适应处理 因此 属于部分自适应阵列处理 这种结构的特点是计算量小 收敛快 并且具有良好的波束赋形性能 从未来发展角度看 自适应波束形成是智能天线发展的方向 但从实际应用角度 看 预多波束实现智能天线是未来自适应波束实现智能天线之前研究最为热门的课题 从目前看来预多波束无法像自适应中实时产生的 DBF 那样对干扰信号进行零陷 当前 自适应波束形成技术在理论上具有十分优良的性能 然而在实际应用中却不尽人意 究其原因是阵列天线不可避免的存在这各种误差 如阵元响应误差 通道频率响应误 差 阵元位置扰动误差 互耦等 自适应波束形成技术对这些因素较为敏感 因而自 适应波束形成技术的稳健性成为关心的问题 3 1 4 智能天线的技术优势 TD SCDMA 智能天线通过利用多径可以改善链路的质量 通过减小相互干扰来增加 系统的容量 并且允许不同的天线发射不同的数据 智能天线的优点归纳如下 1 增加系统容量 CDMA 系统是一个自干扰系统 其容量的限制主要来自本系统 的干扰 系统干扰的降低 信干比的提高便意味着系统容量的提高 采用多波束板状 xxxx 毕业论文毕业论文 12 天线的智能天线技术 提高了天线增益及载干比 C I 指标 减少了同频干扰 降低 了频率复用系数 提高了频谱利用效率 无需增加新基站即可改善系统覆盖质量 扩 大系统容量 在 TD SCDMA 系统中 采用智能天线技术可在不影响通话质量情况下 解 决稠密市区容量难题 2 降低信号衰落 信号的衰落是高频无线通信的主要问题 在陆地移动通信中 随着移动台的移动及环境变化 信号瞬时值及延迟失真的变化非常匀速且不规则 从 而造成信号的衰落 采用智能天线自适应地构成波束的方向性 使得延迟波方向的增 益最小 有效地降低了信号衰落的影响 智能天线还可用于分集 减少衰落 电波通 过不同路径到达接收天线 其方向角各不相同 利用多副指向不同的自适应接收天线 将这些分量隔离开 然后再合成处理 即可实现角度分集 降低信号衰落 3 抑制干扰信号 将智能天线用于 CDMA 基站 可减少移动台对基站的干扰 改 善系统性能 抗干扰技术的实质是空间域滤波 以 TDD 模式运行的 TD SCDMA 中的智能 天线波束具有方向性 可以区别不同入射角的无线电波 可调整控制天线阵单元的激 励 权值 自适应电波传播环境的变化 优化无线阵列方向图 将其 零点 自动对准 干扰方向 从而大大提高阵列的输出信噪比 提高系统可靠性 4 实现移动台定位 采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵 由 此获得信号的功率估值和到达方向 通过此方法 用两个基站就可将用户终端定位到 一个较小区域 从而实现移动台的精确定位 此外 在使用普通天线的无线基站中 发 射信号采用的是高功率放大器 使用了智能天线 波束赋型的增益可以减小对功放的 要求 大大降低了基站的发射功率 同时也减少了电磁环境污染 基于智能天线在消除干扰 扩大小区半径 降低系统成本 提高系统容量方面所 具有的优越性 WCDMA 和 CDMA2000 都希望能在系统中使用智能天线技术 但由于其算 法复杂度高 目前在 IMT 2000 家族中 只有 TD SCMDA 技术明确表示将在基站端使用 智能天线 对于系统基站而言 智能天线技术在 3G 中的应用主要体现在基站的上行收 与下行发两个方面 智能天线的上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切 换方式 在自适应方式中 可根据一定的自适应算法 对空 时域处理的各组权值系 数进行调整 并与当前传输环境进行最大限度的匹配 从而实现任意指向波束的自适 应接收 全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值 但在实际工程中 由于全 自适应方式算法的计算量大等因素而很不实用 在工程设计时 人们更感兴趣的是基 于预波束的波束切换方式 智能天线依靠从上行链路中提取的参数来对下行波束赋形 即利用上行信道中提取的参数估计下行信道 对于 FDD 方式 由于上下行频率间隔相 差较大 衰落特性完全独立因而不能使用 但对于 TDD 方式 上下行时隙工作于相同 频段 只要上下行的帧长较短完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定 3 1 5 智能天线在 TD SCDMA 中的应用 xxxx 毕业论文毕业论文 13 智能天线的布阵方式一般有直线阵 圆阵和平面阵 阵元间距 l 2 波长 若阵元间 距过大会使接收信号彼此相关程度降低 太小则会在方向图形成不必要的栅瓣 故一 般取半波长 智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向 即 DOA 估计 并在此方向形成天线主波束 他根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道 等同于有线传输时的线缆 从而可以有效的抑制干扰 考虑到软件无线电系统要求在中频进行采样 然后用软件完成中频处理 每秒几 十兆的采样速率要求 DSP 必须有足够快的速度完成操作 但是粗略的计算表明 即使 采用最快的器件 在 DSP 上用软件实现下变频功能还是不现实的 因为 DSP 只能完成 基带处理的功能 一个比较实用的方案是采用专业的可编程逻辑器件来完成高速的滤 波和处理 以减轻 DSP 的压力 由于实时处理时对处理速度的需求很高 仅靠单 DSP 系统性能的提高已经不能满足要求 而并行通用浮点 DSP 将片间并行功能集成在单片 DSP 内部 可以获得很高的并行处理能力和并行效率 因此在实际系统中都是采用并行 DSP 阵列来提高处理能力 理论上 N 个 DSP 并行可以提供 N 倍的处理能力 但在实际 系统中必须在算法设计上付出很大的代价 一个好的算法应该能够尽量并行而且适合 多个 DSP 同时实现 同时还要使得处理器之间的数据交换应尽可能少和尽可能快 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线 通过一组带有可编程电子相位关系 的固定天线单元获取方向性 并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性 TD SCDMA 智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性 无线环境 和传输条件相同 而获得的 此外 智能天线可减少小区间干扰也可减少小区内干扰 智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率 具体而言 TD SCDMA 系统 的智能天线是由 8 个天线单元的同心阵列组成的 直径为 25cm 同全方向天线相比 xxxx 毕业论文毕业论文 14 他可获得 8dB 的增益 其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和 激励 利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图 使用 DSP 方法使主瓣自适 应地指向移动台方向 就可达到提高信号的载干比 降低发射功率等目的 智能天线 的上述性能允许更为密集的频率复用 使频谱效率得以显著地提高 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向性 另一 方面则要求在每一独立的方向上 系统都可以跟踪个别的用户 通过 DSP 控制用户的 方向测量使上述要求可以实现 每用户的跟踪通过到达角进行测量 在 TD SCDMA 系统 中 由于无线子帧的长度是 5ms 则至少每秒可测量 200 次 每个用户的上下行传输发 生在相同的方向 通过智能天线的方向性和跟踪性 可获得其最佳的性能 TDD 模式的 TD SCDMA 的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同 的频率上 因此在上行和下行 2 个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的 使得 智能天线能将小区间干扰降至最低 从而获得最佳的系统性能 通过智能天线获得的较高的频谱利用率 使高业务密度城市和城区所要求的基站 数量相应地变得较低 此外 在业务量稀少的乡村 智能天线的方向性可使无线覆盖 范围增加 1 倍 无线覆盖范围的增长使得在主要业务覆盖的宽广地区所需的基站数量 降至通常情况的 1 4 3 1 6 使用智能天线的有关问题 智能天线的主要作用是 降低多址干扰 提高 CDMA 系统容量 增加接收灵敏度和 发射 EIRP 但是智能天线所不能克服的问题如 时延超过码片宽度的多径干扰 多普 勒效应 高速移动 因而 在移动通信系统中 智能天线必须和其他信号处理技术同 时使用 智能天线技术对无线通信 特别是 CDMA 系统的性能提高和成本下降都有巨大 的好处 但是 在将智能天线用于 CDMA 系统时 必将考虑所带来的问题 并在标准和 产品设计上解决这些问题 1 全向波束和赋形波束 上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的 而且 接 收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构 系统的要求和所接收到的用户信号 在 移动通信系统中 智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束 提高系统性能是 非常直接的 但在用户没有发射 仅处于接收状态下 又是在基站的覆盖区域内移动 时 空闲状态 基站不可能知道该用户所处的方位 只能使用全向波束进行发射 如系 统中的 Pilot 同步 广播 寻呼等物理信道 一个全向覆盖的基站 其不同码道的 发射波束是不同的 即基站必须能提供全向和定向的赋形波束 这样一来 对全向信 道来说 将要求高得多的发射功率 最大可 能为比专用信道高 101gNdB 这是系统设计时所必须考虑的 xxxx 毕业论文毕业论文 15 2 共享下行信道及不连续发射 在提供 IP 型数据业务的移动通信系统中 均设计了多用户共享的上下行信道并在 基站和用户终端使用不连续发射技术 在使用智能天线的基站中 由于用户移动 基 站不可能知道用户的位置 故一般只能采用全向下行波束 此外 也可以增加一次接 人过程 对每个用户进行定向发射 这两种方式各有优点 均可使用 3 智能天线的校准 在使用智能天线时 必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术 在 TDD 系统 中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理 直接利用上行波束赋形系数来进 行下行波束赋形 但对实际无线基站 每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同 的 而且 其性能将随时期 工作电子和环境条件等因素变化 如果不进行实时自动 校准 则下行波束赋形将受严重影响 这样 不仅得不到智能天线的优势 甚至完全 不能通信 4 帧结构及有关物理层技术 使用智能天线 对移动通信系统的物理层技术并不提出特别的要求 而且 基本 的物理层技术 如调制解调 扩频 信道编码 交织 纠错 数据复接等 与不使用 智能天线是完全一样的 但是使用了智能天线 可以将物理层的效率设计得更高 例 如在 TD SCDMA 建议的系统中 使用了同步 CDMA 技术 简化了接收机 在物理层时隙 设计中使用了特定的上下行 Pilot 时隙 减少了小区搜索及随机接人时的干扰等 都 使智能天线的功能得以充分发挥 5 智能天线和其他抗干扰技术的结合 目前 在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中 这样 实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰 也无法克服高速 移动多普勒效应造成的信道恶化 在多径严重的高速移动环境下 必须将智能天线和 其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用 才可能达到最佳的效果 这些数字信号处 理技术包括联合检测 Jointdetection 干扰抵消及 Rake 接收等 目前 智能天线和 联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法 而和 Rake 接收机的结合算法还在研究中 6 波束赋形的速度问题 必须注意的是 由于用户终端的移动性 移动通信是一个时变的信道 智能天线 是由接收信号来对上下行波束赋形 故要求 TDD 的周期不能太长 例如当用户终端的 xxxx 毕业论文毕业论文 16 移动速度达到 100km h 时 其多普勒频移接近 200 Hz 用户终端在 10ms 内的位置变 化达到 28cm 在 2GHz 频段已超过一个波长 对下行波束赋形将带来巨大的误差 故希 望将 TDD 周期至少缩短一半 使收发之间的间隔控制在 2 3ms 内 以保证智能天线的 正常工作 如果要求此系统的终端能以更高的速度移动 则 TDD 上下行转换周期还要 进一步缩短 7 设备复杂性的考虑 显然 智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加 但是增加天线阵元的 数量 又将增加系统的复杂性 此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数 递增 现在 CDMA 系统在向宽带方向发展 码片速率已经很高 基带处理的复杂性已 对微电子技术提出了越来越高的要求 这就限制了天线元的数量不可能太多 按目前 的水平 天线元的数量在 6 16 之间 3 1 6 小结 智能天线技术对移动通信系统带来的优势是目前任何技术所难以替代的 由于智 能天线有着显著提高系统的性能和容量 并增加天线系统的灵活性等诸多好处 因此 我们没有理由不相信 使用了这种先进技术的 TD SCDMA 系统有着良好的应用空间和发 展前景 另外 国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主 要方向之一 据专家估计 未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术 3 2 联合检测技术 作为得到 ITU 以及 3GPP 承认的第三代移动通信国际标准 先进的 TD SCDMA 系统 是针对所有的 3G 业务和所有的移动环境而设计的 基于 TDD 模式的 TDMA 构成了整个 系统的骨干 而联合检测则是针对在 CDMA 模式中多个平行传送信号的一个高效的检测 程序 从而 联合检测被应用在多种传输速率的 CDMA 模式的 TD SCDMA 技术中 通过 联合检测 可以使频谱效率在 CDMA 传输模式下得到显著的改进 我们知道 CDMA 传输的普遍问题是大量的用户信号被同时分别在每个无线载波和 每个收发器上传送 所有信号被汇总到基站 NodeB 的收发器中 把这些信号成功分离 出来的先决条件是接收到的不同信号之间的电平偏差小于 1 5dB 由于不同的用户信号 被传送到基站时带有不同的路径衰减 同时 用户移动也会产生不同的延迟扩展和强 烈的信号抖动 在移动无线环境里的瑞利衰落 为此 CDMA 基站必须实现多环路快速 功率控制 此外 平行的多址接入数据信号在基站收信机里会产生一个类似白噪音的 干扰 进而对每个用户信号构成较强的干扰 这种多址接入干扰 MAI 限制了每载波 的负载的业务量和 CDMA 系统的频谱利用率 xxxx 毕业论文毕业论文 17 联合检测技术会消除或将所有用户的多址干扰降至最低 从而使每载波的用户负 载量得到了提高 需要说明的是 由于平行的用户数量的增长会使计算复杂度成指数 型增长 同时 高于一般的噪音也会造成移动范围的降低 因而 联合检测只在平行 的用户的数量相对低的环境下才有效 TD SCDMA 中的联合检测的高效率主要是因为 TD SCDMA 是一个时域和帧控的 TDMA 方案 因此 每载波的大量用户被分布到每个帧的每个传输方向的时隙中 最终使 每时隙中并行用户的数量很少 这样 通过较低的计算量和较低的信号要求即可有效 地检测到用户信号 3 2 1 联合检测优势 随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高 联合检测技术的优势也会越 来越显著 主要的优势如下 降低干扰 联合检测技术的使用可以降低 ISI 符号间干扰 与 MAI 多址干扰 扩大容量 联合检测技术充分利用了 MAI 的所有用户信息 使得在相同目标误码 率的前提下 所需的接收信号信噪比可以人人降低 这样就大大提高了接收机性能并 增加了系统容 削弱 远近效应 的影响 由于联合检测技术能完全消除 MAI 干扰 因此产生的 噪声量将与干扰信号的接收功率无关 从而大大减少 远近效应 对信号接受的影响 降低功控的要求 由于联合检测技术可以削弱 远近效应 的影响 从而降低对 功控模块的要求 简化功率控制系统的设计 通过检测 功率控制的复杂性可降低到 类似于 GSM 的常规无线移动系统的水平 3 2 2 联合检测技术与智能天线相结合 联合检测的原理是充分利用对多用户信道的估计 根据某种信号估计准则 估 计同时工作的多个码道的用户信息 在多个用户中检测 提取出所需的用户信号 较 好地解决了码间干扰和用户间干扰问题 智能天线的原理是结合了自适应天线技术的 优点 利川天线阵列对波束的汇成和指向的控制产生多个独立的波束 可以自适应地 调整其方向图以跟踪信号的变化 TD SCDMA 系统中将几个关键技术相结合应用的话 将会更大地提高整个系统的性能 这两种技术相辅相成 互相配合 为 TD SCDMA 系统带来更好的系统性能 智能天线消除小区间干扰 联合检测消除小区内干扰 两者配合使用 使干扰降低 得更少 智能天线缓解了联合检测过程中信道估计的不准确对系统性能恶化的影响 当用户增多时 联合检测的计算量作常大 智能天线的使用减少了用户数量 智能天线的阵元数有限 对于 M 个阵元的智能天线只能抑制 M 1 个干扰源 而且所 形成的副瓣对其它用户而言仍然是干扰 只能结合联合检测来减少这些干扰 在用户高速移动下 TDD 模式上下行采用同样空间参数使得波束成型有偏差 用户 在同一方向时 智能天线不能起到作用 对时延超过一个码片的多径造成的码间干扰 都需要联合检测来弥补 总之 将智能天线和联合检测技术相结合 对系统性能的提高极其有益 联 xxxx 毕业论文毕业论文 18 合检测可以解决当用户处于同一方向时 智能天线所不能克服的十扰 智能天线可以 降低联合检测在多码道处理的复杂度 并充全消除联合检测所不能消除的多址干扰 因此 两者的结合可以更好地降低干扰 从而更有利于提高系统的容最 获得高频谱利 用率 并使在基站和用户设备中的功率控制部分更加简单 同时还降低了网络成本 3 2 3 小结 因此 联合检测可减少由在无线环境中瑞利衰落所引起快速信号的抖动 通过检 测 功率控制的复杂性可降低到类似于 GSM 的常规无线移动系统的水平 这样 联合 检测使频谱利用率得