WCDMA系统中智能天线的应用.doc

WCDMA系统中智能天线的应用第13卷,第3期中国传媒大学自然科学版Vo1.13,No-32006年9月JOURNALOFCOMMUNICATIONUNIVERSITYOFCHINASCIENCEANDTECHNOLOGYSept.2006WCDMA系统中智能天线的应用张洪生(中国传媒大学,北京100024)摘要:本文详细介绍了WCDMA系统中的智能天线技术,总结了在WCDMA系统中应用智能天线的几个主要形式,体系结构和信号模型,对智能天线的进一步发展完善以及未来的研究方向提出了新的思路.关键词:第三代移动通信;智能天线中图分类号:TN928文献标识码:A文章编号:16734793(2006)03007106TheSmartAntennaAppliedinWCDMASystemZHANGHong-sheng(CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China)Abstract:Inthisarticle.thesmartantennatechnologyintheWCDMAsystemisintroduceddetailedly.eprimaryforms,systemframework,signalmodeofthesmartantennaapplieaintheWCDMAsystemalesummarized.Thesewillprovidenewtrainofthoughtforthedevelopmentandresearchofthesmartantenna.Keywords:ethirdgenerationmobilecommunications;smartantenna1引言从需求的角度,随着全球移动用户数量的快速增长,对于移动通信系统的需求越来越大,甚至出现容量不足的问题.增加系统容量的需求推动了数字蜂窝的开发.在数字移动通信系统中有三种基本的多址接人方式:频分多址(FDMA),时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA).它们分别在频域,时域和码域上实现用户的多址接入,而空域资源尚未得到充分的利用.智能天线正是致力于空域资源的开发,是一种解决目前频谱资源匮乏,无线系统容量不足的有效途径.从技术发展的角度,随着电磁学和信号处理技术的发展,近20年来自适应阵列的研究工作取得了很大进展.20世纪90年代以来,阵列处理被引入移动通信领域,很快形成了一个新的研究热点智能天线(smartantenna)o智能天线是基于自适应天线阵原理,利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束,并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户,达到提高信号干扰噪声比SlNR(SignaltoInterferenceandNationRatio),增加系统容量的目的.采用智能天线技术,实际上是通过数字信号处理,使天线阵为每个用户自适应地进行波束赋形,相当于为每个用户形成了一个可跟踪他的高增益天线,如图1所示,从而既可以进行全方位通信,又可以用较小的发射功率覆盖相同的范围.对于移动通信系统,一般只考虑在基站使用智能天线.这主要是因为CDMA系统的反向链路是弱链路,基站接收的每个用户信号不仅受到本小区的收稿日期:20050808作者简介:张洪生(1974一),男(汉族),吉林省榆树市人,中国传媒大学副教授.72中国传媒大学自然科学版第13卷多址干扰,而且受到相邻小区用户的干扰,相比之下前向链路使用用户受到的干扰较小.只在基站用智能天线的另一个原因是基站对天线阵列的功率,体积等没有严格的限制,而移动用户则不然.通过在基站使用全向收发智能天线,可以为每个用户提供一个窄的定向波束,使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号的发射功率,降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰.具体而言,智能天线将在以下几个方面提高未来移动通信系统的性能:第一,扩大系统的覆盖范围;第二,提高系统容量;第三,提高频谱利用率;第四,降低基站发射功率,节省系统成本,减少信号间干扰与电磁环境污染.在CDMA系统中能够比较容易的产生与期望信号密切相关的参考信号,这是许多智能算法实现所必须的,因此,智能天线技术比较适用于CDMA移动通信系统.移鏊一一智能天线的几种形式智能天线系统的相关技术包含很多方面,根据侧重点不同可以分为:智能天线阵,相控天线,空分多址,空间信号处理,数字赋形,自适应天线阵等.智能天线系统的工作方式基本有两种:预多波束工作方式和自适应工作方式.根据其工作方式可将智能天线系统划分为两类:预多波束或切换波束系统和自适应阵列系统.预多波束系统工作在预多波束工作方式.它利用天线阵预先形成多个窄的定向波束,分别指向各个方向,相当于用J7,r个天线覆盖J7,r个角区域.其形式如图2所示.当移动用户发生移动时,系统通过检测信号的强度,从一个波束切换到另一个波束,通过区域选择来实现对用户的大致跟踪.可以认为预多波束系统是对移动通信环境在波束空间的部分自适应.而自适应阵列系统则实现了对移动通信环境在空间域上的完全自适应.自适应天线技术通过自适应信号处理算法,使天线阵实时地产生定向波束准确地指向移动用户,从而实现对各移动用户的自动跟踪和定位,有效地抑制了干扰信号,同时增强了对有用信号的接收.其赋形图如图3所示.自适应天线系统不用预先形成固定波束,而是根据信号环境的改变实时地调整波束方向,这显然比波束切换系统的性能要好,但是实现上的复杂度也相对较高.而预多波束系统与阵元空间的完全自适应相比尽管有一定的性能损失,但由于其实现的简单而受到了一定的重视.图2波束切换系统天线方向图有用信号图3自适应阵列3智能天线的体系结构如图4所示,智能天线系统的组成可基本划分为天线阵,收发信机和智能处理器.天线阵本身由M个空间分布的天线阵元组成.天线阵接收所有到达阵列的各用户信号,通过智能信号处理单元适当合并阵列输出,可以从接收的多用户信号中提取出占用同一频宽,同一时间的各个用户的信号,通常又称空间滤波.天线阵的功能要受所选的各阵元特性第3期张洪生:WCDMA系统中智能天线的应用73及其集合配置的约束.天线阵根据阵元的排列情况可以分为:直线阵,环形阵,平面阵等许多种,其基本概念都是类似的.天线阵最简单的结构是直线阵排列.直线阵的阵元间隔一般取,其中为载波信号的波长.每个天线阵元都连接到相应的收发信机,收发信机的功能是把收到的射频信号解调到基带上,经过A/D转换器变为数字信号进入智能信号处理器,或者把智能处理器送出的基带信号经过D/A转换,然后调制到射频上.智能处理器所起的作用是自适应地调整权值以便实现所需的空间和频率的滤波,它是智能天线处理系统的核心.智能信号处理部分又包括空间参数DOA(DirectionofArriva1)提取,上,下行自适应算法及波束赋形等单元.智能天线技术的关键就在于空间参数的提取和数字赋形的实现.移动用户1移动用户2图4智能天线系统的基本结构4智能天线的信号模型对于有M个阵元的天线阵列,用.,表示各个阵元的位置坐标,则天线阵列接收到的信号矢量为:s(t一?戈1)s(t一?戈2)s(tr1)s(tr2)s(tr)其中,r.=?,各阵元接收的信号实际上是对传播的平面波的空间抽样,这些抽样点的信号是同一接收信号的不同延时信号.在空时信号模型中,表征来波信号方向的量通常是方位角0和仰角西,来波信号在每个天线阵元的延时实际上是由该阵元的空问位置和来波信号的方位角及仰角决定的,见图5.移动用户K图5空间信号传播示意图智能天线处理的是空间信号,在迪卡尔空间坐标系中,空间信号可以表示为s(s,y,z,t),其中(,y,z)表示信号点的空间位置,t表示观察时刻.根据麦克斯韦电磁理论,单色平面波可以表示为:s(戈,t):AexpJ(totkxxkrY一矗)为了表示简便,通常定义位置矢量=(,Y,)(,K,)表示信号观察点的空间坐标,定义波数矢量=(,)表征平面波的传播方向.这样,传播的平面波信号表示为:s(,t)=Aexpj(tot一?)我们再定义=,则l)l=去,可进一步乙将平面波信号表示为:s(,t)=s(t一?)=Aexprio(t一?)则在第i个阵元处的传播延时可用阵元的坐标和方位角0及仰角表示为.r=?=x,sindcos0+,sindsinO+ZiCO$(),通常我们只考察二维平面的情况,即=90.这种近似是合理的,因为对于多数蜂窝系统,移动用户离天线阵是足够远的,所以.rl=?=xcosO+Ylsind).时延也可用相位来表示,那么在第i个阵元上由时延产生的相位差为=.r=(XiCOs+ysinO),其中eA表示载波波长.天线阵列接收到的信号矢量可表示为:s(t一.r1)5(t一.r2)5(t一.r)Aexpjto(t一.r1)Aexpjto(t一.r2)lAexpjw(t一.r)74中国传媒大学自然科学版第13卷exp(一如.)exp(一如)exp(一如)=s(t)口(0)其中s(t)=Aexp(jtot)为来波信号,而Ot(0)称为天线阵的阵列响应矢量,在天线阵各阵元位置固定的情况下,阵列响应矢量只与来波的到达角有关.以上所提到的接收信号时单色平面波的简单情况,下面将根据移动通信中无线传播环境的特点,给出多用户多径环境下的信号模型.用K表示系统中的用户数,表示天线阵元的个数,(t)表示天线阵列接收到的第K个用户的信号矢量.由于多径的存在,对于每一个用户的接收信号矢量都是各条径的信号矢量之和,则第K个用户的接收信号矢量表示为:(t)=.口(,)s(一,)其中,表示第K个用户的_多lO径tk,l数,0川表示t第个K用户第Lz条的路径延时,Ot川表示第k个用户第f径的复信道增益,其他变量定义不变.上式在考虑了频率选择性衰落情况下的通用信号表达式,在非频率选择性(平坦)衰落情况下,多径信号在天线阵列上的响应是有差别的.当多径信号间的延时差足够小,<I,其中B表示信号宽带,则信道将是平坦衰落D信道.对于平坦衰落环境,第k个用户的接收信号矢量可以表示为:Xk(t)=.e.ja(Q).sI(t)工I=.k,le-f1%k,l口(Q)sI(t)=v,sI()其中,s(t)表示第k个用户发送的基带信号,It=.zeek,la(0,1)表征了第k个用户的空时信道特性,称为空间信号矢量.天线阵列接收到的信号矢量是所有用户接收信号矢量之和,即:()=k=l()+n()其中n(t)是背景噪声和其他小区用户的干扰之和,近似为高斯白噪声矢量.用矩形形式来表示阵列接收信号矢量可以简化表达式,见下式:(t)=V?+(t)V=l,2,】,s=Isl(),s2(),s()】5智能天线在第三代移动通信系统中的应用在移动通信系统中,在不显着增加系统复杂度的情况下,使用智能天线能够在多径环境下减少衰落和共道干扰,满足提高系统容量和服务质量的需要,所以在第三代移动通信系统的设计中,智能天线技术受到人们广泛的关注.在美国,SARC是Stanford大学着名的智能天线研究小组,它得到了联邦政府和七个工业组织的支持,每年6月或7月召开一次研讨会,以便与产业届和同行取得沟通,并加速成果的转化,到目前为止已经举办了六届.1999年召开的研讨会主题是推动智能天线在第三代移动通信和无线固定接人中的应用.欧洲通信委员会(CEC)在RACE计划中实施了两个阶段的智能天线研究和开发计划,即TSUNAI计划.在日本,结合第三代候选标准之一WCDMA,提出并部分验证了导频符号辅助相干自适应阵列分集PSACAAD的可行性,该算法利用导频符号,对每个时延多径形成特定的波束,然后采用常规方法合并多径,实质上实现了时空二维Rake接收机的功能.在中国,综合利用3.s技术(智能天线,同步CDMA和软件无线电)开发用于无线本地环路的SCDMA系统,在该系统中智能天线起到了很重要的作用,在一定程度上可以说SCDMA是以CDMA和智能天线为核心技术来构造系统的体系结构的.改进的SCDMA作为中国提交给ITU的RTT技术方案,是3G的RTT技术方案中比较明确要使用智能天线的方案.在CDMA2000的技术方案中,前向信道设置了两种智能天线的工作方式,即固定波束和自适应波束两种,前者将每个固定波束分配给一组用户使用,这一组用户使用同一辅助导频信道.后者每个用户对应一个自适应波束,当用户移动时,波束也移动,对每个波束即每个用户使用一个辅助导频信道.1999年12月,在ITU的无线通信会议上提出以下考虑:全球的移动系统,蜂窝系统以及无线系统发展迅猛;第3期张洪生:WCDMA系统中智能天线的应用75而为上述系统可用的频谱资源是有限的;用于提高频谱效率的技术对于上述系统的发展是至关重要的;一直渴望实现在小区内控制辐射模式,并使其作为一种重要的系统设计方法;自适应天线的发展;在移动通信系统中,智能天线的使用能够带来频谱效率的提高;关于使用智能天线的建议可以作为其他ITU的建议的补充.决定将就下面几个关于智能天线的课题开展研究:在移动无线系统中应用智能天线蕴涵的意义;关于在哪些频带设计和使用智能天线的重要考虑;智能天线在抑制干扰,增强有用信号接收方面的巨大潜力.引入智能天线后对移动通信系统的影响主要包括两个方面,其一,当智能天线引入已经使用的移动通信系统时,对原来系统的改造要尽可能的少,尽可能多使用软件方法解决,特别是不要引入新的信令负担;其二,当以智能天线为中心设计移动通信系统时,要注意周边技术的选择,研究发现CDMA和TDD是智能天线的理想伙伴,CDMA使得信道资源的配置和用户管理容易实现,而TDD由于上下行链路的对称性使得智能天线工作简单.6智能天线的研究现状及未来的研究方向目前,智能天线已经成为移动通信领域的一个研究热点.智能天线的研究是一个综合的课题,其涉及的领域包括:信号处理,元线电波传播,通信系统以及天线阵列等.归纳起来,智能天线的研究主要有以下两个方面的内容:第一,论证智能天线对通信系统的功效,其中包括智能天线对通信系统容量的提高,智能天线的抗多径干扰的性能等等;第二,提出实现智能天线的优化方案和快速算法.用智能天线提高系统的容量无疑是智能天线研究的首要课题.事实上,要精确的计算智能天线对容的提高是十分困难的.首先必须确定小区用户的分布情况,小区的无线传播模型,智能天线的实现方案与算法,并结合具体的通信体制加以讨论.目前的研究已经从过去旧的简化的几何模型过渡到考虑多径和阴影效应的统计模型.多径衰落历来是影响无线通信的关键因素之一.对此人们做了大量的工作并提出许多有效的方案.例如分集技术,Rake接收机,自适应滤波,联合检测,纠错编码等.而智能天线从空间域的角度提供了一条新途径.智能天线能分辨出不同方向上的各多径信号,这是传统的抗的多径技术无法得到的.如何将智能天线技术与现有的抗多径技术相结合,较好的解决多径传播,是智能天线研究的另一个重要课题.目前,基于空间一时间联合抗多径衰落的方法受到人们的广泛重视,并通过仿真数据展示了良好的应用前景.无线通信系统常常要求天线具有窄的主瓣宽度,高增益和低的旁瓣电平.对于给定阵列单元数的阵列分布,如果其占据的几何空间越