TD-SCDMA系统智能天线原理及工程实施毕业论文.doc

TD-SCDMA系统智能天线原理及工程实施 摘要：智能天线采用的空分多址SDMA（Space Division Multiple Access）技术充分利用了有限的信道资源，显著地扩大了系统的容量，并有效地提高了频谱的利用效率。因此，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。本文首先简要介绍了智能天线原理在TD-SCDMA系统中的实现情况，并结合智能天线物理特性，TD-SCDMA智能天线相关仿真数据和典型现场测试实例，对TD-SCDMA 系统智能天线技术的原理、实现及功能验证进行了分析。从智能天线的功能和对网络的影响出发，阐述了在不同规划阶段，如何利用规划工具实现智能天线的功能模拟。针对TD-SCDMA天馈系统的特殊性，研究了天馈系统及相关射频器件的性能指标，对整个天馈系统的工程设计及注意事项进行了探讨，对TD-SCDMA天馈系统存在的问题给出了一些改进建议。关键词：智能天线；TD-SCDMA；仿真；工程设计TD-SCDMA Smart Antenna System Principles and the implementation of the projectAbstract：Smart antenna, which uses the SDMA( Space Division Multiple Access) technology as its basic feature, use the limited channel resources thoroughly, and amplifies the system capacity obviously. Besides this, it also improves the efficiency of frequency usage. Therefore, smart antenna has become one of the most attractive technologies in the field of mobile communication.In this paper, the realize situation of the smart antenna theory in TD-SCDMA(Time Division Synchronization Code Division Multiple Access) system is firstly introduced. Accompanied with the basic physical characteristics of smart antenna, relative simulation data and the field test example, an analysis about the theory, realization and function proof of the smart antenna in TD-SCDMA system has been made. Begin with this analysis; the thesis makes a discussion on how to realize the function simulation of smart antenna with the planning tools.Secondly, according to the characteristics of TD-SCDMA antenna system, an introduction of the performance feature of the antenna system and relative radio equipment is made. Furthermore, the engineer design and the key issue of the antenna system are wholly discussed. In this discussion, the existing problems of the TD-SCDMA antenna system are listed in queue and some improvement advices are given accordingly.Key words：Smart antenna, TD-SCDMA, Simulation, Engineer design目 录第1章 绪 论11.1 概述11.2 TD-SCDMA系统中的智能天线技术21.3 本文的研究意义及基本内容3第2章 智能天线原理52.1 智能天线的简介52.2 智能天线的工作原理62.2.1基本结构62.2.2工作原理82.3 智能天线的关键技术92.3.1智能化接收技术92.3.2智能化发射92.3.3动态信道分配102.4 关键算法102.5 技术实现122.5.1上行链路处理132.5.2下行链路处理13第3章 智能天线技术在TD-SCDMA系统中的实现153.1 智能天线对TD-SCDMA系统的性能改善153.1.1提高接收机的灵敏度153.1.2提高基站发射机的等效发射功率163.1.3降低系统的干扰163.1.4改进小区覆盖173.1.5增加系统容量193.1.6降低了无线基站的成本213.2 TD-SCDMA系统智能天线性能仿真223.2.1仿真软件介绍Atoll223.2.2仿真环境233.2.3天线介绍243.2.4性能评估253.3 仿真案例：293.3.1项目背景293.3.2设计指标及系统参数取定303.3.3链路预算303.3.4无线接入网建设方案333.3.5网络仿真分析363.3.6仿真结果383.3.7网络性能统计403.4 TD-SCDMA系统智能天线工程设计及实施413.4.1智能天线的选择413.4.2馈线和塔放的选择423.4.3天馈系统的工程设计433.4.4天溃系统工程安装44第4章 展望与总结514.1 智能天线技术展望514.2 论文总结52致 谢53参考文献54附录155附录257第1章 绪 论1.1 概述智能天线是一种智能化的天线形式，随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分多址SDMA（Space Division Multiple Access）技术，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量收到严重影响。采用智能天线可以有效地解决这个问题。智能天线技术是一种伸缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达基站收发信设备（BTS）前可能经历了较长的传播途径，有较大的路径损耗（Path Loss），为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，零陷对准主要的干扰信号，从而更有效的抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，同时支持更多的用户（在CDMA系统中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。智能天线可以用于基站端，也可用于移动终端。用于基站端的智能天线是一种由多个天线阵元组成的阵列天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户的移动而移动。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积，或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境和用户和基站的最佳空间匹配通信。用于移动终端的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电磁波对人体的伤害。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，这样可以为用户提供定位服务，如导航、紧急求助等。天线的空间分集可以克服快衰落，显著提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。移动通信信道传输环境恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间干扰，FDMA、TD-SCDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰，CDMA系统中的多址干扰（MAI）等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号及其时延样本（Delay Version）和干扰信号，在时、频域存在差异的同时，在空域上波达方向也存在差异，天线分集（Antenna Diversity）、特别是扇形天线（Sector Antenna），可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它则可以采用智能天线技术。采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地利用移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种频分、时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即智能天线广泛适用于各种系统。1.2 TD-SCDMA系统中的智能天线技术TD-SCDMA系统使用了智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、同步CDMA技术等有助于提高系统性能的关键技术，而智能天线技术是其中的核心技术。TD-SCDMA系统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。以TDD模式运行的TD-SCDMA系统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。为了取得最高的频谱效率，集智能天线和联合检测相结合的TD-SCDMA的系统设计正向由DSP控制的系统最优化迈进。这两个技术为移动通信系统的软件最优化设计奠定了基础。并且TD-SCDMA系统的智能天线的应用对所有的3G业务都有效。具体而言，在TD-SCDMA系统的基本结构中，智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得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。CDMA技术的一大特性是大多数用户信号可在相同的时间和相同的载波上平行的传送。然而，考虑到移动无线多点到点的用户中，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，另一方面则要求在移动环境下，每一独立的方向系统都必须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，并允许对大量独立的用户同时进行计算。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，方向性智能天线呈现完全相同的双向天线图，因此在两个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的。对称性(TDD)可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一倍。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。因此，TD-SCDMA中智能天线的应用是高经济系统设计的重要部分,可降低运营商投资和提高其经济收益。带有智能天线，联合检测和具有对称和非对称业务的自适应无线资源分配能力的TDSCDMA技术的先进设计是迈向软件无线电的重要的一步。1.3 本文的研究意义及基本内容移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视。智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。本论文首先介绍了智能天线的原理及概念，以及它在提高无线系统能力(容量、覆盖和新业务等)方面的应用价值。文章的第二部分对智能天线的工作原理和技术的发展情况及其关键算法进行了描述，并通过数字信号处理的一些基本理论方法对其关键算法进行分析、验证及对比，从而指导TD-SCDMA智能天线的产品设计。由于目前3G是我国在通信系统应用研究方面的重点，TD-SCDMA同时是由我国提出的具有自主知识产权的3G标准，则第三部分对智能天线技术在TD-SCDMA系统中的应用进行了重点讨论，采用理论分析、仿真验证等研究方法对TD-SCDMA系统智能天线的特性、特点进行详细的分析研究，进而得出在不同场景下工程实施的具体操作方案，以解决实际问题。第四部分对本次论文所做理论分析及仿真验证进行总结并对智能天线技术发展进行展望。第2章 智能天线原理2.1 智能天线的简介智能天线（Smart Antenna, SA或 Intelligent Antenna, IA）原名自适应天线阵列（Adaptive Antenna Array, AAA）最初应用于雷达、声纳、军事等方面，主要用来完成空间滤波和定位。普通天线的发射功率分布在整个小区，这样同一小区内部以及使用同样频率的相邻小区间就会产生干扰，如何消除小区内和小区间的干扰，成为提高移动通信系统性能的热点问题。TDSCDMA采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。基站会在整个小区内跟踪终端的移动，这样终端得到的信噪比得到了极大的改善，从而优化了链路预算，干扰减小后频谱利用率也就提高了。智能天线系统由一系列天线阵列、接收机和先进的数字信号处理算法组成。区别于普通先天的单一固定波束，智能天线可以有效生成多个波束，指向特定终端，这种波束可以自动跟踪终端的移动。智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则使天线阵产生定向的波束指向用户，并自动调整加权系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。辨识信号到达方向AOA（Angel of Arrival），代表的算法是Music算法、ESPRIT算法、最大似然法算法等。自适应波束赋形的目的是通过自适应算法得到最佳加权系数。采用何种算法首先需要考虑自适应准则，主要有最大信干比（SINR）、最小均方误差（MMSE）、最小方差、最大似然等。常用的自适应算法包括：DMI-抽样协方差矩阵求逆算法、LSI-各种类型的最小均方算法、RLS-递归最小二乘法和CMA-恒模算法等。它们有各自的特点和不足。TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵由8个完全相同的天线元素均匀分布在一个半径为R的圆上所组成! 智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。 该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布在360度的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常合适的。根据以上基本原理，在CDMA系统（无论是TDD或FDD方式）中采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的等效发射功率，降低了系统的干扰，增加了CDMA系统的容量，改进了小区的覆盖，降低了无线基站的成本。由于采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率，大大降低了系统内部和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；同时也可以使业务高密度的地区和郊区所要求的基站数目减小。在业务稀少的乡村，无线覆盖范围将增加一倍，这也意味着在所覆盖区域的基站数目降至通常情况的1/4。天线增益的提高也能够降低高功率放大器（HPA）的线性输出功率。因为HPA的费用占收发信机成本的主要部分，所以智能天线的采用将显著降低运营成本，提高系统经济效益。2.2 智能天线的工作原理2.2.1 基本结构智能天线是一种阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点的位置，使波束总是指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益和信干噪比（Signal to Interference Noise Ratio, SINR），节省发射功率，延长电池寿命和降低用户手机体积，其基本结构原理如图2.1所示。A/DD/A权值系数列表数字信号处理器本地信号图2-1 智能天线的原理结构图智能天线系统由以下几个部分组成4：1、 天线阵列部分天线阵元数量和天线阵元的配置方式都对智能天线的性能有着直接的影响，设阵元数为M，一般在移动通信中取M=8或16等。阵列天线的组阵方式多种多样，典型的阵列形状大致可分为：线阵、面阵、圆阵等，而在实际应用中，还可以根据不同的需要组成三角阵、不规则阵和随机阵等。2、 模/数转换或数/模转换部分基站端的智能天线，在上行链路时，天线将接收到的模拟信号转换为数字信号；而在下行链路时，要将处理后的数字信号转换成模拟信号。3、 波束形成网络部分该部分的主要功能体现为天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化，通过数字信号处理器自适应地调整权值系数，以调整到合适的波束形成网络，或者从预先设置好的权值系数列表中根据一定的准则挑选一组最佳值，以获得最佳的主波束的方向。2.2.2 工作原理智能天线的基本思想是：天线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。但智能天线的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，事实上，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，智能天线的“智能化”正体现于此。智能天线的理想前景是空分多址（SDMA），它不是信道复用的概念，而是一种信道倍增方式，可与FDMA、TDMA、CDMA等系统完全兼容，从而实现组合的多址方式。假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决定。若入射信号为平面波（只有一个入射方向），则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并器的输出信号强度也会不同。以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益为纵坐标所作的图被称为方向图，智能天线的方向图不同于全向（Omni）天线（理想时为一直线），而更接近方向（Directional）天线的方向图，即有主瓣（Main Lobe）、副瓣（Side Lobe）等，但相比而言智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益（天线的一项重要指标，是最强方向的增益与各方向平均增益之比），另外和固定天线的最大区别是：不同的权值通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式（Antenna Pattern）。所谓合适的方向图，是指为了最大限度地放大有用的信号、抑制干扰信号，最直观的是我们可以将主瓣对准有用信号的入射方向，而将方向图中的最低增益点（被称之为零陷）对准干扰信号方向。当然这只是理想情况，实际的无线通信环境是很复杂的，干扰信号很多、存在多径传输、天线阵元数不会很多（有限的自由度）、有用信号与干扰信号在入射方向上差异可能不大等都使前面的方案并不可行，但追求最大信干噪比依然是最终目标。2.3 智能天线的关键技术2.3.1 智能化接收技术应用智能天线CDMA系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的多址干扰和多径信道带来的码间干扰都会使到达基站的用户信号产生畸变，所以必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复，即多用户检测（Multi-User Detection, MUD）技术。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量，如波达方向、空域特征（Spatial Signature, SS）等，它们的估计精度将直接影响到下行选择性发送的性能。目前，完成智能化接收的方法主要有基于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。前一类方法又分为子空间方法和基于参数估计准则的方法两类。后一类方法主要利用信号的时域信息和先验特征进行空域处理。2.3.2 智能化发射在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量的要求，发射信号功率一定要动态控制，在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下（各小区干扰基本稳定），满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发送给它的下行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于反馈和基于上行链路参数估计两种方法。前一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号，估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。基于上行链路参量估计的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。TD-SCDMA采用的是后一种方法。在时分双工（TDD）系统中，上、下行链路使用同一载波频率，在信道特征变化相对较慢的情况下，可以近似认为上、下行链路的信道特征相同，可使用对上行信道的估计设置下行链路参数。而在频分双工（FDD）系统中，由于上、下行链路载频不同，上、下行链路的信道特征差异很大，要分别估计上、下行链路特征，所以在FDD系统中使用智能天线比在TDD系统中使用要复杂的多，这也是在使用智能天线方面TDD系统较FDD系统的优势所在。2.3.3 动态信道分配在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。在将空分信道引入系统后，空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道分配不同。在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户，可分享同一时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题，且随着用户空间位置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配。空分信道分配必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种高效算法，以适应用户的移动性。对于CDMA系统，由于其容量是软容量，信道分配相对简单。智能天线本身具有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制技术，同时基站间的越区切换也将更为灵活。2.4 关键算法TD-SCDMA智能天线技术的核心技术体现在一些关键算法上，比如信道估计算法、波束赋形算法等。这些算法的性能决定了智能天线的主要性能，进而决定了TDSCDMA系统的容量与覆盖性能。通过数字信号处理的一些基本理论方法可以对上述算法进行分析和验证，从而指导TD-SCDMA智能天线的产品设计。智能天线的目标是能根据实际信道情况实时调整自身参数，有效追踪多个用户，在系统中实现空分多址（SDMA）。智能天线一般由射频部分的无线信号的接收、发射、A/D转换、D/A转换，以及基带（或中频）部分的数字信号处理组成。传统意义上的波束赋形与多种信号处理方法融合，使得这一概念的确切含义逐渐模糊。本文取波束赋形的一般含义，即根据测量以及估算参数，实现信号最优（次优）组合或者最优（次优）分配的过程。波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带（或中频）信号的最佳组合或者分配。具体的说，其主要任务是步长无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低用户间的同信道干扰。智能天线系统的接收机目的就是利用每个天线阵元上接收到的信息来检测出原始信号，自然天线阵列能够增强系统的性能。在接收端，对接收到的信号进行线性解调得到信号，表示如下： (2-1)式中,为波束形成的加权矢量，也是自适应接收机在检测信号过程中需要调节的参数，如图2-2所示。(B-1)T(B-1)T(B-1)T阵列输出图2-2宽带自适应波束形成原理宽带天线阵列也成为联合空时处理器。宽带信号的表达式为： （2-2）式（632）为多径信号矢量，天线阵列的加权矢量为： （2-3）每个用户的加权因子为： （2-4）式中,B为宽带阵列中的抽头系数。根据上面的表达式，阵列的输出信号为： （2-5）波束赋形的一个核心问题就是如何获得加权因子。目前已经提出很多著名算法，概括的讲有非盲算法和盲算法两大类。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，此时接收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则（比如最优的迫零Zero Forcing准则）确定加权值，要么直接按一定的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，常用的相关准则有最小均方误差（MMSE）、最小均方（LMS）和最小二乘方（LS）等。盲算法则无需发送端传送已知的导频信号，判决反馈（Decision Feedback）算法是一类较特殊的盲算法，接收端自己估计发送信号并以此为参考信号进行上述处理，但需要注意的是应确保判决信号与实际传送信号之间有较小差错。盲算法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（CM）、子空间（Subspace）、有限符号集（Finite Alphabet）、循环平稳（Cycle-stationary）等，并调整权值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，收敛速度也快，但需浪费一定的系统资源，将两者结合的有一种半盲算法，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。这样做一方面可综合两者的优点；另一方面也是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。2.5 技术实现智能天线在实现上更适合于时分双工（TDD）或时分多址（TDMA）接入系统，如U-TRA TDD、TD-SCDMA和GSM/GPRS。而目前3G中的主流体制WCDMA于CDMA2000均为频分双工（FDD），其上、下行频段间隔190MHz，已远大于2G频段上的信号相关带宽。因此上、下行频段衰落特性是独立的，这将给智能天线的实现带来技术上的难度，此时，智能天线必须建立在反馈闭合环路的基础上。TD-SCDMA的智能天线使用一个环行天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。TD-SCDMA使用的智能天线当N=8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，因此对于传输非对称的IP数据、下载较大业务信息等都是非常合适的。由于智能天线在干扰消除、抵抗多径、提高系统性能方面具有良好的性能，故TD-SCDMA系统采用了这项技术.对于采用智能天线的TD-SCDMA系统，NodeB端的处理分上行链路和下行链路处理。2.5.1 上行链路处理上行链路处理主要包括以下几个部分： （1) 各个天线的射频（RF）单元对接收的信号进行下变频以及A/D转换，形成接收到的天线阵列基带信号。 （2) 根据用户训练序列的循环偏移的形成特性，采用FFT算法对各个天线上接收到的训练序列进行快速信道估计，得到用户到各天线间的信道冲激响应。 (2-6)式中，为接收到的训练序列；m为基本训练序列；h为本小区所有用户的信道冲激响应序列，根据用户的训练序列形成时的偏移可以确定各个用户的信道冲激响应。 （3) 对于信道估计的结果，一方面用于形成联合检测的系统矩阵；另一方面用于用户的POA估计，为下行链路的波束赋形选择方向。 （4) 根据用户到各天线的信道冲激响应以及用户分配的码信息形成的系统矩阵进行联合检测，同时获取多用户的解扰和解扩以及解调后的比特信息，然后经过译码，就可以得到用户的发送数据。由于多天线的联合检测具有空间分集的作用，所以采用智能天线大大提高了系统接收性能。2.5.2 下行链路处理下行链路处理主要包括以下几个部分： （1) 首先对用户的下行链路的发送数据进行编码调制，然后根据用户分配的码信息和小区信息进行扩频加扰，形成用户的发送码片信息。 （2) 然后根据上行链路中确定的用户信号到达方向DOA（Direction of Arrival），选择下行波束赋形的权值，对用户进行下行波束赋形，以便形成用户的发射波束，达到空分的目的，并最终生成用户待发送的各个天线上的基带信号。波束赋形有两种方法：1）自适应方法：自适应波束赋形需要根据MMSE或LMS等准则直接估计出一组滤波器系数或者是估计出DOA，然后根据DOA确定权值；2）切换波束方法：切换波束方法则是利用多个事先预置的并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的。基站根据小区内移动用户的DOA信息，选择相应的发射波束。预先计算好所有方向的阵列加权值，并将这些信息加以储存。只需根据移动台的DOA信息，选取存储再计算机中的相应加权值，形成发射波束，提高用户的信噪比。自适应方法实时计算DOA，跟踪精度较高，但动态相应速度相对较慢，健壮性较差，并且运算量大；而切换波束方法预先计算方向权值和固定波束个数，对于不在波束方向的角度估计误差较大，但不需要实时计算，运算量小。由于在TD-SCDMA系统中，采用了TDD双工方式，上、下行链路工作于相同的载频，传输性质一致，便于将上行链路的DOA估计和下行链路的波束赋形结合起来考虑。在上行链路DOA估计中，功率最大的方向确定为用户的DOA方向，在下行链路的波束赋形时直接应用该方向的权值进行波束赋形，使得结构简单，便于实现。 （3) 对于要发送的天线阵列上的基带信号进行D/A转换以及上变频操作，最终由射频单元发送。第3章 智能天线技术在TD-SCDMA系统中的实现3.1 智能天线对TD-SCDMA系统的性能改善TD-SCDMA系统中采用智能天线的优势集中体现为: （1) 定向发射、定向接收。 （2) 正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态。图3-1为不使用智能天线与使用智能天线的差别。由图3-1可知，不使用智能天线时，基站天线全向发射、全向接收；所有小区内的移动终端均相互干扰，此干扰是CDMA容量限制的主要原因。而采用智能天线后，天线性能得以大幅度提高。（a） 不使用智能天线 （b） 使用智能天线图3-1 普通天线与智能天线对比示意图3.1.1 提高接收机的灵敏度从接收端来看：在手机终端UE发送相同功率信号的情况下，智能天线接收的信号幅度是单天线接收的信号幅度的N倍（N表示天线数目），因此，智能天线提高了接收机的灵敏度。图3-2 智能天线优势之能量集中示意图上行：提高基站接收灵敏度（10lgN dB)下行：增大覆盖距离（等效功率增加20lgN dB）3.1.2 提高基站发射机的等效发射功率从发送端来看：在单天线和智能天线接收机相同的信号功率时，采用智能天线的情况下UE发送的功率仅为单天线情况下UE发送功率的1/N。3.1.3 降低系统的干扰以8元均匀圆形阵列为例（M=8），假设主瓣指向期望用户方向，干扰均匀分布在整个空间，则得到的智能天线的平均干扰抑制比，也即最大功率与平均功率之比为8dB左右。如果干扰皆分布在方向图的零点或低增益点，则智能天线抑制干扰的能力越强；如果干扰皆分布在方向图的主瓣范围内，则智能天线抑制干扰的能力相对减弱。从信噪比增益参数来看，和单天线相比，智能天线能提高信噪比M倍。对于8元均匀圆形阵列，智能天线提高信噪比达9dB。表3-1 智能天线性能参考主要指标全向定向单天线增益8dBi12dBi15dBi左右单天线单载波发射功率28dBm同全向单天线半波阵子个数58赋形波束水平3dB波束宽度35度左右15度左右赋形波束垂直3dB波束宽度约10度左右略小于全向智能天线下倾角不超过10度，规划中根据实际情况考虑同全向8天线合成增益9dB同全向赋形增益7dB同全向馈线损耗（TPA至天线）小于1dB小于1dBEIRP值（单载波）28dBm+8dBi+9dB+7dB=52dBm28dBm+15dBi+9dB+7dB=59dBm平均干扰抑制度： （3-1）3.1.4 改进小区覆盖智能天线给移动通信系统带来的一个明显好处就是能扩大系统覆盖范围，而覆盖范围的扩展使我们能够在不提高移动台上行发射功率或基站的下行发射功率的情况下，让移动用户可以在离基站更远的地方进行通信，从而减少基站的数目，降低网络运营成本。为了量化智能天线对小区覆盖的改善，我们首先考虑一个简单的无线传播模型，如图3-3所示：发射机接收机d图3-3 简单的无线传播模型这里，发射机利用增益为的天线，发射一个平均为的信号。接收机到发射机的距离为d，使用增益为的天线。假设发射机和接收机天线各自指向对方，即两个天线的指向在一条直线上。由于线的理论知识可知接收天线处的功率为： (3-2)这个表达式称为Friis自由空间链路方程。发射功率单位用W表示，波长和距离单位用m表示，接收功率单位也用W表示。如果用dB表示功率单位，自由空间链路方程表示为 (3-3)式中，和的单位是dBm;和的单位是dBi;d的单位是m；是载波频率；单位为Hz;c是光速，为。式（3-3）对无线通信系统具有重要的意义。为使无线链路达到一定的性能要求，接收机端必须达到某个最小接收功率电平。假设发射机和接收机（TR）间距离为d,工作频率为，从式（3-3）知道，可以用3种方法来提高。一种方法是提高发射机功率，但是，如果发射机是移动手机，提高发射功率将减少电池寿命，而且大功率发射机既价格昂贵又体积庞大，因此，可以选择增加发射天线或接收天线的增益。用dBm表示的接收功率和用W表示的接收功率间的关系为： (3-4)dBi指的是用dB表示的天线增益与各向同性天线增益的相对比值。对于各向同性天线，如果天线无损耗，由于Um=Uave,由式（3-5）知，各向同性天线的增益Giso1，所以，天线相对于各项同性天线的增益为 (3-5)以后用Pr、Pt、Gt、Gr分别代表用dBm表示的功率电平和用dBi表示的增益，或者用W表示的功率电平和无量纲的增益。在基站和手机用户发射功率不变的情况下，从Friis自由空间链路方程可以看出，智能天线可以通过增加基站天线的增益而增加覆盖范围。该方程只适用于自由空间，在多径及发射机和接收机间存在障碍物时，式（3-5）不再适用，这时，需要把Friis自由空间链路方程推广： (3-6)式中：基站接收到的功率；用户发射功率；用户端的天线增益；基站的天线增益；3.1.5 增加系统容量在移动通信系统中，CDMA系统是一个干扰受限系统，系统的载干噪比（CINR）决定着系统的容量，所以减小系统的多址干扰就意味着系统容量的提高。智能天线正是通过抑制多址干扰，来提高系统的CINR，从而明显地增加了小区内的用户数。A1A2A5A6A7A3A4图3-4 小区分区结构定义图3-4所示7小区结构，假定中心小区A1周围只有一层小区，围绕中心小区的6个小区于中心小区的面积相等，每个小区内的用户数为k。当基站和手机都使用全向天线时，频率复用因子定义为,如式（3-7），假设基站A，对自己小区内的所有用户实行理想功率控制，基站控制手机从该基站接收到的功率为。 (3-7)小区内用户的多址干扰为，中心基站反向链路上的总多址干扰是中心小区用户的干扰与外层小区所有用户的干扰之和，即 (3-8)式中干扰因子，它是路径损耗指数n的函数。由于远大于1，所以，。于是，式（3-7）可表示为 (3-9)表3-1给出了不同路径损耗指数下，干扰因子和频率复用因子的取值。表3-2 不同路径损耗下，频率复用因子的取值路径损耗指数n干扰因子复用因子20.25170.398330.14760.53033.720.11160.598940.10220.6189在基站处，期望信号的载干噪比（CINR）为： (3-10)式中小区内语音激活因子；噪声方差；基站的扩频因子，是码片速率与信息符号速率的比值。TD-SCDMA系统上行链路的码片速率为1.2288Mchip/s，最大符号速率为38.4kSymbol/s，扩频因子N,即15.1dB。将式（3-9）代入，则 (3-11)由于TD-SCDMA系统是一个非噪声受限系统，系统所受的干扰为主要考虑因素，可以忽略热噪声的影响，系统基站处得到的期望用户信号的CINR可表示为 (3-12)式（3-12）是基站采用全向天线系统时的结果，若考虑基站使用不同的天线系统以及由此带来的系统增益的影响，则式（3-12）可写为 (3-13)就是系统为达到正常通信所要求的归一化信噪比。从式（3-13）可以看出，系统的CINR是由方位角的天线方向图和频率复用因子联合确定的，一个TD-SCDMA系统的小区可同时支持的用户数为 (3-14)由此可知，系统若采用不同的天线，将会给基站不同的天线系统增益，因此，系统小区的用户数也将不同。假设系统的归一化信噪比要求为7dB，语音激活因子，当路径损耗指数时，在基站使用全向天线情况下，同时能够激活的用户数为，即全向天线系统每个小区在反向链路能同时支持9个用户。同样可求出不同路径损耗下，基站使用不同天线系统时，每个小区同时能够激活的用户数。表3-3给出了计算结果(假设要求为7dB,v=0.45)。表3-3 不同天线系统下用户数的比较天线系统Ga/dB小区支持的用户数/载波n=2n=3n=3.72