智能天线技术与联合监测技术

1、智能天线技术第 2 代数字蜂窝系统已经成熟，在多址方式上主要采用 TDMA 和 CDMA 。但是第 2 代系统采用的窄带 CDMA 由于受到传输频带窄 的限制，未能真正发挥 CDMA 的特性。因而移动通信系统在经历了 第 1 代模 拟系统和第 2 代（ 2G ）数字系统之后，正向以宽带 CDMA 技术为核 心的第3代（3G）数字移动通信系统发展。CDMA技术本身为顺利 引进包括智能天线在内的现代数字信号处理技术创造了条件。可以 说，智能天线是 3G 区别于 2G 系统的关键标志之一。现在，智能天 线已成为国内争取自主知识产权的一个热点领域。一、智能天线的基本概念 人们研究智能天线的最初动机是，

2、 在频谱资源日益拥挤的情况下 考虑如何将自适应波束形成应用于蜂窝小区的基站（ BS） ，以便能 更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。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 自窄波来之外的信号被抑制， 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

3、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 线和高分辨陈列信号处理。二、智能天线的波束形成方案 未来移动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反向， 而将 波束零点对准

4、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， 下面分别 予以介绍。1、阵元空间处理方式 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 于各样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。 它实际上是两级处理过程，第 1 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 2级对第 1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

5、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 良好的波束保形性能。三、智能天线在 3G 系统基站中的应用 作为提高移动通信系统容量的重要手段， 智能天线主要在基站使 用，未来移动通信系统的工作频率更高， 在半波长阵元间隔的条件下， 天线尺寸可做得很小， 使得移动用户端有可能也采用智能天线， 下面 重点介绍在基站应用智能天线所带来的好处。1、形成多个波束 最简单的情况是基站的智能天线形成多个波束覆盖整个小区。 例 如，一个小区可由 3 个宽度为 120 °的波束覆盖，或由 6 个宽度为 60°

6、; 的波束覆盖。每个波束可当作一个独立的小区对待，当移动台（ MS ） 离开一个波束覆盖区到另一个波束覆盖区时，也要进行切换。2、形成自适应波束智能天线可用于定位每个 MS ，并形成覆盖 MS 或 MS 群的波束， 这样每个波束都可以看成一个同频小区。 不断改变波束形状以便覆盖 动态变化的业务量。当 MS 移动时，选用不同的波束覆盖不同的 MS 群，这对于控制 BS 发射功率有利。这个办法在 MS 结队移动或沿限 定路线（如在高速公路上）移动时尤其有效。3、形成波束零点智能天线在其阵列方向图上形成对准同频 MS 的波束零点有助 于减小收发两个方向上的同频干扰。4、构造动态小区 波束自适应形成的

7、概念可推广至小区形状的动态改变， 即小区形 状不再固定， 利用智能天线构造基于业务需求的动态小区， 这要求智 能天线具备定位和跟踪 MS 的能力，从而自适应地调整系统参数以满 足业务要求， 这表明使用智能天线可以改变小区边界， 从而能随着业 务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道， 即实现信道的动态分 配。四、智能天线实现的实际考虑 智能天线为了实现其改善系统性能的目标， 必须在动态环境下对 许多时变参数进行估计和最优化。诸如动态切换、动态信道分配、覆盖一族 MS 的波束动态成形。 同道干扰动态零陷，以及为形成波束而获取期望 MS 的先验知识都需 要复杂的控制结构。 并且这些系统参数的更新耗

8、费的时间也是必须考 虑的问题。 例如，系统要求实时更新处于快速移动中的 MS 的位置信 息，而响应时间却受到方向角估计， 跟踪方案以及收敛至满足水平的 波束形成算法所需时间的限制。 尽管可以通过算法的并行来实现增强 信号处理能力，但同时也增加了系统费用。系统费用不仅包括实现控制结构所需的硬件费用， 还包括有源天 线、移相器、高功率放大器以及驱动这些组件的电路所需的费用。这 些组件目前大都很昂贵，且不采用 SDMA 的系统不需这些组件。这 正是在移动通信中应用智能天线的不利因素。 除了系统费用， 另一个 关键问题是要找到一种真正快速收敛而性能优良的自适应算法五、结束语目前尚没有智能天线的确切定义

9、， 大多数文献将智能天线和自适 应天线混用。 但是， 智能天线必定是建立在自适应天线基础之上的新 一代天线系统，其目标是通过抑制干扰和对抗衰落来增加系统容量， 进而提高频谱利用率，不仅涉及智能化接收，还包括智能化发射。现 在第 3 代移动通信系统的发展为我国提供了不可多得的机遇， 我们应 争取在移动通信的关键技术中有所突破，形成自主开发的专利技术。 其中，智能天线就是一个大有所为的领域。 智能天线的研究必须和软 件无线电技术结合起来。联合检测技术联合检测是多用户检测(MultiuserDetection)的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是 混叠的，接收时需要在数字域上用一定的

10、信号分离方法把各个用户的 信号分离开来。 信号分离的方法大致可以分为单用户检测技术和多用 户检测技术两种。在实际的CDMA移动通信系统中，由于各个用户信号之间存在 一定的相关性，这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户 产生的MAI固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大， MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。 传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声一样的干扰，导致信噪比 严重恶化，系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是 各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测 (Singleu ser Detection) oIS 95 等第二代CDMA系统

11、实 际容量远小于设计码道数，就是因为使用了单用户检测技术。实际上, 由于MAI中包含许多先验的信息，如确知的用户信道码，各用户的 信道估计等等，因此MAI不应该被当作噪声处理， 它可以被利用起 来以提高信号分离方法的准确性。这样充分利用MAI中的先验信息 而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法称为 多用户检测技术(MD)。根据对MAI处理方法的不同，多用户检 测技术可以分为干扰抵消(I nterferenceCancellatio n)和联合检测(Jo int Detection) 两种。其中，干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收 信号中判决出其中部分的数据，根据数

12、据和用户扩频码重构出数据对 应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代。联合检测技术则指的是充分利用MAI, 步之内将所有用户的 信号都分离开来的一种信号分离技术。二、联合检测技术分析联合检测是多用户检测(MultiuserDetection)的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是 混叠的，接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的 信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测技术和多用户检测技术两种。在实际的CDMA移动通信系统中，由于各个用户信号之间存在 一定的相关性，这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户 产生的MAI固然很小，可是随着用户

13、数的增加或信号功率的增大， MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。 传统的CDM A系统信号分离方法是把MAI看作热噪声一样的干扰，导致信噪比 严重恶化，系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是 各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测 (Singleu ser Detection) oIS 95 等第二代CDMA系统实 际容量远小于设计码道数，就是因为使用了单用户检测技术。实际上, 由于MAI中包含许多先验的信息，如确知的用户信道码，各用户的 信道估计等等，因此MAI不应该被当作噪声处理， 它可以被利用起 来以提高信号分离方法的准确性。这样充分利用MAI中的先验信息 而

14、将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法称为 多用户检测技术(MD)。根据对MAI处理方法的不同，多用户检 测技术可以分为干扰抵消(I nterferenceCancellatio n)和联合检测(Jo int Detection) 两种。其中，干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收 信号中判决出其中部分的数据，根据数据和用户扩频码重构出数据对 应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代。联合检测技术则指的是充分利用MAI, 步之内将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术，它已成为目前第三代移动通信技术中的热点传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个

15、用户的 信号分别进行扩频码匹配处理， 其接收端用一个和发送地址码 （波形） 相匹配的匹配滤波器（相关器）来实现信号分离，在相关器后直接解 调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形， 相当于 是RAKE接收机，实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理 想正交的情况下， 才能完全消除多址干扰的影响， 对于非理想正交的 情况，必然会产生多址干扰，从而引起误码率的提高。 TD-SCDMA 系统中采用的联合检测技术是在传统检测技术的基础上， 充分利用造 成MAI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息， 把用户信号的分 离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成， 从而具有优良的 抗干扰性能

16、， 降低了系统对功率控制精度的要求， 因此可以更加有效 地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。联合检测的目的就是根据上式中的A和c估计出用户发送的原 始信号d。A由所有用户的扩谱码以及信道冲激响应决定，因此联合检测算法的前提是能得到所有用户的扩谱码和信道冲激响应。 TD-SCDMA 系统中在帧结构中设置了用来进行信道估计的训练序列 Midamble,根据接收到的训练序列部分信号和我们已知的训 练序列就可以估算出信道冲激响应， 而扩谱码也是确知的， 那么我们 就可以达到估计用户原始信号d的目的。联合检测算法的具体实现方法有多种， 大致分为非线性算法、 线 性算法和判决反馈算法等三大类。根据

17、目前的情况，在 TD-SCDMA 系统中采用了线性算法中的一种，即迫零线性块均衡（ZF ELE） 法。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。 经过大量的仿真计算和实际的现场实验， 我 们发现使用联合检测技术可以为系统带来了以下好处：降低干扰。联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除MAI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RAW BER的前提下，所需的接收信号SNR可以大大 降低，这样就大大提高了接收机性能并增加了系统容量。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”对信号接收的影响。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。联合检测技术已成功的应用于 TD-SCDMA 系统，该技术在TD-SCDMA 系统中的成熟性和可应用性是没有问题的。三、联合检测技术对网络成本的影响 联合检测技术在改善系统性能的同时还将对降低无线网络成本起到很大的作用，这主要体现在以下几个方面。第一，由于联合检测技术可以降低干