智能天线和空间分集接收技术

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     直接序列码分多址技术日益成为现代移动通信的主要接入方式,但是它的系统性能受限于无线信道的多径衰落、多址干扰(MAI)和符号间干扰(ISI),如何消除这些影响是提高无线通信系统性能的主要课题。

       
空时处理技术是当前的研究热点之一,在空间域和时间域联合处理接收信号可以充分利用空间信号处理技术和时间信号处理技术的优势,有效抵抗ISI、减少MAI、增加分集增益以及提高阵增益,达到的效果是单个天线的单时间处理方法无法实现的。

     众所周知,均衡技术和RAKE接收技术可以在时间域抑制信道衰落和抵抗ISI。均衡技术是对信道传播特性的均衡,用于抵消无线信道的时变多径传播特性造成的ISI,适合多径信号不可分离的情况。如果接收的多径信号可以分离,则可以利用RAKE分集接收技术将分离的多径信号合并起来,增加分集增益。所以空时处理技术的区别主要在于空间信号处理技术。当前,描述空间处理技术的术语有智能天线、自适应天线、切换波束天线和空间分集接收技术等。

       
本文中的智能天线技术定义为:具有波束成形能力的天线阵列,可以形成特定的天线波束,实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、MAI以及多径干扰信号。智能天线包括自适应天线和切换波束天线:自适应天线阵自适应地识别用户信号的到达方向,通过反馈控制方式连续调整自身的方向图;而切换波束天线则是预先确定多个固定波束,随着用户在小区中的移动,基站选择相应的使接收信号最强的波束。空间分集接收则是利用分集合并技术在空间合并多个不相关的接收信号,可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能。

        
智能天线和空间分集接收技术本质上是不同的,但是迄今为止却没有文献对这2种技术详细地进行过比较,甚至有文献说术语优化合并自适应波束形成是可以互换的。所以这2种技术到底有何区别,以及如何根据通信环境选择不同的空时处理技术一直困扰着人们。

     本文在这方面做了一些工作,具体分析了空间分集接收技术和智能天线(主要是自适应天线阵)的工作原理、两者的区别以及适用场合。作者首先研究了移动台和基站之间的无线传播特性、空时信道模型以及不同环境的多径特性,提出了CDMA通信系统存在的主要问题,在此基础上分析对比了这2种空间处理技术解决问题的依据和区别,以及每种技术的适用场合。由于在移动台放置多个天线不太实际,所以本文主要从基站角度出发分析上行链路的空时处理技术。

一、问题的提出

1.无线信道传播特性

     移动通信环境下的电波传播具有自由空间传播损耗、阴影衰落以及多径衰落等特点,其中多径衰落对无线信道上传输的信号有很严重的影响,电波的反射、散射和衍射使接收信号产生了时延扩展、频率(Doppler)扩展和角度扩展。

(1)时延扩展

假设发射信号是一个时间宽度极窄的脉冲信号,经过多径信道后,由于各信道时延的不同,接收到的信号为一串脉冲,因此接收信号的波形比原脉冲展宽了,造成了ISI。

(2)频率扩展

由于移动用户与基站的相对运动,每条多径都会有一个明显的频率移动,引起时间选择性衰落,即信号幅度随着时间变化。

(3)角度扩展

角度扩展是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽,产生了空间选择性衰落,即信号幅值与天线的位置有关。

2.多址干扰

     同时,在CDMA无线通信系统中,所有小区的用户使用相同的时隙和频带,且用户接入到基站的上行链路通常是异步的,即每个用户码字的到达时间都不相同。由于非正交的发送码字以及多径效应的影响,接收机收到很多其他用户的多址干扰信号,严重情况下会造成远近效应,使CDMA系统的容量受到限制或无法正常工作。

     因此,由时延扩展引起的ISI、角度扩展带来的空间深衰落以及来自同小区和邻近小区的MAI是影响CDMA系统性能的极为重要的几个问题。基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理技术可用于减少ISI、MAI和抵抗空间选择性衰落,这2种技术的区别也体现在它们是如何克服这些干扰的。

3.空时信道模型

     经典的信道模型只考虑了接收信号的功率和多普勒频谱分布,并假设信号到达方向(DOA)服从大于0,且小于或等于2π的均匀分布,这种信道模型并不能反映信号在无线信道中传输的角度扩展特性。

     但是智能天线和空间分集接收技术的实现方式完全依赖于天线接收信号之间的相关性,所以要具体分析信号通过无线通信信道传输后的空间特性是如何影响天线阵系统的性能的,就必须建立空时信道模型。圆盘散射模型(CDSM)说明了不同空间点上接收信号包络的相关性与信号的空间特征有关。

4.不同环境的信道特性

     信号在不同环境(乡村和郊区、城市、购物中心或室内环境等)中的时延扩展、频率扩展和角度扩展都不相同,而接收信号的空间相关性是由到达接收机天线阵的信号的角度扩展决定的,所以可针对不同环境设计基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理接收机。

 
(1)乡村和郊区

     基站天线通常位于非常高的塔或山顶,高于一般建筑物或其他结构,可以提供视距传输。发射信号主要经移动台附近的物体和远端散射体散射或反射之后到达基站。在这种环境中,有一定的时延扩展,并且基站处的多径分量限制在一个很小的角度区域内。

 
(2)城市

     在密集的城市地区,无论是基站附近,还是移动台周围都会有很多建筑物或障碍物,通常不存在视距传输。发射信号通过多条路径到达接收机,时延扩展和角度扩展都很严重。

 
(3)购物中心或室内环境

     基站天线一般设在建筑物内,由于室内有很多物体,所以基站接收的信号同时受到基站和移动台附近物体的散射作用,接收信号的角度扩展很严重,但是没有明显的时延扩展。

二、智能天线和空间分集接收技术

     根据以上的分析,本文从7个方面对智能天线和空间分集接收技术进行了比较。

1.基本原理

     智能天线利用到达天线阵的信号之间的完全相关性形成天线方向图。根据基站接收信号的DOA密度,实时调整天线的方向图,使天线主波束对准用户信号的到达方向,旁瓣和零陷对准干扰信号的到达方向。由于多径结构以及移动用户所处的物理环境等因素的差别,理想信号和干扰信号的DOA通常都是不同的,智能天线就是利用这种空间相位特性分离频率相近但DOA不同的信号。

2.阵列结构

     智能天线通过反馈控制方式连续调整天线的方向图,阵元间距一般取12波长,因为阵元间距过大会减小接收信号彼此的相关程度,太小则会在方向图上形成不必要的旁瓣。

     在空间分集接收系统中,天线单元之间的间隔必须为多个波长,以确保到达天线阵各个单元的信号是互不相关的。

3.抑制干扰的方式

     智能天线根据用户信号的不同空间传播方向,提供不同的空间信道。在有限的方向区域内接收信号,可以有效地减少接收到的MAI以及理想用户和其他用户的多径信号数量,本质上增加了接收机的输入信干噪比(SINR),从而提高了系统容量和接收质量。
分集接收技术并不能象智能天线一样明显地减少MAI的数目,它只是在空间上合并多个不相关的信号副本,利用各种合并准则确定加权系数,使接收端的SINR最大或均方误差最小,从总体上抑制MAI和ISI。

4.抑制干扰的数目

     在智能天线系统中,M个天线能够形成(M-1)个零陷,最多可以消除(M-1)个干扰信号。并且当干扰数目远远超过天线数目时,天线阵无法有效形成波束对准有用信号。

     天线接收分集则是通过分集合并技术从总体上抑制多径干扰和MAI,使系统的输出SINR最大。所以当干扰数目远大于天线数目时,也可以达到较好效果。

5.DOA信息

     在空间分集接收系统中,由于不需要形成方向图对准有用信号,所以不需要DOA信息。但是,到达天线阵的信号的DOA信息在智能天线技术中却非常重要。因此,DOA估计是非常关键的技术问题。

6.主要缺点

     在密集的市区内,存在大量的多径传输,此时的天线阵会在不同方向接收到来自同一用户的相干信号,MUSIC和ESPRIT算法无法分辨接收信号的到达方向。所以采用MUSIC和ESPRIT算法估计DOA的智能天线系统不能用于多径丰富的场合。
而分集接收其实是一种单用户的接收技术,通过增加空间和时间分集阶数来提高分集增益。但是当功率控制误差较大时,很可能接收机接收的是干扰信号,而不是有用信号,从而造成严重的远近效应

7.适用场合

     不同空间点上接收的信号包络的相关性将决定使用的空时处理技术。通常,大的角度扩展和增加天线阵的单元间隔会使天线接收到的信号之间的相关性降低,此时宜采用天线阵的空间分集接收技术;当角度扩展小、且用户数较少时宜采用智能天线技术。
在平坦的效区和乡村环境,多径分量少,而且干扰用户也不多,所以天线阵单元接收信号的相关性较强,此时可以利用智能天线技术形成主瓣对准用户,在干扰方向上形成零陷。而分集接收技术更适合多径丰富的城市、购物中心或室内环境。

 三、结语
         
    
本文分析了信道的空时传输特性以及CDMA系统存在的主要问题,由此给出了智能天线和空间分集接收技术的工作原理和两者的区别。智能天线技术主要应用于干扰用户较少,以及角度扩展不大的场合,它利用接收信号之间的相关性自适应地形成波束,在有限方向上接收信号,减少了CDMA系统接收到的干扰和多径信号,从而抑制了MAI和ISI;使用MUSIC和ESPRIT方法进行DOA估计的智能天线不能应用于多径丰富的场合。空间接收分集技术适用于角度扩展大的场合,合并不相关的接收信号以抑制空间选择性衰落,并不能减少MAI和多径信号的数目,但是可以从总体性能上抑制MAI、ISI和ICI,改善系统的SINR。