基于智能天线技术的TD—SCDMA系统用研究

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0 引言
随着移动通信用户量的迅速发展,以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势,如何在一定的频谱资源上提高网络容量成为网络建设,尤其是未来网络建设中需要重点考虑的问题。单纯地依靠增加基站使用微蜂窝增加频率的复用度,无论从成本和性能表现方面都已经不再是最好的选择方案。在这种情况下,智能天线技术的引入,将通过增加系统在空间上的分辨能力,从更高的层次上提高系统对于无线频谱的利用率。
TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)即时分的同步码分多址技术,是我国具有自主知识产权的通信技术标准,与欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA 2000标准并称为3G时代主流的移动通信标准。TD—SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体,系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强,智能天线技术是TD—SCDMA的关键技术之一,越来越多的研究者和工程技术人员将目光投向智能天线技术和TD—SCDMA的研究。

1 TD-SCDMA系统
大唐电信集团开发的TD-SCDMA系统采用时分双工TDD,TDMA/CDMA多址方式工作,基于同步CDMA、智能天线、多用户检测、正交可变扩频因数、Turbo编码技术、CDMA等新技术,工作于2 010~2 025 MHz。我国为TD-SCDMA划分了155 MHz非对称频段,具体为1 880~1 920MHz,2 010~2 025 MHz和2 300~2 400MHz。
1.1 TD—SCDMA标准概况
多址接入方式:DS-CDMA/CDMA/SDMA;码片速率:1.28 MCPS;双工方式:TDD;载频宽度:1.6 MHz;扩频技术:OVSF;调制方式:QPSK,8PSK;编码方式:卷积编码,Turbo编码;功率控制:200次/s。
TD—SCDMA的主要优势有:
使用智能天线、多用户检测等新技术;可高效率地满足不对称业务需要;简化硬件,可降低产品成本和价格;便于利用不对称的频谱资源,频谱利用率大大提高;可与第二代移动通信系统兼容。
1.2 TD—SCDMA关键技术
(1)综合的寻址(多址)方式
TD-SCDMA空中接口采用了四种多址技术:TDMA,CDMA,FDMA,SDMA(智能天线)。综合利用四种技术资源分配时在不同角度上的自由度,得到可以动态调整的最优资源分配。
(2)灵活的上下行时隙配置
灵活的时隙上下行配置可以随时满足您打电话,上网浏览、下载文件、视频业务等的需求,保证您清晰、畅通享受3G业务。
(3)TD克服呼吸效应和远近效应
呼吸效应:在CDMA系统中,当一个小区内的干扰信号很强时,基站的实际有效覆盖面积就会缩小;当一个小区的干扰信号很弱时,基站的实际有效覆盖面积就会增大。简言之,呼吸效应表现为覆盖半径随用户数目的增加而收缩。形成呼吸效应的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统,用户增加导致干扰增加而影响覆盖。
对于TD—SCDMA而言,通过低带宽FDMA和TDMA来抑制系统的主要干扰,在单时隙中采用CDMA技术提高系统容量,而通过联合检测和智能天线技术 (SDMA技术)克服单时隙中多个用户之间的干扰,因而产生呼吸效应的因素显著降低,故TD系统不再是一个干扰受限系统(自干扰系统),覆盖半径不像 CDMA那样因用户数的增加而显著缩小,因而可认为TD系统没有呼吸效应。
远近效应:由于手机用户在一个小区内是随机分布的,而且是经常变化的,同一手机用户可能有时处在小区的边缘,有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计,则当手机靠近基站时,功率必定有过剩,而且形成有害的电磁辐射。解决这个问题的方法是根据通信距离的不同,实时地调整手机的发射功率,即功率控制。
功率控制的原则是,当信道的传播条件突然变好时,功率控制单元应在几微妙内快速响应,以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰;相反当传播条件突然变坏时,功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说,宁愿单个用户的信号质量短时间恶化,也要防止对其他众多用户产生较大的背景干扰。
(4)动态信道分配(DCA)
动态信道分配(Dynamic Channel Allocation,DCA)就是根据用户的需要进行实时动态的资源(频率、时隙、码字等)分配。动态信道分配的优点:频带利用率高、无需网络规划中的信道预规划、可以自动适应网络中负载和干扰的变化等。
(5)智能天线技术
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。

2 智能天线技术
智能天线又称为自适应天线阵列,技术核心是阵列信号处理。早期应甩集中于雷达和声纳检测领域,主要用来完成空间滤波和定位。20世纪70年代后期被引入军事通信,智能天线真正的发展是90年代被应用于民用蜂窝通信,成为第三代移动通信系统的关键技术。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成功开发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。
2.1 智能天线在TD-SCDMA中的应用
智能天线可以用于基站端,也可用于移动终端。目前主要研究的是在基站端的智能无线收与发,即上行收与下行发,如图1所示。


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25 cm。同全方向天线相比,它可获得较高的增益。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。
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5 ms,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。

在TD-SCDMA系统中,基站系统通过数字信号处理技术与自适应算法,使智能天线动态地在覆盖空间中形成针对特定用户的定向波束,充分利用下行信号能量并最大程度的抑制干扰信号。基站通过智能天线可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,提高业务质量。
WCDMA和CDMA 2000都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道,但是要求使用智能天线系统。对于WCDMA和CDMA 2000系统而言,智能天线虽然是推荐配置,但是当今的一些WCDMA和CDMA 2000的基站产品已经开始支持智能天线了。
2.2 TD—SCDMA中智能天线技术的实现
智能天线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,即自适应或以预置方式控制波束幅度、指向和零点位置,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。其基本结构如图2所示。


由图可见,智能天线系统由3部分组成:天线阵列、波束形成网络、控制算法。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。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。智能天线关键是自适应波束形成算法,常用的波束形成算法主要有两种:非盲波束形成算法和盲波束形成算法。智能天线的优势如下:提高频谱利用率;抗衰落;改善链路质量,增加可靠性;减小多径效应;降低功率,减小成本;提高通信的安全性;实现移动台定位业务。

3 结语
美国、欧洲和日本非常重视未来移动通信中智能天线的作用,已经开展大量的理论分析和研究。我国也已经将研究智能天线技术列入国家863—317通信技术主题研究中。在ITU认定的几个技术发展方向中,包含了智能天线和TDD时分双工技术,认为这两种技术都是以后技术发展的趋势,而智能天线和TDD时分双工这两项技术,在目前的TD—SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用,从这一点中,也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途。2

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