采用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA在高速信道中的性能

TD-SCDMA已經(jīng)由國際電聯(lián)(ITU)正式采納，成為未來第三代移動通信系統(tǒng)(IMT2000)的一個重要的部分并由3GPP組織[1]進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。作為TD-SCDMA系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)能夠使系統(tǒng)在高速運(yùn)動的信道環(huán)境中達(dá)到較好的性能。在本文中，首先介紹了TD-SCDMA的系統(tǒng)模型，然后，解釋了智能天線技術(shù)的基本概念以及在高速運(yùn)動環(huán)境中應(yīng)用該技術(shù)的可行性。同時，在文章中給出了在不同速度的高速運(yùn)動環(huán)境中的相應(yīng)的仿真結(jié)果?？梢钥吹?，在TD-SCDMA系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)可以獲得很好的系統(tǒng)性能并能夠滿足第三代移動通信系統(tǒng)的各種需求。

Abstract: TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code division Multiple Access) has been accepted by the ITU (International Telecommunication Union) as a 3G standard and is being standardized in 3GPP (Third Generation Partnership Project) [1]. Smart antennas as one of the key technologies used in the TD-SCDMA can provide good system performance with high mobile velocity. In this paper, the system model of TD-SCDMA is introduced at first. Then the concept of smart antennas and its feasibility under high vehicle channel are described. Simulation results in the uplink with different high speeds are also included in this paper. It can been seen that smart antennas used in TD-SCDMA will get good performance and meet the requirements of the 3rd generation mobile systems.

關(guān)鍵詞： TD-SCDMA；智能天線技術(shù)；聯(lián)合檢測技術(shù)

Key Words: TD-SCDMA, smart antenna, joint detection

1 前言

　　最近幾年，移動通信已經(jīng)成為一個飛速發(fā)展的領(lǐng)域。使用數(shù)字信號處理技術(shù)、時分多址接入和頻分多址接入技術(shù)的第二代移動通信系統(tǒng)，例如GSM和IS54系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在世界各地。與第二代移動通信系統(tǒng)相比，對于第三代移動通信系統(tǒng)的最大的挑戰(zhàn)之一是不僅要能夠提供像話音和圖像等對稱的電路交換業(yè)務(wù)，而且要能夠提供例如移動互聯(lián)網(wǎng)接入等非對稱的數(shù)據(jù)包交換業(yè)務(wù)。同時，未來的用于第三代移動通信的頻帶中的部分可能是非對稱的。這樣，使得TDD 模式在未來的移動通信的發(fā)展中顯得非常重要。

　　為了解決這些問題，TD-SCDMA系統(tǒng)融合了兩種先進(jìn)的技術(shù)，它是一種在同步模式下工作的具有自適應(yīng)CDMA特點(diǎn)的先進(jìn)的TDMA系統(tǒng)。隨著移動通信市場的發(fā)展，對移動通信系統(tǒng)的要求越來越高，作為未來移動通信系統(tǒng)的TD-SCDMA必須能夠滿足各種類型的業(yè)務(wù)需求。中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)組織(CWTS)提出TD-SCDMA并使其成為了全球第三代移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)(IMT2000)之一。作為TD-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的容量，擴(kuò)大小區(qū)的最大覆蓋范圍，減小移動臺的發(fā)射功率，提高信號的質(zhì)量并增大了數(shù)據(jù)傳輸速率。這些優(yōu)點(diǎn)給移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了很大的靈活性。

2 系統(tǒng)模型

　　在這一部分，我們介紹包括前向糾錯編碼在內(nèi)的使用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的低通等效模型。在圖1和圖2中，我們給出了上行鏈路中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 移動臺發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

　　在系統(tǒng)中的同一個小區(qū)中，在帶寬為B的同一個頻帶上可以有K個用戶同時進(jìn)行通信，用戶間通過不同的用戶擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行區(qū)分。我們假設(shè)每個移動臺只有一個發(fā)射天線。在基站部分的上行接收機(jī)有M個天線可以接收移動臺發(fā)射的信號。在我們的驗證系統(tǒng)中使用的是Ray Tracing信道模型。這種信道模型是基于幾何理論以及反射、折射、和散射傳播模型的。通過利用指定場所的位置信息，例如建筑圖紙數(shù)據(jù)庫，這種技術(shù)能夠確定地對傳播信道進(jìn)行建模，包括路徑損耗、入射角和時延等。它非常適合應(yīng)用在驗證智能天線系統(tǒng)的有效性的仿真中，通過它得到的性能結(jié)果具有很強(qiáng)的說服力。

圖 2 基站中使用智能天線技術(shù)的接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 TD-SCDMA系統(tǒng)的基本幀結(jié)構(gòu)

　　TD_SCDMA移動通信系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)[2]與GSM的非常類似（見圖3），它們都利用Midamble來做脈沖檢測。
超幀的持續(xù)時間為320 ms，一個超幀能夠分成32個無線幀。一個無線幀又可以分成2個持續(xù)時間為5 ms的無線子幀。每個無線子幀由7個持續(xù)時間為675 μs的業(yè)務(wù)時隙和3個特殊的時隙： DwPTS (下行導(dǎo)頻時隙)、GP (保護(hù)時隙) 和UpPTS(上行導(dǎo)頻時隙)組成。

　　TS0總是用于下行鏈路，TS1總是用于上行鏈路，其他的時隙則根據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的靈活配置來確定是用于上行或是下行鏈路。每個業(yè)務(wù)時隙的脈沖結(jié)構(gòu)是由兩個數(shù)據(jù)符號區(qū)和一個長度為144個碼片的Midamble及長度為16個碼片的保護(hù)區(qū)組成。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，在每個業(yè)務(wù)時隙中最多同時有16個不同的擴(kuò)頻用戶單元。我們利用midamble訓(xùn)練序列來做解相關(guān)運(yùn)算得到對移動信道的估測，然后對每個時隙中的所有信號進(jìn)行聯(lián)合檢測。通過消除多址干擾的方式，使接收信號的動態(tài)范圍達(dá)到了大約20 dB。聯(lián)合檢測技術(shù)是一種在其他較強(qiáng)信號存在的情況下使較弱的信號能夠解調(diào)出來的算法。所以，采用這種技術(shù)后可以降低對功率控制的要求，也就是說可以消除由于慢衰落引起的平均功率波動的影響。

3 智能天線

在這一部分，我們解釋智能天線技術(shù)的基本概念[3]以及在高速運(yùn)動信道環(huán)境下使用該技術(shù)的可行性。

3．1 智能天線技術(shù)概念

　　如圖4所示，由一些空分的獨(dú)立的天線元素組成一個天線陣列系統(tǒng)，這個陣列的輸出與收發(fā)信機(jī)的一組多個輸入相組合。這多個天線元素結(jié)合在一起提供一個綜合的時空信號。與使用單個天線采用固定方式組合天線口信號的接收機(jī)相比較，天線陣列系統(tǒng)能夠動態(tài)地調(diào)整信號的結(jié)合方式以提高系統(tǒng)的性能。正由于這個原因，天線陣列經(jīng)常被稱為智能天線，它被視為相當(dāng)于一個特性能夠根據(jù)需要自動地調(diào)整的天線。

圖4 M個空間分集的天線元素的天線陣列

　　人們經(jīng)常使用的是環(huán)狀或線性天線陣列。在TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)中，我們用8個完全相同的天線元素均勻地放置在一個半徑為R的圓形上，組成我們所需的環(huán)形天線陣列。這種陣列對于消除干擾特別有效[4]。每兩個天線之間的距離是載波波長的一半。由于每個天線在空間上處于不同的位置，所以不同天線元素的信號的幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時可以產(chǎn)生很多個獨(dú)立的有方向性的高增益的波束。不同的波束分配給不同的用戶，保證了所有鏈路上的最大增益。利用自適應(yīng)波束成形可以有效地消除干擾，提高系統(tǒng)的容量。各種能夠用數(shù)學(xué)公式表示的算法都能夠得到實(shí)現(xiàn)。

3．2 TDD模式下高速運(yùn)動環(huán)境中 使用智能天線技術(shù)的可行性

　　隨著交通和通信的發(fā)展，對在高速運(yùn)動中的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求顯得越來越緊要了。在車速環(huán)境中，一般來說沒有直線視距信號存在，這就意味著接收到的信號是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號的平均功率隨著距離的增大而減小。采用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)不僅適用于室內(nèi)環(huán)境，而且也適用于室外的車速環(huán)境。根據(jù)我們的分析與仿真，在移動臺速度很高的情況下，該系統(tǒng)同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機(jī)能夠?qū)崟r地確定接收到信號的波束結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對信號進(jìn)行解調(diào)，不需要任何存儲單元存放過去幀的波束信息。所以無論移動臺的速度多高，上行鏈路的接收機(jī)都可以迅速地在每一幀適應(yīng)新的波束特點(diǎn)。在TDD 模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個頻帶，基站端的發(fā)射機(jī)可以根據(jù)在上行鏈路上得到的接收信號來了解下行鏈路的多徑信道的快衰落特性。這樣，基站的收發(fā)信機(jī)就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測信息來實(shí)現(xiàn)下行的波束成形。只有在像TD-SCDMA這樣的TDD 系統(tǒng)中，上行、下行鏈路的配合才能達(dá)到這樣好程度。在TD-SCDMA系統(tǒng)中由于無線子幀的長度是5 ms，所以容許的下行對上行的最大的反應(yīng)時間為5 ms。根據(jù)無線幀中上行和下行的信道分配，這個反應(yīng)時間可以更短。隨著移動臺速度的增加，上行鏈路的信道特性與下行鏈路的信道特性的相關(guān)性越來越強(qiáng)。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來做下行的波束成形仍然能夠正常工作。

　　舉例來說，假設(shè)移動臺的速度是250 km/h,采用下行波束成形的反應(yīng)時間是2.5 ms；這樣，當(dāng)移動臺與基站的最小距離為10 m時，如圖5所示，下行采用的波束成形與實(shí)際的偏差角度約為2。