基于智能天線技術(shù)的TD—SCDMA系統(tǒng)用研究

0 引言
隨著移動(dòng)通信用戶量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語(yǔ)音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢(shì)，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò)容量成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，尤其是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。單純地依靠增加基站使用微蜂窩增加頻率的復(fù)用度，無(wú)論從成本和性能表現(xiàn)方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線技術(shù)的引入，將通過(guò)增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線頻譜的利用率。
TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)即時(shí)分的同步碼分多址技術(shù)，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的CDMA 2000標(biāo)準(zhǔn)并稱為3G時(shí)代主流的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。TD—SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體，系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)，智能天線技術(shù)是TD—SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一，越來(lái)越多的研究者和工程技術(shù)人員將目光投向智能天線技術(shù)和TD—SCDMA的研究。

1 TD-SCDMA系統(tǒng)
大唐電信集團(tuán)開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)采用時(shí)分雙工TDD，TDMA／CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天線、多用戶檢測(cè)、正交可變擴(kuò)頻因數(shù)、Turbo編碼技術(shù)、CDMA等新技術(shù)，工作于2 010～2 025 MHz。我國(guó)為TD-SCDMA劃分了155 MHz非對(duì)稱頻段，具體為1 880～1 920MHz，2 010～2 025 MHz和2 300～2 400MHz。
1．1 TD—SCDMA標(biāo)準(zhǔn)概況
多址接入方式：DS-CDMA／CDMA／SDMA；碼片速率：1．28 MCPS；雙工方式：TDD；載頻寬度：1．6 MHz；擴(kuò)頻技術(shù)：OVSF；調(diào)制方式：QPSK，8PSK；編碼方式：卷積編碼，Turbo編碼；功率控制：200次／s。
TD—SCDMA的主要優(yōu)勢(shì)有：
使用智能天線、多用戶檢測(cè)等新技術(shù)；可高效率地滿足不對(duì)稱業(yè)務(wù)需要；簡(jiǎn)化硬件，可降低產(chǎn)品成本和價(jià)格；便于利用不對(duì)稱的頻譜資源，頻譜利用率大大提高；可與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容。
1．2 TD—SCDMA關(guān)鍵技術(shù)
(1)綜合的尋址(多址)方式
TD-SCDMA空中接口采用了四種多址技術(shù)：TDMA，CDMA，F(xiàn)DMA，SDMA(智能天線)。綜合利用四種技術(shù)資源分配時(shí)在不同角度上的自由度，得到可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的最優(yōu)資源分配。
(2)靈活的上下行時(shí)隙配置
靈活的時(shí)隙上下行配置可以隨時(shí)滿足您打電話，上網(wǎng)瀏覽、下載文件、視頻業(yè)務(wù)等的需求，保證您清晰、暢通享受3G業(yè)務(wù)。
(3)TD克服呼吸效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)
呼吸效應(yīng)：在CDMA系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì)縮??；當(dāng)一個(gè)小區(qū)的干擾信號(hào)很弱時(shí)，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì)增大。簡(jiǎn)言之，呼吸效應(yīng)表現(xiàn)為覆蓋半徑隨用戶數(shù)目的增加而收縮。形成呼吸效應(yīng)的主要原因是CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，用戶增加導(dǎo)致干擾增加而影響覆蓋。
對(duì)于TD—SCDMA而言，通過(guò)低帶寬FDMA和TDMA來(lái)抑制系統(tǒng)的主要干擾，在單時(shí)隙中采用CDMA技術(shù)提高系統(tǒng)容量，而通過(guò)聯(lián)合檢測(cè)和智能天線技術(shù) (SDMA技術(shù))克服單時(shí)隙中多個(gè)用戶之間的干擾，因而產(chǎn)生呼吸效應(yīng)的因素顯著降低，故TD系統(tǒng)不再是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)(自干擾系統(tǒng))，覆蓋半徑不像 CDMA那樣因用戶數(shù)的增加而顯著縮小，因而可認(rèn)為TD系統(tǒng)沒(méi)有呼吸效應(yīng)。
遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于手機(jī)用戶在一個(gè)小區(qū)內(nèi)是隨機(jī)分布的，而且是經(jīng)常變化的，同一手機(jī)用戶可能有時(shí)處在小區(qū)的邊緣，有時(shí)靠近基站。如果手機(jī)的發(fā)射功率按照最大通信距離設(shè)計(jì)，則當(dāng)手機(jī)靠近基站時(shí)，功率必定有過(guò)剩，而且形成有害的電磁輻射。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是根據(jù)通信距離的不同，實(shí)時(shí)地調(diào)整手機(jī)的發(fā)射功率，即功率控制。
功率控制的原則是，當(dāng)信道的傳播條件突然變好時(shí)，功率控制單元應(yīng)在幾微妙內(nèi)快速響應(yīng)，以防止信號(hào)突然增強(qiáng)而對(duì)其他用戶產(chǎn)生附加干擾；相反當(dāng)傳播條件突然變壞時(shí)，功率調(diào)整的速度可以相對(duì)慢一些。也就是說(shuō)，寧愿單個(gè)用戶的信號(hào)質(zhì)量短時(shí)間惡化，也要防止對(duì)其他眾多用戶產(chǎn)生較大的背景干擾。
(4)動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)
動(dòng)態(tài)信道分配(Dynamic Channel Allocation，DCA)就是根據(jù)用戶的需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的資源(頻率、時(shí)隙、碼字等)分配。動(dòng)態(tài)信道分配的優(yōu)點(diǎn)：頻帶利用率高、無(wú)需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的信道預(yù)規(guī)劃、可以自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載和干擾的變化等。
(5)智能天線技術(shù)
智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線路徑的對(duì)稱性(無(wú)線環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。

2 智能天線技術(shù)
智能天線又稱為自適應(yīng)天線陣列，技術(shù)核心是陣列信號(hào)處理。早期應(yīng)甩集中于雷達(dá)和聲納檢測(cè)領(lǐng)域，主要用來(lái)完成空間濾波和定位。20世紀(jì)70年代后期被引入軍事通信，智能天線真正的發(fā)展是90年代被應(yīng)用于民用蜂窩通信，成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。固定的天線陣列與數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)合，就構(gòu)成了可以動(dòng)態(tài)配置天線特性的智能天線，所以到90年代中期，在美國(guó)和中國(guó)開(kāi)始考慮將智能天線技術(shù)使用于無(wú)線通信系統(tǒng)。在1997年，北京信威通信技術(shù)公司成功開(kāi)發(fā)使用智能天線技術(shù)的SCDMA無(wú)線用戶環(huán)路系統(tǒng)，美國(guó)Redcom公司則在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線。以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)，同時(shí)，在國(guó)內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)內(nèi)也廣泛研究了多種智能天線的波束形成算法和實(shí)現(xiàn)方案。
2．1 智能天線在TD-SCDMA中的應(yīng)用
智能天線可以用于基站端，也可用于移動(dòng)終端。目前主要研究的是在基站端的智能無(wú)線收與發(fā)，即上行收與下行發(fā)，如圖1所示。

TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個(gè)天線單元的同心陣列組成的，直徑為25 cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。TD-SCDMA智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線路徑的對(duì)稱性而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。
由于每個(gè)用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，另一方面則要求在每一獨(dú)立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個(gè)別的用戶。通過(guò)DSP控制用戶的方向測(cè)量使上述要求可以實(shí)現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過(guò)到達(dá)角進(jìn)行測(cè)量。在TD—SCDMA系統(tǒng)中，由于無(wú)線子幀的長(zhǎng)度是5 ms，則至少每秒可測(cè)量200次，每用戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過(guò)智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與自適應(yīng)算法，使智能天線動(dòng)態(tài)地在覆蓋空間中形成針對(duì)特定用戶的定向波束，充分利用下行信號(hào)能量并最大程度的抑制干擾信號(hào)?；就ㄟ^(guò)智能天線可在整個(gè)小區(qū)內(nèi)跟蹤終端的移動(dòng)，這樣終端得到的信噪比得到了極大的改善，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量。
WCDMA和CDMA 2000都允許在上行和下行鏈路為每個(gè)移動(dòng)用戶分配專門的導(dǎo)頻信道，但是要求使用智能天線系統(tǒng)。對(duì)于WCDMA和CDMA 2000系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當(dāng)今的一些WCDMA和CDMA 2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始支持智能天線了。
2．2 TD—SCDMA中智能天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
智能天線通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位來(lái)改變陣列的方向圖形狀，即自適應(yīng)或以預(yù)置方式控制波束幅度、指向和零點(diǎn)位置，使波束總是指向期望方向，而零點(diǎn)指向干擾方向，實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶走，從而提高天線的增益和信干噪比。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖可見(jiàn)，智能天線系統(tǒng)由3部分組成：天線陣列、波束形成網(wǎng)絡(luò)、控制算法。天線以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號(hào)，來(lái)自窄波束以外的信號(hào)被抑制。但智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶的物理方向，事實(shí)上，在隨機(jī)多徑信道上移動(dòng)用戶的物理方向是難以確定的，特別是在發(fā)射臺(tái)至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時(shí)，用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。
智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束，并跟蹤最佳路徑的變化。理想前景是空分多址(SDMA)，它不是信道復(fù)用的概念，而是一種信道倍增方式，可與FDMA，TDMA，CDMA等系統(tǒng)完全兼容，從而實(shí)現(xiàn)組合的多址方式。智能天線關(guān)鍵是自適應(yīng)波束形成算法，常用的波束形成算法主要有兩種：非盲波束形成算法和盲波束形成算法。智能天線的優(yōu)勢(shì)如下：提高頻譜利用率；抗衰落；改善鏈路質(zhì)量，增加可靠性；減小多徑效應(yīng)；降低功率，減小成本；提高通信的安全性；實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位業(yè)務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)
美國(guó)、歐洲和日本非常重視未來(lái)移動(dòng)通信中智能天線的作用，已經(jīng)開(kāi)展大量的理論分析和研究。我國(guó)也已經(jīng)將研究智能天線技術(shù)列入國(guó)家863—317通信技術(shù)主題研究中。在ITU認(rèn)定的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向中，包含了智能天線和TDD時(shí)分雙工技術(shù)，認(rèn)為這兩種技術(shù)都是以后技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，而智能天線和TDD時(shí)分雙工這兩項(xiàng)技術(shù)，在目前的TD—SCDMA標(biāo)準(zhǔn)體系中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)和應(yīng)用，從這一點(diǎn)中，也能夠看到TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前途。