智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)

直接序列碼分多址技術(shù)日益成為現(xiàn)代移動(dòng)通信的主要接入方式，但是它的系統(tǒng)性能受限于無(wú)線(xiàn)信道的多徑衰落、多址干擾（ＭＡＩ）和符號(hào)間干擾（ＩＳＩ），如何消除這些影響是提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的主要課題。

空時(shí)處理技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，在空間域和時(shí)間域聯(lián)合處理接收信號(hào)可以充分利用空間信號(hào)處理技術(shù)和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有效抵抗ＩＳＩ、減少ＭＡＩ、增加分集增益以及提高陣增益，達(dá)到的效果是單個(gè)天線(xiàn)的單時(shí)間處理方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

眾所周知，均衡技術(shù)和ＲＡＫＥ接收技術(shù)可以在時(shí)間域抑制信道衰落和抵抗ＩＳＩ。均衡技術(shù)是對(duì)信道傳播特性的均衡，用于抵消無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變多徑傳播特性造成的ＩＳＩ，適合多徑信號(hào)不可分離的情況。如果接收的多徑信號(hào)可以分離，則可以利用ＲＡＫＥ分集接收技術(shù)將分離的多徑信號(hào)合并起來(lái)，增加分集增益。所以空時(shí)處理技術(shù)的區(qū)別主要在于空間信號(hào)處理技術(shù)。當(dāng)前，描述空間處理技術(shù)的術(shù)語(yǔ)有智能天線(xiàn)、自適應(yīng)天線(xiàn)、切換波束天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)等。

本文中的智能天線(xiàn)技術(shù)定義為：具有波束成形能力的天線(xiàn)陣列，可以形成特定的天線(xiàn)波束，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線(xiàn)可以利用信號(hào)的空間特征分開(kāi)用戶(hù)信號(hào)、ＭＡＩ以及多徑干擾信號(hào)。智能天線(xiàn)包括自適應(yīng)天線(xiàn)和切換波束天線(xiàn)：自適應(yīng)天線(xiàn)陣自適應(yīng)地識(shí)別用戶(hù)信號(hào)的到達(dá)方向，通過(guò)反饋控制方式連續(xù)調(diào)整自身的方向圖；而切換波束天線(xiàn)則是預(yù)先確定多個(gè)固定波束，隨著用戶(hù)在小區(qū)中的移動(dòng)，基站選擇相應(yīng)的使接收信號(hào)最強(qiáng)的波束?？臻g分集接收則是利用分集合并技術(shù)在空間合并多個(gè)不相關(guān)的接收信號(hào)，可以有效對(duì)抗信號(hào)的空間選擇性衰落和改善系統(tǒng)性能。

智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)本質(zhì)上是不同的，但是迄今為止卻沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)這２種技術(shù)詳細(xì)地進(jìn)行過(guò)比較，甚至有文獻(xiàn)說(shuō)術(shù)語(yǔ)“優(yōu)化合并”和“自適應(yīng)波束形成”是可以互換的。所以這２種技術(shù)到底有何區(qū)別，以及如何根據(jù)通信環(huán)境選擇不同的空時(shí)處理技術(shù)一直困擾著人們。

本文在這方面做了一些工作，具體分析了空間分集接收技術(shù)和智能天線(xiàn)（主要是自適應(yīng)天線(xiàn)陣）的工作原理、兩者的區(qū)別以及適用場(chǎng)合。作者首先研究了移動(dòng)臺(tái)和基站之間的無(wú)線(xiàn)傳播特性、空時(shí)信道模型以及不同環(huán)境的多徑特性，提出了ＣＤＭＡ通信系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上分析對(duì)比了這２種空間處理技術(shù)解決問(wèn)題的依據(jù)和區(qū)別，以及每種技術(shù)的適用場(chǎng)合。由于在移動(dòng)臺(tái)放置多個(gè)天線(xiàn)不太實(shí)際，所以本文主要從基站角度出發(fā)分析上行鏈路的空時(shí)處理技術(shù)。

一、問(wèn)題的提出

１．無(wú)線(xiàn)信道傳播特性

移動(dòng)通信環(huán)境下的電波傳播具有自由空間傳播損耗、陰影衰落以及多徑衰落等特點(diǎn)，其中多徑衰落對(duì)無(wú)線(xiàn)信道上傳輸?shù)男盘?hào)有很?chē)?yán)重的影響，電波的反射、散射和衍射使接收信號(hào)產(chǎn)生了時(shí)延擴(kuò)展、頻率（Ｄｏｐｐｌｅｒ）擴(kuò)展和角度擴(kuò)展。

（１）時(shí)延擴(kuò)展

假設(shè)發(fā)射信號(hào)是一個(gè)時(shí)間寬度極窄的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)多徑信道后，由于各信道時(shí)延的不同，接收到的信號(hào)為一串脈沖，因此接收信號(hào)的波形比原脈沖展寬了，造成了ＩＳＩ。

（２）頻率擴(kuò)展

由于移動(dòng)用戶(hù)與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每條多徑都會(huì)有一個(gè)明顯的頻率移動(dòng)，引起時(shí)間選擇性衰落，即信號(hào)幅度隨著時(shí)間變化。

（３）角度擴(kuò)展

角度擴(kuò)展是多徑信號(hào)到達(dá)天線(xiàn)陣列的到達(dá)角度的展寬，產(chǎn)生了空間選擇性衰落，即信號(hào)幅值與天線(xiàn)的位置有關(guān)。

２．多址干擾

同時(shí)，在ＣＤＭＡ無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，所有小區(qū)的用戶(hù)使用相同的時(shí)隙和頻帶，且用戶(hù)接入到基站的上行鏈路通常是異步的，即每個(gè)用戶(hù)碼字的到達(dá)時(shí)間都不相同。由于非正交的發(fā)送碼字以及多徑效應(yīng)的影響，接收機(jī)收到很多其他用戶(hù)的多址干擾信號(hào)，嚴(yán)重情況下會(huì)造成“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，使ＣＤＭＡ系統(tǒng)的容量受到限制或無(wú)法正常工作。

因此，由時(shí)延擴(kuò)展引起的ＩＳＩ、角度擴(kuò)展帶來(lái)的空間深衰落以及來(lái)自同小區(qū)和鄰近小區(qū)的ＭＡＩ是影響ＣＤＭＡ系統(tǒng)性能的極為重要的幾個(gè)問(wèn)題?；谥悄芴炀€(xiàn)和空間分集接收技術(shù)的空時(shí)處理技術(shù)可用于減少ＩＳＩ、ＭＡＩ和抵抗空間選擇性衰落，這２種技術(shù)的區(qū)別也體現(xiàn)在它們是如何克服這些干擾的。

３．空時(shí)信道模型

經(jīng)典的信道模型只考慮了接收信號(hào)的功率和多普勒頻譜分布，并假設(shè)信號(hào)到達(dá)方向（ＤＯＡ）服從大于０，且小于或等于２π的均勻分布，這種信道模型并不能反映信號(hào)在無(wú)線(xiàn)信道中傳輸?shù)慕嵌葦U(kuò)展特性。

但是智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式完全依賴(lài)于天線(xiàn)接收信號(hào)之間的相關(guān)性，所以要具體分析信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信信道傳輸后的空間特性是如何影響天線(xiàn)陣系統(tǒng)的性能的，就必須建立空時(shí)信道模型。圓盤(pán)散射模型（ＣＤＳＭ）說(shuō)明了不同空間點(diǎn)上接收信號(hào)包絡(luò)的相關(guān)性與信號(hào)的空間特征有關(guān)。

４．不同環(huán)境的信道特性

信號(hào)在不同環(huán)境（鄉(xiāng)村和郊區(qū)、城市、購(gòu)物中心或室內(nèi)環(huán)境等）中的時(shí)延擴(kuò)展、頻率擴(kuò)展和角度擴(kuò)展都不相同，而接收信號(hào)的空間相關(guān)性是由到達(dá)接收機(jī)天線(xiàn)陣的信號(hào)的角度擴(kuò)展決定的，所以可針對(duì)不同環(huán)境設(shè)計(jì)基于智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)的空時(shí)處理接收機(jī)。

（１）鄉(xiāng)村和郊區(qū)

基站天線(xiàn)通常位于非常高的塔或山頂，高于一般建筑物或其他結(jié)構(gòu)，可以提供視距傳輸。發(fā)射信號(hào)主要經(jīng)移動(dòng)臺(tái)附近的物體和遠(yuǎn)端散射體散射或反射之后到達(dá)基站。在這種環(huán)境中，有一定的時(shí)延擴(kuò)展，并且基站處的多徑分量限制在一個(gè)很小的角度區(qū)域內(nèi)。

（２）城市

在密集的城市地區(qū)，無(wú)論是基站附近，還是移動(dòng)臺(tái)周?chē)紩?huì)有很多建筑物或障礙物，通常不存在視距傳輸。發(fā)射信號(hào)通過(guò)多條路徑到達(dá)接收機(jī)，時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展都很?chē)?yán)重。

（３）購(gòu)物中心或室內(nèi)環(huán)境

基站天線(xiàn)一般設(shè)在建筑物內(nèi)，由于室內(nèi)有很多物體，所以基站接收的信號(hào)同時(shí)受到基站和移動(dòng)臺(tái)附近物體的散射作用，接收信號(hào)的角度擴(kuò)展很?chē)?yán)重，但是沒(méi)有明顯的時(shí)延擴(kuò)展。

二、智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)

根據(jù)以上的分析，本文從７個(gè)方面對(duì)智能天線(xiàn)和空間分集接收技術(shù)進(jìn)行了比較。

１．基本原理

智能天線(xiàn)利用到達(dá)天線(xiàn)陣的信號(hào)之間的完全相關(guān)性形成天線(xiàn)方向圖。根據(jù)基站接收信號(hào)的ＤＯＡ密度，實(shí)時(shí)調(diào)整天線(xiàn)的方向圖，使天線(xiàn)主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)的到達(dá)方向，旁瓣和零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的到達(dá)方向。由于多徑結(jié)構(gòu)以及移動(dòng)用戶(hù)所處的物理環(huán)境等因素的差別，理想信號(hào)和干擾信號(hào)的ＤＯＡ通常都是不同的，智能天線(xiàn)就是利用這種空間相位特性分離頻率相近但ＤＯＡ不同的信號(hào)。

２．陣列結(jié)構(gòu)

智能天線(xiàn)通過(guò)反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線(xiàn)的方向圖，陣元間距一般取１２波長(zhǎng)，因?yàn)殛囋g距過(guò)大會(huì)減小接收信號(hào)彼此的相關(guān)程度，太小則會(huì)在方向圖上形成不必要的旁瓣。

在空間分集接收系統(tǒng)中，天線(xiàn)單元之間的間隔必須為多個(gè)波長(zhǎng)，以確保到達(dá)天線(xiàn)陣各個(gè)單元的信號(hào)是互不相關(guān)的。

３．抑制干擾的方式

智能天線(xiàn)根據(jù)用戶(hù)信號(hào)的不同空間傳播方向，提供不同的空間信道。在有限的方向區(qū)域內(nèi)接收信號(hào)，可以有效地減少接收到的ＭＡＩ以及理想用戶(hù)和其他用戶(hù)的多徑信號(hào)數(shù)量，本質(zhì)上增加了接收機(jī)的輸入信干噪比（ＳＩＮＲ），從而提高了系統(tǒng)容量和接收質(zhì)量。
分集接收技術(shù)并不能象智能天線(xiàn)一樣明顯地減少ＭＡＩ的數(shù)目，它只是在空間上合并多個(gè)不相關(guān)的信號(hào)副本，利用各種合并準(zhǔn)則確定加權(quán)系數(shù)，使接收端的ＳＩＮＲ最大或均方誤差最小，從總體上抑制ＭＡＩ和ＩＳＩ。

４．抑制干擾的數(shù)目

在智能天線(xiàn)系統(tǒng)中，Ｍ個(gè)天線(xiàn)能夠形成（Ｍ－１）個(gè)零陷，最多可以消除（Ｍ－１）個(gè)干擾信號(hào)。并且當(dāng)干擾數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天線(xiàn)數(shù)目時(shí)，天線(xiàn)陣無(wú)法有效形成波束對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)。

天線(xiàn)接收分集則是通過(guò)分集合并技術(shù)從總體上抑制多徑干擾和ＭＡＩ，使系統(tǒng)的輸出ＳＩＮＲ最大。所以當(dāng)干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線(xiàn)數(shù)目時(shí)，也可以達(dá)到較好效果。

５．ＤＯＡ信息

在空間分集接收系統(tǒng)中，由于不需要形成方向圖對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，所以不需要ＤＯＡ信息。但是，到達(dá)天線(xiàn)陣的信號(hào)的ＤＯＡ信息在智能天線(xiàn)技術(shù)中卻非常重要。因此，ＤＯＡ估計(jì)是非常關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。

６．主要缺點(diǎn)

在密集的市區(qū)內(nèi)，存在大量的多徑傳輸，此時(shí)的天線(xiàn)陣會(huì)在不同方向接收到來(lái)自同一用戶(hù)的相干信號(hào)，ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法無(wú)法分辨接收信號(hào)的到達(dá)方向。所以采用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法估計(jì)ＤＯＡ的智能天線(xiàn)系統(tǒng)不能用于多徑豐富的場(chǎng)合。
而分集接收其實(shí)是一種單用戶(hù)的接收技術(shù)，通過(guò)增加空間和時(shí)間分集階數(shù)來(lái)提高分集增益。但是當(dāng)功率控制誤差較大時(shí)，很可能接收機(jī)接收的是干擾信號(hào)，而不是有用信號(hào)，從而造成嚴(yán)重的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。

７．適用場(chǎng)合

不同空間點(diǎn)上接收的信號(hào)包絡(luò)的相關(guān)性將決定使用的空時(shí)處理技術(shù)。通常，大的角度擴(kuò)展和增加天線(xiàn)陣的單元間隔會(huì)使天線(xiàn)接收到的信號(hào)之間的相關(guān)性降低，此時(shí)宜采用天線(xiàn)陣的空間分集接收技術(shù)；當(dāng)角度擴(kuò)展小、且用戶(hù)數(shù)較少時(shí)宜采用智能天線(xiàn)技術(shù)。
在平坦的效區(qū)和鄉(xiāng)村環(huán)境，多徑分量少，而且干擾用戶(hù)也不多，所以天線(xiàn)陣單元接收信號(hào)的相關(guān)性較強(qiáng)，此時(shí)可以利用智能天線(xiàn)技術(shù)形成主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)，在干擾方向上形成零陷。而分集接收技術(shù)更適合多徑豐富的城市、購(gòu)物中心或室內(nèi)環(huán)境。