采用智能天線(xiàn)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(lái)第三代移動(dòng)通信系統(IMT2000)的一個(gè)重要的部分并由3GPP組織[1]進(jìn)一步標準化。作為TD-SCDMA系統中關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線(xiàn)技術(shù)能夠使系統在高速運動(dòng)的信道環(huán)境中達到較好的性能。在本文中，首先介紹了TD-SCDMA的系統模型，然后，解釋了智能天線(xiàn)技術(shù)的基本概念以及在高速運動(dòng)環(huán)境中應用該技術(shù)的可行性。同時(shí)，在文章中給出了在不同速度的高速運動(dòng)環(huán)境中的相應的仿真結果?？梢钥吹?，在TD-SCDMA系統中使用智能天線(xiàn)技術(shù)可以獲得很好的系統性能并能夠滿(mǎn)足第三代移動(dòng)通信系統的各種需求。

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

　　為了解決這些問(wèn)題，TD-SCDMA系統融合了兩種先進(jìn)的技術(shù)，它是一種在同步模式下工作的具有自適應CDMA特點(diǎn)的先進(jìn)的TDMA系統。隨著(zhù)移動(dòng)通信市場(chǎng)的發(fā)展，對移動(dòng)通信系統的要求越來(lái)越高，作為未來(lái)移動(dòng)通信系統的TD-SCDMA必須能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型的業(yè)務(wù)需求。中國無(wú)線(xiàn)通信標準組織(CWTS)提出TD-SCDMA并使其成為了全球第三代移動(dòng)通信國際標準(IMT2000)之一。作為T(mén)D-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線(xiàn)技術(shù)能夠提高系統的容量，擴大小區的最大覆蓋范圍，減小移動(dòng)臺的發(fā)射功率，提高信號的質(zhì)量并增大了數據傳輸速率。這些優(yōu)點(diǎn)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供了很大的靈活性。

2 系統模型

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

圖1 移動(dòng)臺發(fā)射機的結構框圖

　　在系統中的同一個(gè)小區中，在帶寬為B的同一個(gè)頻帶上可以有K個(gè)用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行通信，用戶(hù)間通過(guò)不同的用戶(hù)擴頻碼序列進(jìn)行區分。我們假設每個(gè)移動(dòng)臺只有一個(gè)發(fā)射天線(xiàn)。在基站部分的上行接收機有M個(gè)天線(xiàn)可以接收移動(dòng)臺發(fā)射的信號。在我們的驗證系統中使用的是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(guò)利用指定場(chǎng)所的位置信息，例如建筑圖紙數據庫，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(shí)延等。它非常適合應用在驗證智能天線(xiàn)系統的有效性的仿真中，通過(guò)它得到的性能結果具有很強的說(shuō)服力。

圖 2 基站中使用智能天線(xiàn)技術(shù)的接收機的結構框圖

圖3 TD-SCDMA系統的基本幀結構

　　TD_SCDMA移動(dòng)通信系統中的幀結構[2]與GSM的非常類(lèi)似（見(jiàn)圖3），它們都利用Midamble來(lái)做脈沖檢測。
超幀的持續時(shí)間為320 ms，一個(gè)超幀能夠分成32個(gè)無(wú)線(xiàn)幀。一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀又可以分成2個(gè)持續時(shí)間為5 ms的無(wú)線(xiàn)子幀。每個(gè)無(wú)線(xiàn)子幀由7個(gè)持續時(shí)間為675 μs的業(yè)務(wù)時(shí)隙和3個(gè)特殊的時(shí)隙： DwPTS (下行導頻時(shí)隙)、GP (保護時(shí)隙) 和UpPTS(上行導頻時(shí)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(shí)隙則根據轉換點(diǎn)的靈活配置來(lái)確定是用于上行或是下行鏈路。每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙的脈沖結構是由兩個(gè)數據符號區和一個(gè)長(cháng)度為144個(gè)碼片的Midamble及長(cháng)度為16個(gè)碼片的保護區組成。在TD-SCDMA系統中，在每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙中最多同時(shí)有16個(gè)不同的擴頻用戶(hù)單元。我們利用midamble訓練序列來(lái)做解相關(guān)運算得到對移動(dòng)信道的估測，然后對每個(gè)時(shí)隙中的所有信號進(jìn)行聯(lián)合檢測。通過(guò)消除多址干擾的方式，使接收信號的動(dòng)態(tài)范圍達到了大約20 dB。聯(lián)合檢測技術(shù)是一種在其他較強信號存在的情況下使較弱的信號能夠解調出來(lái)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(shuō)可以消除由于慢衰落引起的平均功率波動(dòng)的影響。

3 智能天線(xiàn)

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

3．1 智能天線(xiàn)技術(shù)概念

　　如圖4所示，由一些空分的獨立的天線(xiàn)元素組成一個(gè)天線(xiàn)陣列系統，這個(gè)陣列的輸出與收發(fā)信機的一組多個(gè)輸入相組合。這多個(gè)天線(xiàn)元素結合在一起提供一個(gè)綜合的時(shí)空信號。與使用單個(gè)天線(xiàn)采用固定方式組合天線(xiàn)口信號的接收機相比較，天線(xiàn)陣列系統能夠動(dòng)態(tài)地調整信號的結合方式以提高系統的性能。正由于這個(gè)原因，天線(xiàn)陣列經(jīng)常被稱(chēng)為智能天線(xiàn)，它被視為相當于一個(gè)特性能夠根據需要自動(dòng)地調整的天線(xiàn)。

圖4 M個(gè)空間分集的天線(xiàn)元素的天線(xiàn)陣列

　　人們經(jīng)常使用的是環(huán)狀或線(xiàn)性天線(xiàn)陣列。在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統中，我們用8個(gè)完全相同的天線(xiàn)元素均勻地放置在一個(gè)半徑為R的圓形上，組成我們所需的環(huán)形天線(xiàn)陣列。這種陣列對于消除干擾特別有效[4]。每?jì)蓚€(gè)天線(xiàn)之間的距離是載波波長(cháng)的一半。由于每個(gè)天線(xiàn)在空間上處于不同的位置，所以不同天線(xiàn)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(shí)可以產(chǎn)生很多個(gè)獨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(hù)，保證了所有鏈路上的最大增益。利用自適應波束成形可以有效地消除干擾，提高系統的容量。各種能夠用數學(xué)公式表示的算法都能夠得到實(shí)現。

3．2 TDD模式下高速運動(dòng)環(huán)境中 使用智能天線(xiàn)技術(shù)的可行性

　　隨著(zhù)交通和通信的發(fā)展，對在高速運動(dòng)中的高速數據業(yè)務(wù)的需求顯得越來(lái)越緊要了。在車(chē)速環(huán)境中，一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有直線(xiàn)視距信號存在，這就意味著(zhù)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(zhù)距離的增大而減小。采用智能天線(xiàn)技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統不僅適用于室內環(huán)境，而且也適用于室外的車(chē)速環(huán)境。根據我們的分析與仿真，在移動(dòng)臺速度很高的情況下，該系統同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機能夠實(shí)時(shí)地確定接收到信號的波束結構特點(diǎn)對信號進(jìn)行解調，不需要任何存儲單元存放過(guò)去幀的波束信息。所以無(wú)論移動(dòng)臺的速度多高，上行鏈路的接收機都可以迅速地在每一幀適應新的波束特點(diǎn)。在TDD 模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個(gè)頻帶，基站端的發(fā)射機可以根據在上行鏈路上得到的接收信號來(lái)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)信機就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測信息來(lái)實(shí)現下行的波束成形。只有在像TD-SCDMA這樣的TDD 系統中，上行、下行鏈路的配合才能達到這樣好程度。在TD-SCDMA系統中由于無(wú)線(xiàn)子幀的長(cháng)度是5 ms，所以容許的下行對上行的最大的反應時(shí)間為5 ms。根據無(wú)線(xiàn)幀中上行和下行的信道分配，這個(gè)反應時(shí)間可以更短。隨著(zhù)移動(dòng)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(lái)越強。下行鏈路信道的特性與上行的存在著(zhù)偏差，但是這個(gè)偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來(lái)做下行的波束成形仍然能夠正常工作。

　　舉例來(lái)說(shuō)，假設移動(dòng)臺的速度是250 km/h,采用下行波束成形的反應時(shí)間是2.5 ms；這樣，當移動(dòng)臺與基站的最小距離為10 m時(shí)，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。