基于智能天線(xiàn)技術(shù)的TD—SCDMA系統應用研究

基于智能天線(xiàn)技術(shù)的TD-SCDMA系統是目前無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。為了研究TD-SCDMA系統，通過(guò)分析TD-SCDMA系統概況、關(guān)鍵技術(shù)和智能天線(xiàn)技術(shù)的方法，得出智能天線(xiàn)技術(shù)己被確認為T(mén)D-SCDMA系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)將會(huì )在未來(lái)移動(dòng)通信系統中發(fā)揮重要的作用。

0 引言

隨著(zhù)移動(dòng)通信用戶(hù)量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語(yǔ)音通信向寬帶高速數據通信發(fā)展的趨勢，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，尤其是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )建設中需要重點(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用度，無(wú)論從成本和性能表現方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案。在這種情況下，智能天線(xiàn)技術(shù)的引入，將通過(guò)增加系統在空間上的分辨能力，從更高的層次上提高系統對于無(wú)線(xiàn)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)，是我國具有自主知識產(chǎn)權的通信技術(shù)標準，與歐洲的WCDMA標準、美國的CDMA 2000標準并稱(chēng)為3G時(shí)代主流的移動(dòng)通信標準。TD—SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢于一體，系統容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強，智能天線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)和TD—SCDMA的研究。

1 TD-SCDMA系統

大唐電信集團開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA系統采用時(shí)分雙工TDD，TDMA／CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天線(xiàn)、多用戶(hù)檢測、正交可變擴頻因數、Turbo編碼技術(shù)、CDMA等新技術(shù)，工作于2 010～2 025 MHz。我國為T(mén)D-SCDMA劃分了155 MHz非對稱(chēng)頻段，具體為1 880～1 920MHz，2 010～2 025 MHz和2 300～2 400MHz。
1．1 TD—SCDMA標準概況

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；擴頻技術(shù)：OVSF；調制方式：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)勢有：

使用智能天線(xiàn)、多用戶(hù)檢測等新技術(shù)；可高效率地滿(mǎn)足不對稱(chēng)業(yè)務(wù)需要；簡(jiǎn)化硬件，可降低產(chǎn)品成本和價(jià)格；便于利用不對稱(chēng)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，FDMA，SDMA(智能天線(xiàn))。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(mǎn)足您打電話(huà)，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克服呼吸效應和遠近效應

呼吸效應：在CDMA系統中，當一個(gè)小區內的干擾信號很強時(shí)，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì )縮??；當一個(gè)小區的干擾信號很弱時(shí)，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì )增大。簡(jiǎn)言之，呼吸效應表現為覆蓋半徑隨用戶(hù)數目的增加而收縮。形成呼吸效應的主要原因是CDMA系統是一個(gè)自干擾系統，用戶(hù)增加導致干擾增加而影響覆蓋。

對于TD—SCDMA而言，通過(guò)低帶寬FDMA和TDMA來(lái)抑制系統的主要干擾，在單時(shí)隙中采用CDMA技術(shù)提高系統容量，而通過(guò)聯(lián)合檢測和智能天線(xiàn)技術(shù)(SDMA技術(shù))克服單時(shí)隙中多個(gè)用戶(hù)之間的干擾，因而產(chǎn)生呼吸效應的因素顯著(zhù)降低，故TD系統不再是一個(gè)干擾受限系統(自干擾系統)，覆蓋半徑不像CDMA那樣因用戶(hù)數的增加而顯著(zhù)縮小，因而可認為T(mén)D系統沒(méi)有呼吸效應。

遠近效應：由于手機用戶(hù)在一個(gè)小區內是隨機分布的，而且是經(jīng)常變化的，同一手機用戶(hù)可能有時(shí)處在小區的邊緣，有時(shí)靠近基站。如果手機的發(fā)射功率按照最大通信距離設計，則當手機靠近基站時(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)題的方法是根據通信距離的不同，實(shí)時(shí)地調整手機的發(fā)射功率，即功率控制。

功率控制的原則是，當信道的傳播條件突然變好時(shí)，功率控制單元應在幾微妙內快速響應，以防止信號突然增強而對其他用戶(hù)產(chǎn)生附加干擾；相反當傳播條件突然變壞時(shí)，功率調整的速度可以相對慢一些。也就是說(shuō)，寧愿單個(gè)用戶(hù)的信號質(zhì)量短時(shí)間惡化，也要防止對其他眾多用戶(hù)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)就是根據用戶(hù)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 )規劃中的信道預規劃、可以自動(dòng)適應網(wǎng)絡(luò )中負載和干擾的變化等。

(5)智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對稱(chēng)性(無(wú)線(xiàn)環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線(xiàn)可減少小區間干擾也可減少小區內干擾。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著(zhù)提高移動(dòng)通信系統的頻譜效率。

2 智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)又稱(chēng)為自適應天線(xiàn)陣列，技術(shù)核心是陣列信號處理。早期應甩集中于雷達和聲納檢測領(lǐng)域，主要用來(lái)完成空間濾波和定位。20世紀70年代后期被引入軍事通信，智能天線(xiàn)真正的發(fā)展是90年代被應用于民用蜂窩通信，成為第三代移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)。固定的天線(xiàn)陣列與數字信號處理器的結合，就構成了可以動(dòng)態(tài)配置天線(xiàn)特性的智能天線(xiàn)，所以到90年代中期，在美國和中國開(kāi)始考慮將智能天線(xiàn)技術(shù)使用于無(wú)線(xiàn)通信系統。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(xiàn)技術(shù)的SCDMA無(wú)線(xiàn)用戶(hù)環(huán)路系統，美國Redcom公司則在時(shí)分多址的PHS系統中實(shí)現了智能天線(xiàn)。以上是最先商用化的智能天線(xiàn)系統，同時(shí)，在國內外眾多大學(xué)和研究機構內也廣泛研究了多種智能天線(xiàn)的波束形成算法和實(shí)現方案。

2．1 智能天線(xiàn)在TD-SCDMA中的應用

智能天線(xiàn)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(xiàn)收與發(fā)，即上行收與下行發(fā)，如圖1所示。

TD-SCDMA系統的智能天線(xiàn)是由8個(gè)天線(xiàn)單元的同心陣列組成的，直徑為25 cm。同全方向天線(xiàn)相比，它可獲得較高的增益。TD-SCDMA智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對稱(chēng)性而獲得的。此外，智能天線(xiàn)可減少小區間干擾，也可減少小區內干擾。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著(zhù)提高移動(dòng)通信系統的頻譜效率。

由于每個(gè)用戶(hù)在小區內的位置都是不同的。這一方面要求天線(xiàn)具有多向性，另一方面則要求在每一獨立的方向上，系統都可以跟蹤個(gè)別的用戶(hù)。通過(guò)DSP控制用戶(hù)的方向測量使上述要求可以實(shí)現。每用戶(hù)的跟蹤通過(guò)到達角進(jìn)行測量。在TD—SCDMA系統中，由于無(wú)線(xiàn)子幀的長(cháng)度是5 ms，則至少每秒可測量200次，每用戶(hù)的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過(guò)智能天線(xiàn)的方向性和跟蹤性，可獲得其最佳的性能。

在TD-SCDMA系統中，基站系統通過(guò)數字信號處理技術(shù)與自適應算法，使智能天線(xiàn)動(dòng)態(tài)地在覆蓋空間中形成針對特定用戶(hù)的定向波束，充分利用下行信號能量并最大程度的抑制干擾信號?；就ㄟ^(guò)智能天線(xiàn)可在整個(gè)小區內跟蹤終端的移動(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(hù)分配專(zhuān)門(mén)的導頻信道，但是要求使用智能天線(xiàn)系統。對于WCDMA和CDMA 2000系統而言，智能天線(xiàn)雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA 2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始支持智能天線(xiàn)了。
2．2 TD—SCDMA中智能天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現

智能天線(xiàn)通過(guò)調節各陣元信號的加權幅度和相位來(lái)改變陣列的方向圖形狀，即自適應或以預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)現波束隨著(zhù)用戶(hù)走，從而提高天線(xiàn)的增益和信干噪比。其基本結構如圖2所示。

由圖可見(jiàn)，智能天線(xiàn)系統由3部分組成：天線(xiàn)陣列、波束形成網(wǎng)絡(luò )、控制算法。天線(xiàn)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，來(lái)自窄波束以外的信號被抑制。但智能天線(xiàn)的波束跟蹤并不意味著(zhù)一定要將高增益的窄波束指向期望用戶(hù)的物理方向，事實(shí)上，在隨機多徑信道上移動(dòng)用戶(hù)的物理方向是難以確定的，特別是在發(fā)射臺至接收機的直射路徑上存在阻擋物時(shí)，用戶(hù)的物理方向并不一定是理想的波束方向。

智能天線(xiàn)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)，它不是信道復用的概念，而是一種信道倍增方式，可與FDMA，TDMA，CDMA等系統完全兼容，從而實(shí)現組合的多址方式。智能天線(xiàn)關(guān)鍵是自適應波束形成算法，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(xiàn)的優(yōu)勢如下：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；降低功率，減小成本；提高通信的安全性；實(shí)現移動(dòng)臺定位業(yè)務(wù)。

3 結語(yǔ)

美國、歐洲和日本非常重視未來(lái)移動(dòng)通信中智能天線(xiàn)的作用，已經(jīng)開(kāi)展大量的理論分析和研究。我國也已經(jīng)將研究智能天線(xiàn)技術(shù)列入國家863—317通信技術(shù)主題研究中。在ITU認定的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向中，包含了智能天線(xiàn)和TDD時(shí)分雙工技術(shù)，認為這兩種技術(shù)都是以后技術(shù)發(fā)展的趨勢，而智能天線(xiàn)和TDD時(shí)分雙工這兩項技術(shù)，在目前的TD—SCDMA標準體系中已經(jīng)得到了很好的體現和應用，從這一點(diǎn)中，也能夠看到TD-SCDMA標準的技術(shù)有相當的發(fā)展前途。