畢業(yè)設(shè)計（論文）智能天線的發(fā)展及在TDSCDMA中的應(yīng)用

1、目目 錄錄 摘要摘要.1 1 abstract .2 2 第一章第一章 智能天線簡介智能天線簡介.3 3 1.1 引言 .3 1.2 智能天線的提出及基本概念 .4 1.3 智能天線的分類及特點 .5 1.4 智能天線的組成 .5 第二章第二章 智能天線的基本機構(gòu)和工作原理智能天線的基本機構(gòu)和工作原理.6 6 2.1 基本結(jié)構(gòu) .6 2.2 工作原理 .6 2.3 智能天線的發(fā)展階段 .7 第三章第三章 智能天線的關(guān)鍵技術(shù)智能天線的關(guān)鍵技術(shù).8 8 3.1 智能化接收技術(shù) .8 3.2 智能化發(fā)射技術(shù) .8 3.3 動態(tài)信道分配 .9 3.4 下一代移動通信中的時空多用戶檢測技術(shù) .9 第四章

2、第四章 智能天線的用途及應(yīng)用前景智能天線的用途及應(yīng)用前景.1010 4.1 智能天線用途 .10 4.2 智能天線在 3g 中的應(yīng)用前景 .11 4.3 第三代移動通信系統(tǒng)之 td-scdma .11 4.3.1 技術(shù)概述 .12 4.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .12 4.3.3 關(guān)鍵技術(shù) .12 4.4 智能天線在 td-scdma 系統(tǒng)中的應(yīng)用 .14 第五章第五章 結(jié)束語結(jié)束語.1515 參考文獻參考文獻.1616 附錄：附錄：.1717 謝謝 詞詞.2121 摘要摘要 隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信 技術(shù)引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾(cci)、多址干

3、擾(mai)與多徑衰落 的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。智能天線利用 數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達方向， 旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑 制干擾信號的目的。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比，智能天線技術(shù) 在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。我國提交的第三代 移動通信標(biāo)準(zhǔn) td-scdma 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是智能天線技術(shù)，論文詳細(xì)介紹 了智能天線的歷史及其發(fā)展，深入分析了智能天線在 td-scdma 中的應(yīng)用，最后 對智能天線的應(yīng)用進行了展望。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：td-s

4、cdma、智能天線 abstract with the global communications business, the rapid development of personal communications as a major means of future wireless mobile communication technology and cause for great concern. how to eliminate interference with the channel (cci), multi-access interference (mai) and mult

5、ipath fading effects of the people in improving the performance of wireless mobile communication system of the main factors to consider. smart antennas using digital signal processing technology, resulting in beam spatial orientation, so that the main beam antenna at the user direction of arrival si

6、gnal, or zero subsidence side lobe interference signals arrive at the purpose of the direction of full efficient use of mobile users and to delete or suppress the signal interference. with other growing depth and maturity deletion interference technology, smart antenna technology in mobile communica

7、tion has become more apparent after the application of the ascendant and shows great potential. china submitted the third generation mobile communication standard td-scdma system is one of the key technologies of smart antenna technology; paper details the history of smart antennas and their develop

8、ment, in-depth analysis of smart antenna in td-scdma application, the last of the smart antenna outlook application. key words: td-scdma、 smart antennas 第一章第一章 智能天線簡介智能天線簡介 1.11.1 引言引言 隨著移動通信的迅速發(fā)展，越來越多的業(yè)務(wù)將通過無線電波的方式來進行， 有限的頻譜資源面對著越來越高的容量需求的壓力。對于第二代移動通信系統(tǒng) gsm，在我國的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)了容量供應(yīng)困難的現(xiàn)象，小區(qū)蜂窩的半徑已 經(jīng)很小，而目前作為

9、應(yīng)用研究重點的 3g 以及它的業(yè)務(wù)模式無疑將對網(wǎng)絡(luò)容量有 更高的要求。高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將作為 3g 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一個主要特點，這使得網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)流量尤其是下行方向上將有明顯的提高。因此，為了在 3g 系統(tǒng)中實現(xiàn)與第 二代系統(tǒng)明顯的差別服務(wù)，充分體現(xiàn) 3g 系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)容量將 是網(wǎng)絡(luò)的運營者必須重點考慮的問題。就目前的情況而言，智能天線技術(shù)將是提 高網(wǎng)絡(luò)容量最有效的方法之一，尤其對于 3g 中以自干擾為主要干擾形式的通信 系統(tǒng)。 天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號情況實時進行自適應(yīng)變化的天線稱為智 能天線。與普通天線以射頻部分為主不同，智能天線包括射頻部分以及信號處理 和控制部分。同時，

10、由于終端在尺寸和成本上的限制，所以目前對于智能天線的 研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天線或者扇區(qū)天線，這些天線具有固定的天線方向 圖形式，而智能天線將具有根據(jù)信號情況實時變化的方向圖特性（見圖）： 如圖所示，在使用扇區(qū)天線的系統(tǒng)中，對于在同一扇區(qū)中的終端，基站使用 相同的方向圖特性進行通信，這時系統(tǒng)依靠頻率、時間和碼字的不同來避免相互 間的干擾。而在使用智能天線的系統(tǒng)中，系統(tǒng)將能夠以更小的刻度區(qū)別用戶位置 的不同，并且形成有針對性的方向圖，由此最大化有用信號、最小化干擾信號， 在頻率、時間和碼字的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)從空間上區(qū)別用戶的能力。這相當(dāng)于 在頻率和時間的基礎(chǔ)上擴展了一個新

11、的維度，能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量以 及與之相關(guān)的目錄。 1.21.2 智能天線的提出及基本概念智能天線的提出及基本概念 （1）智能天線的提出 智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信 系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強天線性能的一種天線。它利用信號傳輸 的空間特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號與干擾信號，從而控制天線 陣的方向圖，達到增強所需信號、抑制干擾信號的目的；同時它還能根據(jù)所需信 號和干擾信號位置及入射角度的變化，自動調(diào)整天線陣的方向圖，實現(xiàn)智能跟蹤 環(huán)境變化和用戶移動的目的，達到最佳收發(fā)信號，實現(xiàn)動態(tài)“空間濾波”的效果。 采用智能天線的目的主要有

12、以下 3 點： a）通過提供最佳增益來增強接收信號。 b）通過控制天線零點來抑制干擾。 c）利用空間信息增大信道容量。 （2）智能天線的基本概念 智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位 關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的 方向特性。 智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使 天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達方向 doa(direction of arrival)，旁瓣或零陷對 準(zhǔn)干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的 目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通

13、過陣列 天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線 電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能 天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴容的需要。 1.31.3 智能天線的分類及特點智能天線的分類及特點 智能天線主要包含兩類：開關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中，只有自 適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號提供最佳增益的同時，識別、跟蹤和最小化干擾 信號。 1.多波束天線 多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的， 波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動時，基站在不同的相應(yīng)波 束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定

14、在波束中心，當(dāng)用戶位 于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實 現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng)天線陣列相比，多波束天 線具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。 2.自適應(yīng)天線 自適應(yīng)天線陣列一般采用 416 天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方 式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號 接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向，并在此方 向形成天線主波束。 1.41.4 智能天線的組成智能天線的組成 智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分，其中信號處理部

15、分根據(jù)得 到的關(guān)于通信情況的信息，實時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性。這些信息可 能是接收到的無線信號的情況；在使用閉環(huán)反饋的形式時，也可能是通信對端關(guān) 于發(fā)送信號接收情況的反饋信息。 由于移動通信中無線信號的復(fù)雜性，所以這種根據(jù)通信情況實時調(diào)整天線特 性的工作方式對算法的準(zhǔn)確程度、運算量以及能夠?qū)崟r完成運算的硬件設(shè)備都有 很高的要求。這決定了智能天線的發(fā)展是一個分階段的、逐步完善的過程。 第二章第二章 智能天線的基本機構(gòu)和工作原理智能天線的基本機構(gòu)和工作原理 2.12.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 顧名思義自適應(yīng)天線陣由多個天線單元組成，每一個天線后接一個加權(quán)器 （即乘以某一個系數(shù)，這個系數(shù)通常是復(fù)

16、數(shù)，既調(diào)節(jié)幅度又調(diào)節(jié)相位，而在相控 陣?yán)走_中只有相位可調(diào)） ，最后用相加器進行合并，這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完 成空域處理；同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜些，每 個天線后接的是一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)（結(jié)構(gòu)上與時域 fir 均衡器相同） 。自適應(yīng) 或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以恰當(dāng)改變和自適應(yīng)調(diào)整。上面介紹的是 智能天線用作接收天線時的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進行發(fā)射時結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加 權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒有相加合并器。 2.22.2 工作原理工作原理 假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應(yīng)輸出只有 相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達各天

17、線所走路線的長度 差決定。若入射信號為平面波（只有一個入射方向） ，則這些相位差由載波波長、 入射角度、天線位置分布唯一確定。給出一組加權(quán)值，一定的入射信號強度，不 同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同，合并器后的輸出信號強度也會不 同。 以入射角為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的智能天線輸出增益（db）為縱坐標(biāo)所作的圖被稱 為方向圖（天線術(shù)語） ，智能天線的方向圖不同于全向（omni）天線（理想時為 一直線） ，而更接近方向（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe） 、 副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主， 副瓣大小、位置關(guān)系，和較大的

18、天線增益（天線術(shù)語，天線的一項重要指標(biāo)，是 最強大向的增益與各方向平均增益之比） ，另外和固定天線的最大區(qū)別是：不同 的權(quán)值通常對應(yīng)不同的方向圖，我們可以通過改變權(quán)值來選擇合適的方向圖。 2.32.3 智能天線的發(fā)展階段智能天線的發(fā)展階段 目前通常將這種過程分為以下三個階段（見圖 3） 第一階段：開關(guān)波束轉(zhuǎn)換。在天線端預(yù)先定義一些波瓣較窄的波束，根據(jù)信號 的來波方向?qū)崟r確定發(fā)送和接收所使用的波束，達到將最大天線增益方向?qū)?zhǔn)有 效信號，降低發(fā)送和接收過程中的干擾的目的。這種方法位于扇區(qū)天線和智能天 線之間，實現(xiàn)運算較為簡單，但是性能也比較有限。 第二階段：自適應(yīng)（最強）信號方向。根據(jù)接收信號的最

19、強到達方向，自適 應(yīng)地調(diào)整天線陣列的參數(shù)，形成對準(zhǔn)該方向的接收和發(fā)送天線方向圖。這是動態(tài) 自適應(yīng)波束成形的最初階段，性能優(yōu)于開關(guān)波束轉(zhuǎn)換，同時算法也較為復(fù)雜，但 是還未達到最優(yōu)的狀態(tài)。 第三階段：自適應(yīng)最佳通信方式。根據(jù)得到的通信情況的信息，實時地調(diào)整 天線陣列的參數(shù)，自適應(yīng)地形成最大化有用信號、最小化干擾信號的天線特性， 保持最佳的射頻通信方式。這是理想的智能天線的工作方式，能夠很大程度地提 高系統(tǒng)無線頻譜的利用率。但是其算法復(fù)雜，實時運算量大，同時還需要進一步 探尋各種實際情況下的最佳算法。 目前，對于智能天線的應(yīng)用主要集中在第二階段附近，并且由于移動通信的 迅速發(fā)展，使得智能天線技術(shù)在包

20、括 3g 的應(yīng)用中受到廣泛的重視，解決智能天 線在實際應(yīng)用中的各種問題，以及尋求更加“智能”的自適應(yīng)算法和實現(xiàn)方案是 目前工作的重點和主要內(nèi)容。 第三章第三章 智能天線的智能天線的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 智能天線在移動通信中的應(yīng)用分為移動臺和基站，本部分僅討論智能天線應(yīng) 用于基站的實現(xiàn)技術(shù)，其中智能化發(fā)射技術(shù)、接收技術(shù)和動態(tài)信道分配是 3 項關(guān) 鍵的技術(shù)。 3.13.1 智能化接收技術(shù)智能化接收技術(shù) 應(yīng)用智能天線 cdma 系統(tǒng)中，由于不同用戶占用同一信道，不同用戶帶來的 多址干擾（mai）和多徑信道帶來的碼間干擾（isi）會使到達基站的用戶信號產(chǎn) 生畸變，所以必須采用信道估計和均衡技術(shù)，將各用戶信

21、號進行分離和恢復(fù)（即 多用戶檢測 mud） 。整個上行信道等效為一個多重單輸入多輸出系統(tǒng)。 另一方面，為了給智能發(fā)射提供依據(jù)，在上行中還需要估計反映用戶空間位 置信息的參量，如入射角（doa） 、空域特征（ss，spatial signature）等，它 們的精度估計將直接影響到下行選擇性發(fā)送的性能。目前，完成智能化接收的方 法主要有基于高分辨率陣列信號處理方法和基于信號時域結(jié)構(gòu)方法兩類。前一類 方法又分子空間方法和基于參數(shù)估計準(zhǔn)則的方法兩大類。后一類方法主要利用信 號的時域信息和先驗特征進行空域處理。 3.23.2 智能化發(fā)射技術(shù)智能化發(fā)射技術(shù) 在蜂窩系統(tǒng)中，為滿足多媒體業(yè)務(wù)通信質(zhì)量的要求，

22、發(fā)射信號功率一定要動 態(tài)控制，在保證整個蜂窩系統(tǒng)各小區(qū)的信號總功率平衡的情況下（各小區(qū)干擾基 本穩(wěn)定） ，滿足各種業(yè)務(wù)的不同傳輸速率和不同的誤碼率要求。 智能化發(fā)射技術(shù)利用用戶的空間差異，保證每個用戶只接收基站發(fā)給它的下 行信號，不受同一信道中基站發(fā)給其他用戶信號的干擾。實現(xiàn)智能化發(fā)射有基于 反饋和基于上行鏈路參數(shù)估計兩種方法。前一種方法是基站通過移動臺返回基站 的訓(xùn)練信號，估計下行信道的響應(yīng)情況，其缺點是浪費帶寬?；谏闲墟溌穮⒘?估計的方法是利用一些特征參量相對于上下行鏈路的不變性，通過各用戶對上行 信號的估計，確定下行鏈路的波束形成方案。td-scdma 采用后一種方法。 在時分雙工（t

23、dd）系統(tǒng)中，上、下行鏈路使用同一載波頻率，在信道特征 變化相對較慢的情況下，可以近似認(rèn)為上、下行鏈路的信道特征相同，可使用對 上行信道的估計設(shè)置下行鏈路參數(shù)。在頻分雙工（fdd）系統(tǒng)中，由于上、下行 鏈路載頻不同，上、下行鏈路的信道特性差異很大，要分別估計上、下行鏈路特 征，所以在 fdd 系統(tǒng)中使用智能天線比在 tdd 系統(tǒng)中使用要復(fù)雜得多，這也是 tdd 系統(tǒng)較 fdd 系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。 3.33.3 動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配 通信中，信道分配是保障通信質(zhì)量、有效利用信道的關(guān)鍵技術(shù)之一。在空分 信道引入系統(tǒng)后，空、頻、時和碼分信道的動態(tài)分配技術(shù)已成為新的技術(shù)難點。 后三種信道分配技術(shù)是確

24、定性的，可由系統(tǒng)根據(jù)用戶情況動態(tài)分配，但空分信道 分配不同。在基站處，接收功率相差不大和用戶方向角度差大于天線主波瓣的用 戶，可分享同一時、頻域信道。這樣，空分信道分配就成為動態(tài)的條件組合問題， 且隨著用戶空間位置的移動，為跟蹤用戶，空分信道必須相應(yīng)變化，隨時進行動 態(tài)分配?？辗中诺婪峙浔仨毰c時、頻信道分配和切換相結(jié)合，這就需要形成一種 高效算法，以適應(yīng)用戶的移動性。對于 cdma 系統(tǒng)，由于其容量是軟容量，信道 分配相對簡單。智能天線本身具有功率控制功能，其性能要優(yōu)于現(xiàn)有的功率控制 技術(shù)。同時基站間的越區(qū)切換也將更為靈活。 3.43.4 下一代移動通信中的時空多用戶檢測技術(shù)下一代移動通信中的

25、時空多用戶檢測技術(shù) 一代移動通信系統(tǒng)中，多用戶檢測（mud）是一項關(guān)鍵技術(shù)。mud 利用多址干 擾的信號結(jié)構(gòu)特征，對所有的激活用戶進行聯(lián)合估計，可以明確估計出期望用戶 的多址干擾，從而抑制多用戶干擾，從本質(zhì)上解決遠(yuǎn)近問題（near far problem） 。然而多址干擾和無線信道具有明顯的空間結(jié)構(gòu)特征，如果采用智能天 線技術(shù)，將為干擾抑制提供新的維度。智能天線引入移動通信系統(tǒng)基站后，可以 實現(xiàn)對移動用戶的定向發(fā)射和定向接收，能從空域上消除大量的多用戶干擾，并 能減輕多徑效應(yīng)。因此，利用時空多用戶檢測技術(shù)進行干擾抑制，將進一步提高 系統(tǒng)性能。 時域信息和空域信息的結(jié)合有級聯(lián)和聯(lián)合兩種方式。在時

26、空級聯(lián)處理方法中， 空間濾波器用來去除未被多用戶檢測器去除的多址干擾，能在一定程度上改善接 收效果，但不能應(yīng)用于過載情況。時空聯(lián)合處理方法將空域特征和時域特征等同 看待，與傳統(tǒng)的時域多用戶檢測器相比增加了等效處理增益，提高了用戶特征之 間的正交性，從而改善了接收機性能，且可以應(yīng)用于過載系統(tǒng)中。因此，基于時 空聯(lián)合處理方法性能優(yōu)于級聯(lián)處理方法，但是其運算量大。 在我國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)td-scdma 中實現(xiàn)了智能天線和聯(lián)合檢 測（jd：joint detection）技術(shù)的有機結(jié)合。由于上行鏈路和下行鏈路具有相 似的信道特性，所以 td-scdma 系統(tǒng)能夠把上行鏈路聯(lián)合檢測過程中獲得的

27、沖擊 響應(yīng)估計值應(yīng)用于下行鏈路，用類似于最大功率合成的方法實現(xiàn)下行智能天線自 適應(yīng)波束賦形算法，這是 td-scdma 系統(tǒng)智能天線算法的獨特之處。 聯(lián)合檢測算法可以分為 3 類：非線性算法、判決反饋算法、線性算法。非線 性算法主要有最大似然序列估計（mlse） ，該算法極度復(fù)雜，在要求實時性的移 動通信系統(tǒng)中難以應(yīng)用。判決反饋算法是在線性算法基礎(chǔ)上經(jīng)過一定的擴展得到， 有迫零判決反饋均衡器算法（zfbdfe）和最小均方誤差判決反饋均衡器算法 （mmsendfe） ，它們的計算復(fù)雜度較大。實際應(yīng)用中，常采用線性算法。其原 理是先用線性塊均衡器對接收信號進行檢測，得到個用戶發(fā)送符號的連續(xù)值 估計

28、，然后用個量化器對這些連續(xù)值估計進行量化，就可得到對用戶發(fā)送符號 的離散值估計。 基于時空二維處理的智能天線和多用戶檢測相結(jié)合，是一種優(yōu)勢互補的組合。 在看到時空二維多用戶檢測器的巨大容量潛力的同時，也應(yīng)該看到其優(yōu)良的性能 是以巨大的運算量為代價的。運算量大是時空二維多用戶檢測器實用化的主要障 礙。研究快速算法將是今后時空二維多用戶檢測器研究工作的一個重點。 第四章第四章 智能天線的用途及應(yīng)用前景智能天線的用途及應(yīng)用前景 移動通信信道傳輸環(huán)境較惡劣，多徑衰落、時延擴展造成的符號間串?dāng)_ isi（inter-symbol interference）、fdma、tdma 系統(tǒng)（如 gsm）由于頻率復(fù)

29、用 引入的同信道干擾（cci，co-channel interference）、cdma 系統(tǒng)中的多址干擾 （mai,multiple access interference）等都使鏈路性能、系統(tǒng)容量下降，我們 熟知的均衡、碼匹配濾波、rake 接收、信道編譯碼技術(shù)等都是為了對抗或者減小 它們的影響。這些技術(shù)實際利用的都是時、頻域信息，而實際上有用信號、其時 延樣本（delay version）和干擾信號在時、頻域存在差異的同時，在空域（入 射角 doa，direction of arrival）也存在差異，分集天線（antenna diversity）、特別是扇形天線（sector ante

30、nna）可看作是對這部分資源的初 步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天線技術(shù)。 4.14.1 智能天線用途智能天線用途 智能天線是一種升縮性較好的技術(shù)。在移動通信發(fā)展的早期，運營商為節(jié)約 投資，總是希望用盡可能少的基站覆蓋盡可能大的區(qū)域，這就意味著用戶的信號 在到達 bts（基站收發(fā)信設(shè)備）前可能經(jīng)歷了較長的傳播路徑，有較大的路徑損 耗（path loss），為使接收到的有用信號不至于低于門限，要么增加移動臺的 發(fā)射功率、要么增加基站天線的接收增益，由于移動臺（特別是手機）的發(fā)射功 率通常是有限的，真正可行的是增加天線增益，相對而言用智能天線實現(xiàn)較大增 益比用單天線容易。 而在移動通信發(fā)展

31、的中、晚期，為擴大系統(tǒng)容量、支持更多用戶，需要收縮 小區(qū)范圍、降低頻率復(fù)用系數(shù)提高頻率利用率，通常采用的方法是小區(qū)分裂和扇 區(qū)化，隨之而來的是干擾增加，原來被距離（其實是借助路徑損耗）有效降低的 cci 和 mai 較大比例地增加了。但利用智能天線，借助有用信號和干擾信號在入 射角度上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對 準(zhǔn)有用信號，低增益副瓣對準(zhǔn)主要的干擾信號，從而可更有效地抑制干擾，更大 比例地降低頻率復(fù)用因子（比如在 gsm 中使復(fù)用因子 3 成為可能），和同時支持 更多用戶（cdma 中）。從某種角度我們可將智能天線看作是更靈活、主瓣更窄的 扇形天線。 智能天

32、線的又一個好處是可減小多徑效應(yīng)，cdma 中利用 rake 接收機可對時 延差大于一個碼片的多徑進行分離和相干合并，而借助智能天線可以對時延不可 分但角度可分的多徑進行進一步分離，從而更有效減小多徑效應(yīng)。 采用智能天線技術(shù)的主要目的是為了更有效地對抗移動通信信道，而時分、 碼分多址系統(tǒng)的信道傳輸環(huán)境從本質(zhì)上講是一樣的，所以除了具體算法上的差異 外，智能天線可廣泛應(yīng)用于各種時分、碼分多址系統(tǒng)，包括已商用的第二代系統(tǒng)， 即是一種廣泛適用的系統(tǒng)。 智能天線另一個可能的用途是進行緊急呼叫定位，并提供更高的定位精度， 因為在獲得可用于定位的時延、強度等信息的同時，它還可獲得波達角信息。 4.24.2 智

33、能天線在智能天線在 3g3g 中的應(yīng)用前景中的應(yīng)用前景 3g 普遍采用基于 cdma 的多址接入技術(shù)，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同 的用戶，因此接收端各個信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、tdd 系統(tǒng)中 的時隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時，在理論 分析的基礎(chǔ)上，大量的仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果也證明了：在 3g 通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi) 干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這 一對矛盾的基礎(chǔ)上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已 經(jīng)得到共識，成為 3g 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運營的主要特點。 在業(yè)務(wù)特性上，3g 以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻電話

34、和能力得到增強的增值業(yè)務(wù) 作為其對 2g 系統(tǒng)形成服務(wù)優(yōu)勢的主要手段，這必然使得 3g 具有大得多的網(wǎng)絡(luò)流 量。但是與 2g 系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到， 理論上在相同條件下，cdma 并不比 fdma 或者是 tdma 具有更大的頻譜利用率。因 此，為了能夠真正體現(xiàn) 3g 系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢，必須使用新技術(shù)使頻譜利 用率得到質(zhì)的提高，智能天線技術(shù)正是目前被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的最有效 的方法之一。它通過增加系統(tǒng) sdma（空分多址）的能力，能夠有效地緩解 3g 系 統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對空中無線頻譜資源的利 用能力。 我國提出的

35、 td-scdma 標(biāo)準(zhǔn)，由于其空中接口采用 tdd 的雙工方式，通信的 上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時隙間隔、相互交錯的上下行信道之 間具有較強的相關(guān)性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對下行信道的發(fā)送 特性進行準(zhǔn)確的調(diào)整，因此 td-scdma 成為 3g 標(biāo)準(zhǔn)中最方便于使用智能天線的一 個技術(shù)，并且已經(jīng)進行了標(biāo)準(zhǔn)化，將智能天線作為其主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。 4.34.3 第三代移動通信系統(tǒng)之第三代移動通信系統(tǒng)之 td-scdmatd-scdma td-scdma（time division-synchronous cdma）意為時分同步碼分多址，集 cdma、tdma、fdma

36、及 sdma 多種多址方式于一體，采用了智能天線、軟件無線電、 聯(lián)合檢測、接力切換、下行包交換高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗懈咝录夹g(shù)，具有頻譜利 用率高、系統(tǒng)容量大、適合開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、系統(tǒng)成本低、符合移動技術(shù)發(fā)展方向 等突出優(yōu)勢。特別適合于為城市人口密集區(qū)提供高密度、大容量的話音、數(shù)據(jù)和 多媒體業(yè)務(wù)。系統(tǒng)可單獨組網(wǎng)運營也可與其他無線接入技術(shù)配合使用。 4.3.14.3.1 技術(shù)概述技術(shù)概述 它的目標(biāo)是要建立一個具有高頻譜效率和高經(jīng)濟效率的先進的移動通信系統(tǒng)。 其基本技術(shù)特性之一是在 tdd 模式下，采用在周期性重復(fù)的時間幀里傳輸基本的 tdma 突發(fā)脈沖的工作模式（和 gsm 相同） ，通過同期性地轉(zhuǎn)換

37、傳輸方向，在同一 個載波上交替地進行上下行鏈路傳輸。這個方案的優(yōu)勢在于上下行鏈路間的轉(zhuǎn)換 點的位置可以因業(yè)務(wù)的不同而任意調(diào)整。當(dāng)進行業(yè)務(wù)對稱傳輸時，可選用對稱的 站換點位置；當(dāng)進行非對稱業(yè)務(wù)傳輸時，可在非對稱的轉(zhuǎn)換點位置范圍內(nèi)選擇。 這樣，對于上述兩種業(yè)務(wù)，tdd 模式都可提供最佳頻譜利用率和最佳業(yè)務(wù)容量。 此外，針對不同性質(zhì)的業(yè)務(wù)，td-scdma 既可以在每個突發(fā)脈沖基礎(chǔ)上利用 cdma 和多用戶檢測技術(shù)進行多用戶傳輸從而提高速率為 8384kb/s 的話音和多 媒體業(yè)務(wù)，也可以不進行信號的擴頻從而提供高速數(shù)據(jù)傳輸，如移動因特網(wǎng)的高 速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在基站收發(fā)信臺（bts）和用戶終端（ue）中

38、的業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)換是通 過數(shù)字信號處理軟件（dsp-sw）實現(xiàn)的。這一方法為實現(xiàn)軟件無線電奠定了基礎(chǔ)。 總體來看，td-scdma 無線傳輸方案是 fdma、tdma 和 cdma 三種基礎(chǔ)傳輸模式 的靈活結(jié)合。這種結(jié)合首先是通過多用戶檢測技術(shù)使得 td-scdma 的傳輸容量顯 著增長，而傳輸容量的進一步增長則是通過采用智能天線技術(shù)獲得的。智能天線 的定向性降低了小區(qū)間干擾，從而使更為密集的頻譜復(fù)用成為可能。另外，為減 少運營商的投資，無線傳輸模式的設(shè)計目標(biāo)一是提高每個小區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量，另 一個是減少小型基站數(shù)量已獲得高收發(fā)器效率。td-scdma 在實現(xiàn)這一目標(biāo)方面也 較為理想。 4.3.24

39、.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) td-scdma 系統(tǒng)的設(shè)計集 fdma、tdma、cdma 和 sdma 技術(shù)為一體，并考慮在當(dāng) 前中國和世界上大多數(shù)國家廣泛采用 gsm 第二代移動通信的客觀實際，他能夠由 gsm 平滑過渡到 3g 系統(tǒng)。td-scdma 系統(tǒng)的功能模塊主要包括：用戶端設(shè)備（ue） 、 基站（bts） 、基站控制器（bsc）和核心網(wǎng)。在建網(wǎng)初期，還系統(tǒng)的 ip 業(yè)務(wù)通過 gprs 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（ggsn）接入到 x.25 分組交換機，話音和 isdn 業(yè)務(wù)使用原來 gsm 的移動交換機。待基于 ip 的 3g 核心網(wǎng)建成后，將過渡到完全的 td-scdma 第 三代移動通信系統(tǒng)

40、。 4.3.34.3.3 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 1.td-scdma 系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)： （1）智能天線 td-scdma 系統(tǒng)的智能天線是由 8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為 25cm。同全方向天線相比，它可獲得 8db 的增益。采用智能天線后，應(yīng)用波束賦 形技術(shù)顯著提高了基站的接收靈敏度和發(fā)射功率，大大降低了系統(tǒng)內(nèi)部的干擾和 相鄰小區(qū)間的干擾，從而使系統(tǒng)容量擴大 1 倍以上。同時，還可以使業(yè)務(wù)高密度 市區(qū)和郊區(qū)所需基站數(shù)目減少。天線增益的提高也能降低高頻放大器(hpa)的線 性輸出功率，從而顯著降低運營成本。 （2）綜合采用多種多址方式 td-scdma 使用了第二代和第三代移動通信中

41、的所有接入技術(shù)，包括 tdma、cdma 和 sdma，其中最主要的創(chuàng)新部分是 sdma。sdma 可以在頻域、時域之 外用來增加容量和改善性能，sdma 的關(guān)鍵技術(shù)就是利用多天線對空間參數(shù)進行估 計，對下行鏈路的信號進行空間合成。另外，將 cdma 和 sdma 技術(shù)結(jié)合起來也起 到了相互補充的作用，尤其是當(dāng)幾個移動用戶靠得很近并使得 sdma 無法分出時， cdma 就可以很輕松地起到分離作用，而 sdma 本身又可以使相互干擾的 cdma 用戶 降至最小。sdma 技術(shù)的另一個重要作用是可以大致估算出每個用戶的距離和方位， 可應(yīng)用于第三代移動通信用戶的定位，并能為越區(qū)切換提供參考信息。

42、（3）信道分配 td-scdma 系統(tǒng)采用 rnc 集中控制的動態(tài)信道分配（dca）技術(shù)，在一定區(qū)域 內(nèi)，將幾個小區(qū)的可用信道資源集中起來，由 rnc 統(tǒng)一管理，按小區(qū)呼叫阻塞率、 候選信道使用頻率、信道再用距離等諸多因素，將信道動態(tài)分配給呼叫用戶。這 樣可以提高系統(tǒng)容量、減少干擾、更有效地利用信道資源。 （4）多用戶檢測 多用戶檢測主要是指利用多個用戶碼元、時間、信號幅度以及相位等信息來 聯(lián)合檢測單個用戶的信號，以及到較好的接收效果。最佳多用戶檢測的目標(biāo)就是 要找出輸出序列中最大的輸入序列。對于同步系統(tǒng)，就是要找出函數(shù)最大的輸入 序列，從而使聯(lián)合檢測的頻譜利用率提高并使基站和用戶終端的功率控

43、制部分更 加簡單，更值得一提的是在不同智能天線情況下，通過聯(lián)合檢測就可在現(xiàn)存的 gsm 基礎(chǔ)設(shè)備上，通過 c=3 的蜂窩再復(fù)用模式使 td-scdma 可以在 1.6mhz 的低載 波頻帶下通過。 （5）同步 cdma 同步 cdma 指在上行鏈路各終端發(fā)出的信號在基站解調(diào)器處完全同步，相互 間不會產(chǎn)生多址干擾，提高了 td-scdma 系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。 （6）軟件無線電 軟件無線電的基本原理就是將寬帶 a/d 和 d/a 轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線處，從 而以軟件來代替硬件實施信號處理。采用軟件無線電的優(yōu)越性在于，基于同樣的 硬件環(huán)境，采用不同的軟件就可以實現(xiàn)不同的功能。 2.特點及優(yōu)勢

44、td-scdma 的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 （1）頻譜靈活性和支持蜂窩網(wǎng)的能力 td-scdma 僅需要 1.6mhz 的最小帶寬。若帶寬為 5hz 則支持 3 個載波，在一 個地區(qū)可組成蜂窩網(wǎng)，支持移動業(yè)務(wù)，并可通過自動信用卡道分配（dca）技術(shù) 提供不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 （2）高頻譜利用率 td-scdma 為對稱話音業(yè)務(wù)和不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供的頻譜利用率高。換言之， 在使用相同頻帶寬度時，td-scdma 可支持多一倍的用戶。 （3）設(shè)備成本 在無線基站方面，td-scdma 的設(shè)備成本低，原因如下： 智能天線能大大地增加接收靈敏度，減少同信道干擾，增加容量，同時， 在發(fā)射端，也能降低干

45、擾和輸出功能功率。 上行同步降低了碼道間干擾，提高了 cdma 容量，簡化了基站硬件，降低 了成本。 軟件無線電可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少硬件設(shè)備更新?lián)Q代的損失，降低成 本。 系統(tǒng)兼容 支持多種通信接口，由于 td-scdma 同時滿足 iub、a、gb、iu、iur 多種接 口的要求，因此 td-scdma 的基站子系統(tǒng)可作為 2g 和 2.5g gsm 基站的擴容，又 可作為 3g 網(wǎng)中的基站子系統(tǒng)，能同時兼顧現(xiàn)在的需求和長遠(yuǎn)的發(fā)展。 4.44.4 智能天線在智能天線在 td-scdmatd-scdma 系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用 td-scdma(時分同步的碼分多址)智能天線的高效率是基于上

46、行鏈路和下行鏈 路的無線路徑的對稱性(無線環(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通 信系統(tǒng)的頻譜效率。 td-scdma 系統(tǒng)的智能天線是由 8 個天線單元的同心陣列組成的，直徑為 25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的 收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻 射方向圖，使用 dsp(數(shù)字信號處理器)使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達 到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集 的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。 由

47、于每個用戶在小區(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立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個別的用戶。通過 dsp 控 制用戶的方向測量使上述要求可以實現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達角進行測量。在 td-scdma 系統(tǒng)中，由于無線子幀的長度是 5ms，則至少每秒可測量 200 次，每用 戶的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其 最佳的性能。 tdd(時分雙工)模式的 td-scdma 的進一步的優(yōu)勢是用戶信號的發(fā)送和接收都 發(fā)生在完全相同的頻率上。因此在上行和下行 2 個方向中的傳輸條件是相同的或 者說是對稱的，使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最

48、低，從而獲得最佳的系統(tǒng)性 能。 第五章第五章 結(jié)束語結(jié)束語 移動通信用戶量的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)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(shè)，尤其是未來 3g 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點考慮的問題。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)對于無線頻譜的利用率。與其它所有的先進技術(shù)一樣，智能天線技 術(shù)的發(fā)展也是一個伴隨著算法研究和硬件升級的循序漸進的過程。由于對其重要 作用的認(rèn)識，近年來在世界范圍內(nèi)開展了

49、大量的研究和試驗工作，取得了豐碩的 成果，目前基本上已經(jīng)開始了實際的應(yīng)用階段，實際使用中的各種問題也在逐步 得到解決。當(dāng)前，我國正在對下一代移動通信系統(tǒng)的實際應(yīng)用能力進行大規(guī)模的 研究和試驗，智能天線技術(shù)無疑也將成為討論的熱點之一，希望本文能夠為相關(guān) 方面的工作和研究人員提供一定的參考。 參考文獻參考文獻 1 崔雁松 李志青,通信原理,北京大學(xué)出版社,2008. 2 王秉鈞,現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理,天津大學(xué)出版社,1999. 3 曹志剛 錢亞生,現(xiàn)代通信原理,清華大學(xué)出版社,2000. 4 南利平,通信原理簡明教程,清華大學(xué)出版社,2003. 5 崔雁松,移動通信技術(shù),西安電子科技大學(xué)出版社,200

50、5. 6 草達仲,數(shù)字移動通信,天津大學(xué)出版社,1999. 7謝華 廉飛宇,通信網(wǎng)基礎(chǔ),電子工業(yè)出版社,2003. 附錄：附錄： analysis of td-scdma smart antenna technology to improve how to significantly reduce the size of smart antennas to resolve the face the problem and improve the integration of wireless systems in order to solve the tumor issue, coupled

51、with fiber- optic technology gap has been resolved the braids and make it more suitable for practical applications, there has been a constant consideration. with the expansion of the scale of chinas td-scdma network, the smooth implementation of the experiment, td system technology and its applicati

52、on has been further developed and improved, but the td-scdma system, smart antenna and cell tower the size of place too, to the actual construction site selection and increase of a certain degree of difficulty. to this end, the number of units to explore the traditional 8 element array smart antenna

53、s to 6 million, changed into a unipolar dual-polarized, the antenna array by modifying the physical structure or change the arrangement of antenna array, and made some results. however, more or less above the td will affect the performance of the system, or smart antennas to increase the difficulty

54、of manufacture, or the performance of the change is not big enough, from the need to substantially reduce the volume to reach there is a certain gap between expectations. neither can have a impact on system performance while significantly reducing the volume of the existing smart antenna options? of

55、 smart antenna and a higher demand. we will discuss the following, antenna technology media qian. in recent years, the field of media in the wireless device has been widely used, dielectric filters, microwave capacitors, chip multi-layer microwave filters, lc filters, diplexers, function modules, fu

56、nction modules to send and receive switch, balanced - unbalanced converter, coupler, power splitter, such as medium microwave devices is a new type of microwave devices, it is in the miniaturization of microwave systems developed under the impetus of, it is also a wide range of applications. the eme

57、rgence of medium microwave devices has greatly facilitated the miniaturization of microwave components, chip and high-frequency direction of the development process, microwave ceramic devices are also being chip and integrated micro-and even direction. at the same time, ordinary-type medium is a mic

58、rostrip antenna in particular the application of dielectric antenna has been considerable development, media antenna is one of the major advantages of the antenna does not change in performance can be a significant reduction in the size of the antenna can not media smart antenna to replace the exist

59、ing smart antenna so ordinary? and as a result of large-scale application, the material now on the wireless medium electromagnetic, mechanical, physical characteristics, etc. have been the hands of production is also very mature, smart antennas for medium the introduction of the role played good. as

60、 a result of electromagnetic waves in different media are different propagation characteristics, the existence of medium will affect the spread of electromagnetic waves, dielectric antenna applications is the use of these characteristics, dielectric antenna is a high-frequency low-loss dielectric us