第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA中的智能天線技術

1 引 言
    眾所周知，移動通信是在20世紀80年代開始發(fā)展起來的，是充滿生機的一種現(xiàn)代通信業(yè)務。在短短的20年間，技術上已經(jīng)走過了二代的經(jīng)歷，即80年代的第一代模擬技術和90年代的第二代窄帶數(shù)字技術。近些年來，隨著無線通信寬帶化技術的突破，移動通信正在向以CDMA為基礎，以寬帶化通信為特征的第三代3G技術發(fā)展。目前，國際電聯(lián)接受的第三代移動通信系統(tǒng)標準主要有3個，即美國提出的CDMA2000，歐洲和日本提出的WCDMA和我國提出的TD-SCDMA(時分同步的碼分多址技術)。他們除了頻譜利用率高、覆蓋范圍廣、性能好、可以適應寬帶多媒體通信要求等共同特點外，還有自身的技術特點。 TD-SCDMA技術是中國在其通信史上第一次提出并被廣泛認可的國際標準，是世界上惟一的TDD模式的3G標準，將獨自享有ITU為TDD模式所分配的3G頻率。TD-SCDMA標準所具備的技術優(yōu)勢恰恰符合了中國國情現(xiàn)狀發(fā)展第三代移動通信的要求，是建設中國3G網(wǎng)絡系統(tǒng)的最佳方案。
    2 TD-SCDMA系統(tǒng)
    大唐電信集團開發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)，TDMA／CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天線、多用戶檢測(JD)、正交可變擴頻系數(shù)、Turbo編碼技術、CDMA等新技術，工作于2 010～2 025 MHz。TD-SCDMA的主要優(yōu)勢有：
(1)使用智能天線、多用戶檢測、CDMA等新技術。
(2)可高效率地滿足不對稱業(yè)務需要。
(3)簡化硬件，可降低產品成本和價格。
(4)便于利用不對稱的頻譜資源，頻譜利用率大大提高。
(5)可與第二代移動通信系統(tǒng)兼容。
    該系統(tǒng)基于GSM網(wǎng)絡，使用現(xiàn)有的MSC，對BSC只進行軟件修改，使用GPRS技術，他可以通過A接口直接連接到現(xiàn)有的GSM移動交換機，支持基本業(yè)務，通過Gb接口支持數(shù)據(jù)包交換業(yè)務。
    3 智能天線技術
    自適應天線波束賦形技術在20世紀60年代就開始發(fā)展，其研究對象是雷達天線陣，目的是提高雷達的性能和電子對抗的能力。而其真正的發(fā)展是在90年代初，隨著微計算器和數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價格也逐漸能夠為科研和生產所接受，這樣也就促進了自適應天線波束賦形技術的發(fā)展，但其發(fā)展也是從雷達開始的。另外，移動通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾(MAI)、共信道干擾(CCI)以及多徑衰落的影響成為提高移動通信系統(tǒng)性能時要考慮的主要因素。而用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，選擇合適的自適應算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而達到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度的抑制干擾信號的目的。因此，固定的天線陣列與數(shù)字信號處理器的結合，就構成了可以動態(tài)配置天線特性的智能天線，所以到90年代中期，在美國和中國開始考慮將智能天線技術使用于無線通信系統(tǒng)。在1997年，北京信威通信技術公司開發(fā)成功使用智能天線技術的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)，美國Redcom公司則在時分多址的PHS系統(tǒng)中實現(xiàn)了智能天線。以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)，同時，在國內外眾多大學和研究機構內也廣泛研究了多種智能天線的波束形成算法和實現(xiàn)方案。
    3．1 智能天線的概念
    智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數(shù)加權器，最后用相加器進行合并輸出。這種結構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構上相對復雜些，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網(wǎng)絡(結構上與時域FIR均衡器相同)。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應算法進行自適應更新調整。
    智能天線的基本思想是：天線以多個高增益窄波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶，接收模式下，來自窄波束之外的信號被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)，智能天線引入第4種多址方式：空分多址(SDMA)。即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全兼容，從而可實現(xiàn)組合的多址方式，例如空分一碼分多址(SD-CDMA)。智能天線與傳統(tǒng)天線概念有本質的區(qū)別，其理論支撐是信號統(tǒng)計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論，其技術基礎是自適應天線和高分辨陣列信號處理。
    3．2 智能天線的自適應算法
    自適應算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。
    (1)非盲算法 是指需要借助參考信號(導頻序列或導頻信道)的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，按一定準則確定或逐漸調整權值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。
    (2)盲算法 無需發(fā)端傳送已知的導頻信號，他一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等，并調整權值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。 非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統(tǒng)資源。將二者結合產生一種半盲算法，即先用非
盲算法確定初始權值，再用盲算法進行跟蹤和調整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點，同時也與實際的通信系統(tǒng)相一致，因為通常導頻符不會時時發(fā)送而是與對應的業(yè)務信道時分復用的。
     3．3 智能天線的波束形成
     波束賦形的目標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標，形成對基帶信號的最佳組合與分配。具體說，波束賦形的主要任務就是補償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應等引起的信號衰落與失真，同時降低用戶間的共信道干擾。智能天線均采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束形成，即數(shù)字波束形成(DBF)天線，從而可以使用軟件設計完成自適應算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。DBF對陣元接收信號進行加權求和處理形成天線波束，主波束對準期望用戶方向，而將波束零點對準干擾方向。根據(jù)波束形成的不同過程，實現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。
    (1)陣元空間處理方式 直接對各陣元按收信號采樣進行加權求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向。由于各個陣元均參與自適應加權調整，這種方式屬于全自適應陣列處理。
    (2)波束空間處理方式 這是當前自適應陣列處理技術的發(fā)展方向。他實際上是兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定加權求和，形成多個指向不同方向的波速率；第二級對第一級的波束輸出進行自適應加權調整后合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權系數(shù)作自適應處理，而是僅對其中的部分陣元作自適應處理，因此，屬于部分自適應陣列處理。這種結構的特點是計算量小，收斂快，并且具有良好的波束賦形性能。
    4 智能天線在TD-SCDMA中的應用
    智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距l(xiāng)／2波長(若陣元間距過大會使接收信號彼此相關程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長)。智能天線采用數(shù)字信號處理技術判斷用戶信號到達方向(即DOA估計)，并在此方向形成天線主波束，他根據(jù)用戶信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道，等同于有線傳輸時的線纜，從而可以有效的抑制干擾。
    考慮到軟件無線電系統(tǒng)要求在中頻進行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實的，因為DSP只能完成基帶處理的功能。一個比較實用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實時處理時對處理速度的需求很高，僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點DSP將片間并行功能集成在單片DSP內部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來提高處理能力。理論上，N個DSP并行可以提供N倍的處理能力，但在實際系統(tǒng)中必須在算法設計上付出很大的代價。一個好的算法應該能夠盡量并行而且適合多個DSP同時實現(xiàn)，同時還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應盡可能少和盡可能快。
    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。TD-SCDMA智能天線的高效率是基于上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。具體而言，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，他可獲得8dB的增益。其原理是使一組天線和對應的收發(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生強方向性的輻射方向圖，使用DSP方法使主瓣自適應地指向移動臺方向，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用，使頻譜效率得以顯著地提高。
    由于每個用戶在小區(qū)內的位置都是不同的。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，每個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)間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。
    通過智能天線獲得的較高的頻譜利用率，使高業(yè)務密度城市和城區(qū)所要求的基站數(shù)量相應地變得較低。此外，在業(yè)務量稀少的鄉(xiāng)村，智能天線的方向性可使無線覆蓋范圍增加1倍。無線覆蓋范圍的增長使得在主要業(yè)務覆蓋的寬廣地區(qū)所需的基站數(shù)量降至通常情況的1／4。
    5 使用智能天線的有關問題
    智能天線的主要作用是：降低多址干擾，提高CDMA系統(tǒng)容量，增加接收靈敏度和發(fā)射EIRP；但是智能天線所不能克服的問題如：時延超過碼片寬度的多徑干擾，多普勒效應(高速移動)。因而，在移動通信系統(tǒng)中，智能天線必須和其他信號處理技術同時使用。
    智能天線技術對無線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統(tǒng)時，必將考慮所帶來的問題，并在標準和產品設計上解決這些問題。
    (1)全向波束和賦形波束
& nbsp;   上述智能天線的功能主要是由自適應的發(fā)射和接收波束賦形來實現(xiàn)的。而且，接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結構、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在基站的覆蓋區(qū)域內移動時(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發(fā)射(如系統(tǒng)中的Pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一個全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束，這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率(最大可
能為比專用信道高101gNdB)，這是系統(tǒng)設計時所必須考慮的。
    (2)共享下行信道及不連續(xù)發(fā)射
    在提供IP型數(shù)據(jù)業(yè)務的移動通信系統(tǒng)中，均設計了多用戶共享的上下行信道并在基站和用戶終端使用不連續(xù)發(fā)射技術。在使用智能天線的基站中，由于用戶移動，基站不可能知道用戶的位置，故一般只能采用全向下行波束。此外，也可以增加一次接人過程，對每個用戶進行定向發(fā)射。這兩種方式各有優(yōu)點，均可使用。
    (3)智能天線的校準
    在使用智能天線時，必須具有對智能天線進行實時自動校準的技術。在TDD系統(tǒng)中使用智能天線時是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進行下行波束賦形。但對實際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時期、工作電子和環(huán)境條件等因素變化。如果不進行實時自動校準，則下行波束賦形將受嚴重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。
    (4)幀結構及有關物理層技術
    使用智能天線，對移動通信系統(tǒng)的物理層技術并不提出特別的要求。而且，基本的物理層技術，如調制解調、擴頻、信道編碼、交織、糾錯、數(shù)據(jù)復接等，與不使用智能天線是完全一樣的。但是使用了智能天線，可以將物理層的效率設計得更高。例如在TD-SCDMA建議的系統(tǒng)中，使用了同步CDMA技術，簡化了接收機；在物理層時隙設計中使用了特定的上下行Pilot時隙，減少了小區(qū)搜索及隨機接人時的干擾等，都使智能天線的功能得以充分發(fā)揮。
    (5)智能天線和其他抗干擾技術的結合
    目前，在智能天線算法的復雜性和實時實現(xiàn)的可能性之間必須進行折中。這樣，實用的智能天線算法還不能解決時延超過一個碼片寬度的多徑干擾，也無法克服高速移動多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術結合使用，才可能達到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術包括聯(lián)合檢測(Jointdetection)、干擾抵消及Rake接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結合已有實用的算法，而和Rake接收機的結合算法還在研究中。
    (6)波束賦形的速度問題
    必須注意的是，由于用戶終端的移動性，移動通信是一個時變的信道，智能天線是由接收信號來對上下行波束賦形，故要求TDD的周期不能太長。例如當用戶終端的移動速度達到100km／h時，其多普勒頻移接近200 Hz，用戶終端在10ms內的位置變化達到28cm，在2GHz頻段已超過一個波長，對下行波束賦形將帶來巨大的誤差。故希望將TDD周期至少縮短一半，使收發(fā)之間的間隔控制在2～3ms內，以保證智能天線的正常工作。如果要求此系統(tǒng)的終端能以更高的速度移動，則TDD上下行轉換周期還要進一步縮短。  
     (7)設備復雜性的考慮
    顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復雜性。此復雜性主要是基帶數(shù)字信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增�，F(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向寬帶方向發(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復雜性已對微電子技術提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6～16之間。
    6 結 語
    TD-SCDMA中智能天線的應用是高經(jīng)濟系統(tǒng)設計的重要部分，可降低運營商投資和提高其經(jīng)濟收益。智能天線技術帶給第三代移動通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是其他技術都難以取代的，但是隨著他的應用也會產生一些新的問題。而且智能天線技術未來將向著數(shù)字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個干擾的方向發(fā)展。智能天線技術不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中，也完全可以使用到FDD系統(tǒng)中，目前，國際上已經(jīng)將智能天線技術作為三代以后移動通信技術發(fā)展的主要方向之一。所以，帶有智能天線、聯(lián)合檢測和具有對稱和非對稱業(yè)務的自適應無線資源分配能力的TD-SCDMA技術的先進設計是邁向個人通信的重要的一步。
(西安科技大學通信工程系 陜西西安 710043)