智能天线： TD-SCDMA中的智能天线技术

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摘　要：简要介绍了由我国提交并被国际电联接受的第三代移动通信标准TD-SCDMA系统及其特点，详细阐述了智能天线的概念、自适应算法和波束形成方法，深入分析了智能天线在TD-SCDMA系统中的应用以及使用他的有关问题，最后对智能天线的应用前景进行了展望。 　　关键词：第三代移动通信TD-SCDMA智能天线；自适应算法
1　引　言
　　众所周知，移动通信是在20世纪80年代开始发展起来的，是充满生机的一种现代通信业务。在短短的20年间，技术上已经走过了二代的经历，即80年代的第一代模拟技术和90年代的第二代窄带数字技术。近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以CDMA为基础，以宽带化通信为特征的第三代3G技术发展。目前，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有3个，即美国提出的CDMA2000，欧洲和日本提出的WCDMA和我国提出的TD-SCDMA （时分同步的码分多址技术）。他们除了频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求 等共同特点外，还有自身的技术特点。
TD-SCDMA技术是中国在其通信史上第一次提 出并被广泛认可的国际标准，是世界上惟一的TDD模 式的3G标准，将独自享有ITU为TDD模式所分配的3G频率。TD-SCDMA标准所具备的技术优势恰恰符合了中国国情现状发展第三代移动通信的要求，是建设中国3G网络系统的最佳方案。
2 TD-SCDMA系统
大唐电信集团开发的TD-SCDMA系统采用时分 双工（TDD），TDMA／CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天线、多用户检测（JD）、正交可变扩 频系数、Turbo编码技术、CDMA等新技术，工作于2010-2025MHz。TD-SCDMA主要优势有：
　　（1）使用智能天线、多用户检测、CDMA等新技术。
（2）可高效率地满足不对称业务需要。
（3）简化硬件，可降低产品成本和价格。
　　（4）便于利用不对称的频谱资源，频谱利用率大大提高。
（5）可与第二代移动通信系统兼容。
　　该系统基于GSM网络，使用现有的MSC，对BSC只进行软件修改，使用GPRS技术，他可以通过A接口直接连接到现有的GSM移动交换机，支持基本业务，通过Gb接口支持数据包交换业务。
3　智能天线技术
　　自适应天线波束赋形技术在20世纪60年代就开始发展，其研究对象是雷达天线阵，目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而其真正的发展是在90年代初，随着微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，DSP芯片的处理能力日益提高，且价格也逐渐能够为科研和生产所接受，这样也就促进了自适应天线波束赋形技术的发展，但其发展也是从雷达开始的。另外，移动通信频谱资源日益紧张，如何消除多址干扰（MAI）、共信道干扰（CCI）以及多径衰落的影响成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素。而用现代数字信号处理技术，选择合适的自适应算法，动态形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的。因此，固定的天线阵列与数字信号处理器的结合，就构成了可以动态配置天线特性的智能天线，所以到90年代中期，在美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。在1997年，北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统，美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。以上是最先商用化的智能天线系统，同时，在国内外众多大学和研究机构内也广泛研究了多种智能天线的波束形成算法和实现方案。
3．1　智能天线的概念
　　智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络（结构上与时域FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。
　　智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA），智能天线引入第4种多址方式：空分多址（SDMA）。即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分一码分多址（SD-CDMA）。智能天线与传统天线概念有本质的区别，其理论支撑是信号统计检测与估计理论、信号 处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。
3．2　智能天线的自适应算法
　　自适应算法是智能天线研究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类。
　　（1）非盲算法　是指需要借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE（最小均方误差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。
　　（2）盲算法　无需发端传送已知的导频信号，他一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模、子空间、有限符号集、循环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。
　　非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源。将二者结合产生一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做可综合二者的优点，同时也与实际的通信系统相一致，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。
3．3　智能天线的波束形成
　　波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳组合与分配。具体说，波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落与失真，同时降低用户间的共信道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束形成，即数字波束形成（DBF）天线，从而可以使用软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性。DBF对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束，主波束对准期望用户方向，而将波束零点对准干扰方向。根据波束形成的不同过程，实现智能天线的方式又分为两种：阵元空间处理方式和波束空间处理方式。
　　（1）阵元空间处理方式　直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各个阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。
　　（2）波束空间处理方式　这是当前自适应阵列处理技术的发展方向。他实际上是两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波速率；第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理。这种结构的特点是计算量小，收敛快，并且具有良好的波束赋形性能。　　
4　智能天线在TD-SCDMA中的应用
　　智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵，阵元间距1／2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长）。智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向（即DOA估计），并在此方向形成天线主波束，他根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道，等同于有线传输时的线缆，从而可以有效的抑制干扰。
　　考虑到软件无线电系统要求在中频进行采样，然后用软件完成中频处理。每秒几十兆的采样速率要求DSP必须有足够快的速度完成操作。但是粗略的计算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用软件实现下变频功能还是不现实的，因为DSP只能完成基带处理的功能。一个比较实用的方案是采用专业的可编程逻辑器件来完成高速的滤波和处理，以减轻DSP的压力。由于实时处理时对处理速度的需求很高，仅靠单DSP系统性能的提高已经不能满足要求。而并行通用浮点DSP将片间并行功能集成在单片DSP内部，可以获得很高的并行处理能力和并行效率，因此在实际系统中都是采用并行DSP阵列来提高处理能力。理论上，N个DSP并行可以提供N倍的处理能力，但在实际系统中必须在算法设计上付出很大的代价。一个好的算法应该能够尽量并行而且适合多个DSP同时实现，同时还要使得处理器之间的数据交换应尽可能少和尽可能快。
　　智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性TD-SCDMA智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高　　移动通信系统的频谱效率。具体而言TD-SCDMA 统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的，直径为25 cm。同全方向天线相比，他可获得8 dB的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。
　　由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在每一独立的方向上，系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP控制用户的方向测量使上述要求可以实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量，在TD-SCDMA系统中，由于无线子帧的长度是5 ms，则至少每秒可测量200次，每个用户的上下行传输发生在相同的方向，通过智能天线的方向性和跟踪性，可获得其最佳的性能。
　　TDD模式的TD-SCDMA的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此在上行和下行2个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的，使得智能天线能将小区间干扰降至最低，从而获得最佳的系统性能。
　　通过智能天线获得的较高的频谱利用率，使高业务密度城市和城区所要求的基站数量相应地变得较低。此外，在业务量稀少的乡村，智能天线的方向性可使无线覆盖范围增加1倍。无线覆盖范围的增长使得在主要业务覆盖的宽广地区所需的基站数量降至通常情况的1／4。
5　使用智能天线的有关问题
　　智能天线的主要作用是：降低多址干扰，提高CDMA系统容量，增加接收灵敏度和发射EIRP；但是智能天线所不能克服的问题如：时延超过码片宽度的多径干扰，多普勒效应（高速移动）。因而，在移动通信系统中，智能天线必须和其他信号处理技术同时使用。
　　智能天线技术对无线通信，特别是CDMA系统的性能提高和成本下降都有巨大的好处。但是，在将智能天线用于CDMA系统时，必将考虑所带来的问题，并在标准和产品设计上解决这些问题。
（1）全向波束和赋形波束
　　上述智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的。而且，接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。在移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能是非常直接的；但在用户没有发射、仅处于接收状态下，又是在基站的覆盖区域内移动时（空闲状态），基站不可能知道该用户所处的方位，只能使用全向波束进行发射（如系统中的Pilot、同步、广播、寻呼等物理信道）。一个全向覆盖的基站，其不同码道的发射波束是不同的，即基站必须能提供全向和定向的赋形波束，这样一来，对全向信道来说，将要求高得多的发射功率（最大可能为比专用信道高10 lg NdB），这是系统设计时所必须考虑的。
（2）共享下行信道及不连续发射
　　在提供IP型数据业务的移动通信系统中，均设计89了多用户共享的上下行信道并在基站和用户终端使用不连续发射技术。在使用智能天线的基站中，由于用户移动，基站不可能知道用户的位置，故一般只能采用全向下行波束。此外，也可以增加一次接入过程，对每个用户进行定向发射。这两种方式各有优点，均可使用。
（3）智能天线的校准
　　在使用智能天线时，必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理，直接利用上行波束赋形系数来进行下行波束赋形。但对实际无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的，而且，其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准，则下行波束赋形将受严重影响。这样，不仅得不到智能天线的优势，甚至完全不能通信。
　　（4）帧结构及有关物理层技术
使用智能天线，对移动通信系统的物理层技术并不提出特别的要求。而且，基本的物理层技术，如调制解调、扩频、信道编码、交织、纠错、数据复接等，与不使用智能天线是完全一样的。但是使用了智能天线，可以将物理层的效率设计得更高。例如在TDSCDMA建议的系统中，使用了同步CDMA技术，简化了接收机；在物理层时隙设计中使用了特定的上下行Pilot时隙，减少了小区搜索及随机接入时的干扰等，都使智能天线的功能得以充分发挥。
（5）智能天线和其他抗干扰技术的结合
　　目前，在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。这样，实用的智能天线算法还不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰，也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，必须将智能天线和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测（Jointdetection）、干扰抵消及Rake接收等。目前，智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法，而和Rake接收机的结合算法还在研究中。
（6）波束赋形的速度问题
　　必须注意的是，由于用户终端的移动性，移动通信是一个时变的信道，智能天线是由接收信号来对上下行波束赋形，故要求TDD的周期不能太长。例如当用户终端的移动速度达到100 km／h时，其多普勒频移 接近200 Hz，用户终端在10 ms内的位置变化达到28 cm，在2 GHz频段已超过一个波长，对下行波束赋形将带来巨大的误差。故希望将TDD周期至少缩短一半，使收发之间的间隔控制在2～3 ms内，以保证智能天线的正常工作。如果要求此系统的终端能以更高的速度移动，则TDD上下行转换周期还要进一步缩短。
（7）设备复杂性的考虑
　　显然，智能天线的性能将随着天线阵元数目的增加而增加。但是增加天线阵元的数量，又将增加系统的复杂性。此复杂性主要是基带数字信号处理的量将成几何级数递增。现在，CDMA系统在向宽带方向发展，码片速率已经很高，基带处理的复杂性已对微电子技术提出了越来越高的要求，这就限制了天线元的数量不可能太多。按目前的水平，天线元的数量在6～16之间。
6　结　语
　　中智能天线的应用是高经济系统设计的重要部分，可降低运营商投资和提高其经济收益。智能天线技术带给第三代移动通信系统的优势是其他技术都难以取代的，但是随着他的应用也会产生一些新的问题。而且智能天线技术未来将向着数字化、集成化，适合宽带高速传输并能抑制更多个干扰的方向发展。智能天线技术不仅可以使用在TDD系统中，也完全可以使用到FDD系统中，目前，国际上已经将智能天线技术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向之一。所以，带有智能天线、联合检测和具有对称和非对称业务的自适应无线资源分配能力的TDSCDMA技术的先进设计是迈向个人通信的重要的一步。

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