毕业设计（论文）-智能天线的发展及在TD-SCDMA中的应用.doc

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1、目目 录录 摘要摘要1 1 ABSTRACT 2 2 第一章第一章 智能天线简介智能天线简介3 3 1.1 引言 .3 1.2 智能天线的提出及基本概念 .4 1.3 智能天线的分类及特点 .5 1.4 智能天线的组成 .5 第二章第二章 智能天线的基本机构和工作原理智能天线的基本机构和工作原理6 6 2.1 基本结构 .6 2.2 工作原理 .6 2.3 智能天线的发展阶段 .7 第三章第三章 智能天线的关键技术智能天线的关键技术8 8 3.1 智能化接收技术 .8 3.2 智能化发射技术 .8 3.3 动态信道分配 .9 3.4 下一代移动通信中的时空多用户检测技术 .9 第四章第四章 智

2、能天线的用途及应用前景智能天线的用途及应用前景1010 4.1 智能天线用途 10 4.2 智能天线在 3G 中的应用前景 .11 4.3 第三代移动通信系统之 TD-SCDMA 11 4.3.1 技术概述 .12 4.3.2 系统结构 .12 4.3.3 关键技术 .12 4.4 智能天线在 TD-SCDMA 系统中的应用 14 第五章第五章 结束语结束语1515 参考文献参考文献1616 附录：附录：1717 谢谢 词词2121 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 1 摘要摘要 随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信 技术引起人们极大关注。如何消除同

3、信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落 的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能天线利用 数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束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，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑 制干扰信号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能天线技术 在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。我国提交的第三代 移动通信标准 TD-SCDMA 系统的关键技术之一就是智能天线技术，论文详细介绍 了智能天线的历史及其发展，深入分析了智能天线在 TD-SCDMA 中的应用，最后 对智能天线的应用进行了展望

4、。 关键词关键词：TD-SCDMA、智能天线 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 2 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), m

5、ulti-access interference (MAI) and multipath 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 ante

6、nna at the user direction of arrival signal, 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

7、 antenna technology in mobile communication 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 hist

8、ory of smart antennas and their development, in-depth analysis of smart antenna in TD-SCDMA application, the last of the smart antenna outlook application. Key words: TD-SCDMA、 smart antennas 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 3 第一章第一章 智能天线简介智能天线简介 1.11.1 引言引言 随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行， 有限的频谱资源面对着越来越高的容

9、量需求的压力。对于第二代移动通信系统 GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已 经很小，而目前作为应用研究重点的 3G 以及它的业务模式无疑将对网络容量有 更高的要求。高速的数据业务将作为 3G 网络服务的一个主要特点，这使得网络 数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在 3G 系统中实现与第 二代系统明显的差别服务，充分体现 3G 系统在业务能力上的优势，网络容量将 是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提 高网络容量最有效的方法之一，尤其对于 3G 中以自干扰为主要干扰形式的通信 系统。 天线方向图的增益特性能够根据

10、信号情况实时进行自适应变化的天线称为智 能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理 和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的 研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向 图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性（见图）： 如图所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用 相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互 间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置 的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有

11、用信号、最小化干扰信号， 在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于 在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高系统的容量以 及与之相关的目录。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 4 1.21.2 智能天线的提出及基本概念智能天线的提出及基本概念 （1）智能天线的提出 智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的，是通信 系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。它利用信号传输 的空间特性，从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号，从而控制天线 阵的方向图，达到增强所需信号、抑制干扰信号的目的；同时它还能

12、根据所需信 号和干扰信号位置及入射角度的变化，自动调整天线阵的方向图，实现智能跟踪 环境变化和用户移动的目的，达到最佳收发信号，实现动态“空间滤波”的效果。 采用智能天线的目的主要有以下 3 点： a）通过提供最佳增益来增强接收信号。 b）通过控制天线零点来抑制干扰。 c）利用空间信息增大信道容量。 （2）智能天线的基本概念 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。 智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使 天线主波束对准用户信号到达方向 DOA(Direct

13、ion of Arrival)，旁瓣或零陷对 准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的 目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列 天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线 电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能 天线可满足服务质量和网络扩容的需要。 1.31.3 智能天线的分类及特点智能天线的分类及特点 智能天线主要包含两类：开关波束系统和自适应阵列系统。两者中，只有自 适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时，识别、跟踪和最小化干扰 信号。 1.多波束天线 多波束天

14、线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的， 波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波 束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位 于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实 现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天 线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。 2.自适应天线 自适应天线阵列一般采用 416 天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方 式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号 接收和发送。自适应天线

15、阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方 向形成天线主波束。 1.41.4 智能天线的组成智能天线的组成 智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得 到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 5 能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关 于发送信号接收情况的反馈信息。 由于移动通信中无线信号的复杂性，所以这种根据通信情况实时调整天线特 性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有 很高的要求。这决定了智能天线的发展是一个

16、分阶段的、逐步完善的过程。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 6 第二章第二章 智能天线的基本机构和工作原理智能天线的基本机构和工作原理 2.12.1 基本结构基本结构 顾名思义自适应天线阵由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器 （即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，而在相控 阵雷达中只有相位可调） ，最后用相加器进行合并，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（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恰当改变和自适应

17、调整。上面介绍的是 智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变化，加权器或加 权网络置于天线之前，也没有相加合并器。 2.22.2 工作原理工作原理 假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有 相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度 差决定。若入射信号为平面波（只有一个入射方向） ，则这些相位差由载波波长、 入射角度、天线位置分布唯一确定。给出一组加权值，一定的入射信号强度，不 同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并器后的输出信号强度也会不 同。 以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益（dB）为纵坐标所作的图被称

18、为方向图（天线术语） ，智能天线的方向图不同于全向（omni）天线（理想时为 一直线） ，而更接近方向（directional）天线的方向图，即有主瓣（main lobe） 、 副瓣（side lobe）等，但相比而言智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主， 副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益（天线术语，天线的一项重要指标，是 最强大向的增益与各方向平均增益之比） ，另外和固定天线的最大区别是：不同 的权值通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图。 2.32.3 智能天线的发展阶段智能天线的发展阶段 目前通常将这种过程分为以下三个阶段（见图 3） 第一阶段：开关波束转换。在

19、天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号 的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 7 效信号，降低发送和接收过程中的干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天 线之间，实现运算较为简单，但是性能也比较有限。 第二阶段：自适应（最强）信号方向。根据接收信号的最强到达方向，自适 应地调整天线阵列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态 自适应波束成形的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但 是还未达到最优的状态。 第三阶段：自适应最佳通信方式。根据得到的通信情况的信息，实时地调整 天线阵列

20、的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性， 保持最佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提 高系统无线频谱的利用率。但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步 探寻各种实际情况下的最佳算法。 目前，对于智能天线的应用主要集中在第二阶段附近，并且由于移动通信的 迅速发展，使得智能天线技术在包括 3G 的应用中受到广泛的重视，解决智能天 线在实际应用中的各种问题，以及寻求更加“智能”的自适应算法和实现方案是 目前工作的重点和主要内容。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 8 第三章第三章 智能天线的智能天线的关键技术关键技术 智能天线在移

21、动通信中的应用分为移动台和基站，本部分仅讨论智能天线应 用于基站的实现技术，其中智能化发射技术、接收技术和动态信道分配是 3 项关 键的技术。 3.13.1 智能化接收技术智能化接收技术 应用智能天线 CDMA 系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的 多址干扰（MAI）和多径信道带来的码间干扰（ISI）会使到达基站的用户信号产 生畸变，所以必须采用信道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复（即 多用户检测 MUD） 。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。 另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位 置信息的参量，如入射角（DOA） 、空域特征（SS

22、，Spatial Signature）等，它 们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。目前，完成智能化接收的方 法主要有基于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。前一类 方法又分子空间方法和基于参数估计准则的方法两大类。后一类方法主要利用信 号的时域信息和先验特征进行空域处理。 3.23.2 智能化发射技术智能化发射技术 在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量的要求，发射信号功率一定要动 态控制，在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下（各小区干扰基 本稳定） ，满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。 智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站

23、发给它的下 行信号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于 反馈和基于上行链路参数估计两种方法。前一种方法是基站通过移动台返回基站 的训练信号，估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。基于上行链路参量 估计的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行 信号的估计，确定下行链路的波束形成方案。TD-SCDMA 采用后一种方法。 在时分双工（TDD）系统中，上、下行链路使用同一载波频率，在信道特征 变化相对较慢的情况下，可以近似认为上、下行链路的信道特征相同，可使用对 上行信道的估计设置下行链路参数。在频分双工（FDD）系统中，由于上、下行 链路载频

24、不同，上、下行链路的信道特性差异很大，要分别估计上、下行链路特 征，所以在 FDD 系统中使用智能天线比在 TDD 系统中使用要复杂得多，这也是 TDD 系统较 FDD 系统的优势所在。 3.33.3 动态信道分配动态信道分配 通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。在空分 信道引入系统后，空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。 后三种信道分配技术是确定性的，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道 分配不同。在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用 户，可分享同一时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题， 且随着用户空间

25、位置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动 态分配。空分信道分配必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 9 高效算法，以适应用户的移动性。对于 CDMA 系统，由于其容量是软容量，信道 分配相对简单。智能天线本身具有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制 技术。同时基站间的越区切换也将更为灵活。 3.43.4 下一代移动通信中的时空多用户检测技术下一代移动通信中的时空多用户检测技术 一代移动通信系统中，多用户检测（MUD）是一项关键技术。MUD 利用多址干 扰的信号结构特征，对所有的激活用户进行联合估计，可以明确估计出

26、期望用户 的多址干扰，从而抑制多用户干扰，从本质上解决远近问题（Near Far Problem） 。然而多址干扰和无线信道具有明显的空间结构特征，如果采用智能天 线技术，将为干扰抑制提供新的维度。智能天线引入移动通信系统基站后，可以 实现对移动用户的定向发射和定向接收，能从空域上消除大量的多用户干扰，并 能减轻多径效应。因此，利用时空多用户检测技术进行干扰抑制，将进一步提高 系统性能。 时域信息和空域信息的结合有级联和联合两种方式。在时空级联处理方法中， 空间滤波器用来去除未被多用户检测器去除的多址干扰，能在一定程度上改善接 收效果，但不能应用于过载情况。时空联合处理方法将空域特征和时域特征

27、等同 看待，与传统的时域多用户检测器相比增加了等效处理增益，提高了用户特征之 间的正交性，从而改善了接收机性能，且可以应用于过载系统中。因此，基于时 空联合处理方法性能优于级联处理方法，但是其运算量大。 在我国提出的第三代移动通信标准TD-SCDMA 中实现了智能天线和联合检 测（JD：Joint Detection）技术的有机结合。由于上行链路和下行链路具有相 似的信道特性，所以 TD-SCDMA 系统能够把上行链路联合检测过程中获得的冲击 响应估计值应用于下行链路，用类似于最大功率合成的方法实现下行智能天线自 适应波束赋形算法，这是 TD-SCDMA 系统智能天线算法的独特之处。 联合检测

28、算法可以分为 3 类：非线性算法、判决反馈算法、线性算法。非线 性算法主要有最大似然序列估计（MLSE） ，该算法极度复杂，在要求实时性的移 动通信系统中难以应用。判决反馈算法是在线性算法基础上经过一定的扩展得到， 有迫零判决反馈均衡器算法（ZFBDFE）和最小均方误差判决反馈均衡器算法 （MMSENDFE） ，它们的计算复杂度较大。实际应用中，常采用线性算法。其原 理是先用线性块均衡器对接收信号进行检测，得到个用户发送符号的连续值 估计，然后用个量化器对这些连续值估计进行量化，就可得到对用户发送符号 的离散值估计。 基于时空二维处理的智能天线和多用户检测相结合，是一种优势互补的组合。 在看到

29、时空二维多用户检测器的巨大容量潜力的同时，也应该看到其优良的性能 是以巨大的运算量为代价的。运算量大是时空二维多用户检测器实用化的主要障 碍。研究快速算法将是今后时空二维多用户检测器研究工作的一个重点。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 10 第四章第四章 智能天线的用途及应用前景智能天线的用途及应用前景 移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰 ISI（Inter-Symbol Interference）、FDMA、TDMA 系统（如 GSM）由于频率复用 引入的同信道干扰（CCI，Co-Channel Interference）、CDMA 系统中的多址干

30、扰 （MAI,Multiple Access Interference）等都使链路性能、系统容量下降，我们 熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE 接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小 它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时 延样本（delay version）和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域（入 射角 DOA，Direction Of Arrival）也存在差异，分集天线（antenna diversity）、特别是扇形天线（sector antenna）可看作是对这部分资源的初 步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。 4.14.1 智能天

31、线用途智能天线用途 智能天线是一种升缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约 投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号 在到达 BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损 耗（path loss），为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的 发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功 率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增 益比用单天线容易。 而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩 小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的

32、方法是小区分裂和扇 区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的 CCI 和 MAI 较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入 射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对 准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大 比例地降低频率复用因子（比如在 GSM 中使复用因子 3 成为可能），和同时支持 更多用户（CDMA 中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的 扇形天线。 智能天线的又一个好处是可减小多径效应，CDMA 中利用 RAKE 接收机可对时 延差大于一个码片的多径进行分离

33、和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可 分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。 采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、 码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异 外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统， 即是一种广泛适用的系统。 智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度， 因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。 4.24.2 智能天线在智能天线在 3G3G 中的应用前景中的应用前景 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用

34、11 3G 普遍采用基于 CDMA 的多址接入技术，依靠码字之间的正交性来区分不同 的用户，因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、TDD 系统中 的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。同时，在理论 分析的基础上，大量的仿真和现场试验结果也证明了：在 3G 通信系统中，网内 干扰将超过系统固有的热噪声，成为制约系统性能的主要因素。在干扰和容量这 一对矛盾的基础上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已 经得到共识，成为 3G 网络规划和运营的主要特点。 在业务特性上，3G 以高速的数据业务、视频电话和能力得到增强的增值业务 作为其对 2G 系统形成

35、服务优势的主要手段，这必然使得 3G 具有大得多的网络流 量。但是与 2G 系统一样，它的容量同样受到空中频谱资源的限制。我们注意到， 理论上在相同条件下，CDMA 并不比 FDMA 或者是 TDMA 具有更大的频谱利用率。因 此，为了能够真正体现 3G 系统在业务能力上的优势，必须使用新技术使频谱利 用率得到质的提高，智能天线技术正是目前被认为是能够实现这一目标的最有效 的方法之一。它通过增加系统 SDMA（空分多址）的能力，能够有效地缓解 3G 系 统中容量与网内干扰之间的矛盾，很大程度地提高系统对空中无线频谱资源的利 用能力。 我国提出的 TD-SCDMA 标准，由于其空中接口采用 TD

36、D 的双工方式，通信的 上下行信道使用相同的频率，因此以很短的时隙间隔、相互交错的上下行信道之 间具有较强的相关性，这样比较容易根据上行信道的接收情况对下行信道的发送 特性进行准确的调整，因此 TD-SCDMA 成为 3G 标准中最方便于使用智能天线的一 个技术，并且已经进行了标准化，将智能天线作为其主要的关键技术之一。 4.34.3 第三代移动通信系统之第三代移动通信系统之 TD-SCDMATD-SCDMA TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA）意为时分同步码分多址，集 CDMA、TDMA、FDMA 及 SDMA 多种多址方式于一体，采用了智能天线、

37、软件无线电、 联合检测、接力切换、下行包交换高速数据传输等一系列高新技术，具有频谱利 用率高、系统容量大、适合开展数据业务、系统成本低、符合移动技术发展方向 等突出优势。特别适合于为城市人口密集区提供高密度、大容量的话音、数据和 多媒体业务。系统可单独组网运营也可与其他无线接入技术配合使用。 4.3.14.3.1 技术概述技术概述 它的目标是要建立一个具有高频谱效率和高经济效率的先进的移动通信系统。 其基本技术特性之一是在 TDD 模式下，采用在周期性重复的时间帧里传输基本的 TDMA 突发脉冲的工作模式（和 GSM 相同） ，通过同期性地转换传输方向，在同一 个载波上交替地进行上下行链路传输

38、。这个方案的优势在于上下行链路间的转换 点的位置可以因业务的不同而任意调整。当进行业务对称传输时，可选用对称的 站换点位置；当进行非对称业务传输时，可在非对称的转换点位置范围内选择。 这样，对于上述两种业务，TDD 模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。 此外，针对不同性质的业务，TD-SCDMA 既可以在每个突发脉冲基础上利用 CDMA 和多用户检测技术进行多用户传输从而提高速率为 8384kb/s 的话音和多 媒体业务，也可以不进行信号的扩频从而提供高速数据传输，如移动因特网的高 速数据业务。在基站收发信台（BTS）和用户终端（UE）中的业务模式转换是通 过数字信号处理软件（DSP-S

39、W）实现的。这一方法为实现软件无线电奠定了基础。 总体来看，TD-SCDMA 无线传输方案是 FDMA、TDMA 和 CDMA 三种基础传输模式 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 12 的灵活结合。这种结合首先是通过多用户检测技术使得 TD-SCDMA 的传输容量显 著增长，而传输容量的进一步增长则是通过采用智能天线技术获得的。智能天线 的定向性降低了小区间干扰，从而使更为密集的频谱复用成为可能。另外，为减 少运营商的投资，无线传输模式的设计目标一是提高每个小区的数据吞吐量，另 一个是减少小型基站数量已获得高收发器效率。TD-SCDMA 在实现这一目标方面也 较为理想。 4.3.

40、24.3.2 系统结构系统结构 TD-SCDMA 系统的设计集 FDMA、TDMA、CDMA 和 SDMA 技术为一体，并考虑在当 前中国和世界上大多数国家广泛采用 GSM 第二代移动通信的客观实际，他能够由 GSM 平滑过渡到 3G 系统。TD-SCDMA 系统的功能模块主要包括：用户端设备（UE） 、 基站（BTS） 、基站控制器（BSC）和核心网。在建网初期，还系统的 IP 业务通过 GPRS 网关支持节点（GGSN）接入到 X.25 分组交换机，话音和 ISDN 业务使用原来 GSM 的移动交换机。待基于 IP 的 3G 核心网建成后，将过渡到完全的 TD-SCDMA 第 三代移动通信

41、系统。 4.3.34.3.3 关键技术关键技术 1.TD-SCDMA 系统应用的关键技术： （1）智能天线 TD-SCDMA 系统的智能天线是由 8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为 25cm。同全方向天线相比，它可获得 8dB 的增益。采用智能天线后，应用波束赋 形技术显著提高了基站的接收灵敏度和发射功率，大大降低了系统内部的干扰和 相邻小区间的干扰，从而使系统容量扩大 1 倍以上。同时，还可以使业务高密度 市区和郊区所需基站数目减少。天线增益的提高也能降低高频放大器(HPA)的线 性输出功率，从而显著降低运营成本。 （2）综合采用多种多址方式 TD-SCDMA 使用了第二代和第三代移动通

42、信中的所有接入技术，包括 TDMA、CDMA 和 SDMA，其中最主要的创新部分是 SDMA。SDMA 可以在频域、时域之 外用来增加容量和改善性能，SDMA 的关键技术就是利用多天线对空间参数进行估 计，对下行链路的信号进行空间合成。另外，将 CDMA 和 SDMA 技术结合起来也起 到了相互补充的作用，尤其是当几个移动用户靠得很近并使得 SDMA 无法分出时， CDMA 就可以很轻松地起到分离作用，而 SDMA 本身又可以使相互干扰的 CDMA 用户 降至最小。SDMA 技术的另一个重要作用是可以大致估算出每个用户的距离和方位， 可应用于第三代移动通信用户的定位，并能为越区切换提供参考信息

43、。 （3）信道分配 TD-SCDMA 系统采用 RNC 集中控制的动态信道分配（DCA）技术，在一定区域 内，将几个小区的可用信道资源集中起来，由 RNC 统一管理，按小区呼叫阻塞率、 候选信道使用频率、信道再用距离等诸多因素，将信道动态分配给呼叫用户。这 样可以提高系统容量、减少干扰、更有效地利用信道资源。 （4）多用户检测 多用户检测主要是指利用多个用户码元、时间、信号幅度以及相位等信息来 联合检测单个用户的信号，以及到较好的接收效果。最佳多用户检测的目标就是 要找出输出序列中最大的输入序列。对于同步系统，就是要找出函数最大的输入 序列，从而使联合检测的频谱利用率提高并使基站和用户终端的功

44、率控制部分更 加简单，更值得一提的是在不同智能天线情况下，通过联合检测就可在现存的 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 13 GSM 基础设备上，通过 C=3 的蜂窝再复用模式使 TD-SCDMA 可以在 1.6MHZ 的低载 波频带下通过。 （5）同步 CDMA 同步 CDMA 指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，相互 间不会产生多址干扰，提高了 TD-SCDMA 系统的容量和频谱利用率。 （6）软件无线电 软件无线电的基本原理就是将宽带 A/D 和 D/A 转换器尽可能靠近天线处，从 而以软件来代替硬件实施信号处理。采用软件无线电的优越性在于，基于同样的 硬件环

45、境，采用不同的软件就可以实现不同的功能。 2.特点及优势 TD-SCDMA 的优势主要表现在以下几个方面。 （1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 TD-SCDMA 仅需要 1.6MHZ 的最小带宽。若带宽为 5HZ 则支持 3 个载波，在一 个地区可组成蜂窝网，支持移动业务，并可通过自动信用卡道分配（DCA）技术 提供不对称数据业务。 （2）高频谱利用率 TD-SCDMA 为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利用率高。换言之， 在使用相同频带宽度时，TD-SCDMA 可支持多一倍的用户。 （3）设备成本 在无线基站方面，TD-SCDMA 的设备成本低，原因如下： 智能天线能大大地增加接收灵敏

46、度，减少同信道干扰，增加容量，同时， 在发射端，也能降低干扰和输出功能功率。 上行同步降低了码道间干扰，提高了 CDMA 容量，简化了基站硬件，降低 了成本。 软件无线电可缩短产品开发周期，减少硬件设备更新换代的损失，降低成 本。 系统兼容 支持多种通信接口，由于 TD-SCDMA 同时满足 Iub、A、Gb、Iu、Iur 多种接 口的要求，因此 TD-SCDMA 的基站子系统可作为 2G 和 2.5G GSM 基站的扩容，又 可作为 3G 网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和长远的发展。 4.44.4 智能天线在智能天线在 TD-SCDMATD-SCDMA 系统中的应用系统中的应用 TD

47、-SCDMA(时分同步的码分多址)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。 TD-SCDMA 系统的智能天线是由 8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为 25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。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(数字信号处理器)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

48、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 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 14 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 5ms，则至少每秒可测量 200 次，每用 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(时分双工)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

49、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。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 15 第五章第五章 结束语结束语 移动通信用户量的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展 的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量成为网络建设，尤其是未来 3G 网络建设中需要重点考虑的问题。单纯地依靠增加基站（使用微蜂窝增加频率的 复用度） ，无论从成本和性能表现方面都已经不再是最好的选择方案。在这种情 况下，智能天线技术的引入，将通过增加系统在空间上的分辨能力，从更高的层 次上提高系统对于无线频谱的利用率。与其它所有的先进技术一样，智能天线技 术的发展也是一个伴随着算法研究和硬件升级的循序渐进的过程。由于对其重要 作用的认识，近年来在世界范围内开展了大量的研究和试验工作，取得了丰硕的 成果，目前基本上已经开始了实际的应用阶段，实际使用中的各种问题也在逐步 得到解决。当前，我国正在对下一代移动通信系统的实际应用能力进行大规模的 研究和试验，智能天线技术无疑也将成为讨论的热点之一，希望本文能够为相关 方面的工作和研究人员提供一定的参考。 智能天线的发展及在 TD-SCDMA 中的应用 16 参考文献参考文献 1 崔雁松 李志青,