智能天線技術在TD-SCDMA中的應用

2019-11-03 09:27:36

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西門子（中國）有限公司信息通信移動集團　鄭侃　白伯博　　最近幾年，移動通信已經成為一個飛速發展的領域。使用數字信號處理技術、時分多址接入和頻分多址接入技術的第二代移動通信系統，例如ＧＳＭ和ＩＳ５４系統，已經廣泛地應用在世界各地。與第二代移動通信系統相比，對于第三代移動通信系統的最大的挑戰之一是不僅要能夠提供像話音和圖像等對稱的電路交換業務，而且要能夠提供例如移動互聯網接入等非對稱的數據包交換業務。同時，未來的用于第三代移動通信的頻帶中的部分可能是非對稱的。這樣，使得ＴＤＤ模式在未來的移動通信的發展中顯得非常重要。

　　為了解決這些問題，ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統融合了兩種先進的技術，它是一種在同步模式下工作的具有自適應ＣＤＭＡ特點的先進的ＴＤＭＡ系統。隨著移動通信市場的發展，對移動通信系統的要求越來越高，作為未來移動通信系統的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ必須能夠滿足各種類型的業務需求。中國無線通信標準組織ＣＷＴＳ提出ＴＤ－ＳＣＤＭＡ并使其成為了全球第三代移動通信國際標準ＩＭＴ２０００之一。作為ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的關鍵技術之一的智能天線技術能夠提高系統的容量，擴大小區的最大覆蓋范圍，減小移動臺的發射功率，提高信號的質量并增大了數據傳輸速率。這些優點給移動網絡運營商提供了很大的靈活性。

　　一、系統模型

　　在這一部分，我們介紹包括前向糾錯編碼在內的使用智能天線技術的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統的低通等效模型。

　　在系統中的同一個小區中，在帶寬為Ｂ的同一個頻帶上可以有Ｋ個用戶同時進行通信，用戶間通過不同的用戶擴頻碼序列進行區分。我們假設每個移動臺只有一個發射天線。在基站部分的上行接收機有Ｍ個天線可以接收移動臺發射的信號。在我們的驗證系統中使用的是ＲａｙＴｒａｃｉｎｇ信道模型。這種信道模型是基于幾何理論以及反射、折射、和散射傳播模型的。通過利用指定場所的位置信息，例如建筑圖紙數據庫，這種技術能夠確定地對傳播信道進行建模，包括路徑損耗、入射角和時延等。它非常適合應用在驗證智能天線系統的有效性的仿真中，通過它得到的性能結果具有很強的說服力。

　　ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統中的幀結構與ＧＳＭ的非常類似，它們都利用Ｍｉｄａｍｂｌｅ來做脈沖檢測。超幀的持續時間為３２０ｍｓ，一個超幀能夠分成３２個無線幀。一個無線幀又可以分成２個持續時間為５ｍｓ的無線子幀。每個無線子幀由７個持續時間為６７５ μｓ的業務時隙和３個特殊的時隙：ＤｗＰＴＳ（下行導頻時隙）、ＧＰ（保護時隙）和ＵｐＰＴＳ（上行導頻時隙）組成。

　　ＴＳ０總是用于下行鏈路，ＴＳ１總是用于上行鏈路，其他的時隙則根據轉換點的靈活配置來確定是用于上行或是下行鏈路。每個業務時隙的脈沖結構是由兩個數據符號區和一個長度為１４４個碼片的Ｍｉｄａｍｂｌｅ及長度為１６個碼片的保護區組成。在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中，在每個業務時隙中最多同時有１６個不同的擴頻用戶單元。我們利用Ｍｉｄａｍｂｌｅ訓練序列來做解相關運算得到對移動信道的估測，然后對每個時隙中的所有信號進行聯合檢測。通過消除多址干擾的方式，使接收信號的動態范圍達到了大約２０ｄＢ。聯合檢測技術是一種在其他較強信號存在的情況下使較弱的信號能夠解調出來的算法。所以，采用這種技術后可以降低對功率控制的要求，也就是說可以消除由于慢衰落引起的平均功率波動的影響。

　　二、智能天線

　　在這一部分，我們解釋智能天線技術的基本概念以及在高速運動信道環境下使用該技術的可行性。

　　１、智能天線技術概念

　　由一些空分的獨立的天線元素組成一個天線陣列系統，這個陣列的輸出與收發信機的一組多個輸入相組合。這多個天線元素結合在一起提供一個綜合的時空信號。與使用單個天線采用固定方式組合天線口信號的接收機相比較，天線陣列系統能夠動態地調整信號的結合方式以提高系統的性能。正由于這個原因，天線陣列經常被稱為智能天線，它被視為相當于一個特性能夠根據需要自動地調整的天線。

　　人們經常使用的是環狀或線性天線陣列。在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統中，我們用８個完全相同的天線元素均勻地放置在一個半徑為Ｒ的圓形上，組成我們所需的環形天線陣列。這種陣列對于消除干擾特別有效。每兩個天線之間的距離是載波波長的一半。由于每個天線在空間上處于不同的位置，所以不同天線元素的信號的幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時可以產生很多個獨立的有方向性的高增益的波束。不同的波束分配給不同的用戶，保證了所有鏈路上的最大增益。利用自適應波束成形可以有效地消除干擾，提高系統的容量。各種能夠用數學公式表示的算法都能夠得到實現。

　　２、ＴＤＤ模式下高速運動環境中使用智能天線技術的可行性

　　隨著交通和通信的發展，對在高速運動中的高速數據業務的需求顯得越來越緊要了。在車速環境中，一般來說沒有直線視距信號存在，這就意味著接收到的信號是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號的平均功率隨著距離的增大而減小。采用智能天線技術的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統不僅適用于室內環境，而且也適用于室外的車速環境。根據我們的分析與仿真，在移動臺速度很高的情況下，該系統同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機能夠實時地確定接收到信號的波束結構特點對信號進行解調，不需要任何存儲單元存放過去幀的波束信息。所以無論移動臺的速度多高，上行鏈路的接收機都可以迅速地在每一幀適應新的波束特點。在ＴＤＤ模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個頻帶，基站端的發射機可以根據在上行鏈路上得到的接收信號來了解下行鏈路的多徑信道的快衰落特性。這樣，基站的收發信機就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測信息來實現下行的波束成形。只有在像ＴＤ－ＳＣＤＭＡ這樣的ＴＤＤ系統中，上行、下行鏈路的配合才能達到這樣好程度。在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中由于無線子幀的長度是５ｍｓ，所以容許的下行對上行的最大的反應時間為５ｍｓ。根據無線幀中上行和下行的信道分配，這個反應時間可以更短。隨著移動臺速度的增加，上行鏈路的信道特性與下行鏈路的信道特性的相關性越來越強。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來做下行的波束成形仍然能夠正常工作。

　　三、仿真結果

　　在這部分中給出了鏈路級仿真的結果。仿真環境的主要特點如下：

　　·使用了智能天線技術；

　　·在上行鏈路上使用了聯合時空處理；

　　·具有空間信息的信道模型（ＲａｙＴｒａｃｉｎｇ信道模型）。

　　根據ＣＷＴＳ的提案我們選用了１２．２ｋｂｉｔ／ｓ和２．４ｂｉｔ／ｓ的映射方式。在基站端使用８個天線組成的環形天線陣列，而移動臺只用了單個天線。

　　我們使用ＣＯＳＳＡＰ仿真平臺得到了不同車速下的不同的仿真結果如下所示：

　　ａ１個用戶／時隙 ｂ ８個用戶／時隙

　　ａ１個用戶／時隙 ｂ ８個用戶／時隙

　　通過認真細致的仿真工作，可以看到ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統能夠在高速運動信道環境下有效地工作。

　　四、結束語

　　在本文中，我們提出了結合ＴＤＭＡ和ＣＤＭＡ多址接入方式并使用了聯合檢測技術的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統，并且探討了在該系統在高速運動信道環境下的性能。在基站部分使用了智能天線技術不僅帶來了分集增益，而且可以進行干擾消除。目前的仿真工作說明了ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統能夠在高速運動信道環境下有效地工作。

　　如果移動臺的速度非常高，在上行鏈路上的傳統的信道估測信息就不能精確地使用在下行的波束成形中了。這不是因為移動臺位置的改變，而是因為無線信道本身的時變特性造成的。就高速運動信道環境而言，ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統的應用前景依然是很樂觀的。目前，我們沒有使用自適應信道估測技術，采用這種技術會得到更好的性能結果。今后，我們將研究在高速運動信道環境中如何使用自適應的信道估測技術。　

摘自　通信世界報

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