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第三代移动通信系统TD
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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l／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，他可获得8dB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5ms，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101gNdB)，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，也可以增加一次接人过程，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、工作电子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TD-SCDMA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人时的干扰等，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100km／h时，其多普勒频移接近200 Hz，用户终端在10ms内的位置变化达到28cm，在2GHz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2～3ms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
TD-SCDMA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TD-SCDMA技术的先进设计是迈向个人通信的重要的一步。
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l／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，他可获得8dB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5ms，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101gNdB)，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，也可以增加一次接人过程，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、工作电子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TD-SCDMA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人时的干扰等，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100km／h时，其多普勒频移接近200 Hz，用户终端在10ms内的位置变化达到28cm，在2GHz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2～3ms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
TD-SCDMA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TD-SCDMA技术的先进设计是迈向个人通信的重要的一步。
