移动通信空间资源的利用

西安电子科技大学 丁杰伟 中兴通讯 张峻峰 刘太江

　　移动通信中的物理信道必须要占据一定的时间、频率、功率和空间，而这些资源是有限的，并且是所有信道共享的。在频分多址系统中，主要以频率的不同划分不同的信道；在时分多址系统中，在频率分开的基础上，又在时间上划分出了许多信道；码分多址系统是自干扰系统，其本质是许多信道共享功率资源，而区分这些信道的是PN码。时间、频率和功率资源可以看作是一维的资源，其分离可以在一根坐标轴上表示，业界对这些资源的利用已经非常成熟。而空间资源是一种二维的甚至是三维的资源，真正充分利用空间资源的技术难度也相应较大。从无线通信发展初期到现在，虽然大家越来越重视开发利用空间资源，但到目前为止，在空间资源方面仍然还有很大的潜力可挖。本文主要介绍了各种空间资源利用技术，包括相对简单的蜂窝结构、小区分裂、空间接收分集，到相对复杂的空间分集发射、MIMO天线和空时编码、智能天线等前沿技术。

蜂窝结构和小区分裂

　　在无线通信发展之初，通常只有一个地面站覆盖整个城市，即大区制移动通信系统。这种系统的发射功率很大（50～200W），覆盖半径可达30～50km，但是系统容量很小，一般只能同时容纳几十个到几百个用户。

　　随着系统容量需求和有限频谱资源的矛盾日益突出，出现了小区制蜂窝覆盖技术。蜂窝技术在平面空间上划分许多正六边形的小区，每个小区架设覆盖该小区的天线，在空间上相隔一定距离的各个小区进行频率复用，从而提高了频率利用率。同时，这种结构组网灵活，可以基本实现无缝覆盖。这是无线通信利用空间资源的一个里程碑。

　　随着移动通信技术的快速发展，移动用户数也不断增加，蜂窝移动通信系统容量也很快达到饱和，而且各个小区的用户密度不相等。特别是在城市环境中，用户密度较大，原来的蜂窝系统容量不能满足需求。最简单的方法就是进一步把蜂窝划分得更小，进一步提高频率复用程度，这就是小区分裂。小区分裂的方式有许多种，一种常用的方式是在原小区的基础上，用定向天线代替全向天线，将全向覆盖的小区分裂成定向覆盖的小区，这种方法的优点是不需要增加新的基站。工程中大量采用的是把一个全向小区分成3个120°覆盖的扇形小区。常见的还有分成6个60o扇形小区的方案、将原正六边形小区分裂成3个新的正六边形小区的1:3方案。还有一种办法就是在适当地方增加新的基站，一般是把原来的小区分裂成4个半径缩小一半的六边形小区。当用户数继续大量增加时，可以组合使用上面的方法进行二次小区分裂。如形成1×6×3方式，1×3×4方式。通过小区分裂的不断进展，一些原来由宏蜂窝覆盖的区域由许多微蜂窝或微微蜂窝覆盖，或者由大小不同的蜂窝同时覆盖，从而出现了分层蜂窝结构。

　　小区分裂尽量在空间上增加频率的复用效率是移动通信扩容的一项重要技术，但现在“小区分裂”已接近其技术极限。GSM在我国开通运营以来，网络扩容一直以小区分裂为主，但在大中城市高话务密度地区，如北京、上海、广州、深圳等大城市的GSM网络，基站布局已经很密，市区基站间距已经缩小到300～500米，不可能再大规模地增加基站，只能在个别地区采用特殊措施新建少量基站。

　　空间分集接收和分集发射

　　无线信号在复杂无线信道中传播会产生多径瑞利衰落，在不同空间位置上，其衰落特性是不同的。如果两个位置相隔十个无线信号波长以上，就可以认为两处的信号是完全不相关的。利用这个特点，可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副相距十个波长以上的天线同时接收信号，然后在基带处理中把两路信号合并。根据两路信号的信号质量，合并的方法可分为选择合并、开关合并、等增益合并和最大比合并。其中，最大比合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，是最佳的合并方式。在CDMA系统的软切换过程中，还可以通过相邻的基站进行分集接收（宏分集），从而提高移动台在小区边缘的通信质量。

　　空间分集接收利用信号在空间上的不相关性提高通信系统的性能，一般采用双分集天线能得到3dB的增益。目前，在CDMA系统中分集发射技术也日益得到重视。

　　在3GPP的WCDMA协议中，涉及到六种分集发射方法：空时分集发射（STTD：Space Time Transmit Diversity）、时间切换分集发射（TSTD：Time Switched Transmit Diversity）、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集、以及站点选择分集发射（SSDT：Site selection diversity transmit）。分集发射利用了不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达移动台的不相关性，借助移动台的Rake分集接收功能，分别接收由不同天线或不同基站发出的信号再进行分集合并，提高系统性能。信道编码、速率匹配和交织是在非分集模式下进行的。时间切换分集发射只用于同步信道，根据奇数时隙和偶数时隙的信号用不同的天线发射。这两种分集发射不需要移动台反馈信道质量信息，属于开环分集发射。两种闭环分集发射模式需要移动台的反馈信息，信道编码、交织和扩频与非分集模式相同，扩频后的复数信号送到两个发射天线，并被天线的特定加权因子w1和w2加权。通常情况下加权因子为复数。加权因子(即对应的闭环模式1下的相位调整量和闭环模式2下的相位/幅度调整量)由移动台决定。移动台利用上行专用物理控制信道把必要的信道信息传给基站。

　　在软切换过程中，可以通过两个甚至三个基站同时向一个移动台发射同样的信号，这是一般的宏分集发射。此外还可以进行站点选择分集发射。站点选择分集发射是软切换下的另一种宏分集方法，其操作过程如下：移动台从激活集中选择一个小区作为主小区，其它小区为非主小区。主要目的是只从主小区进行下行发射，从而降低在软切换模式下多发射带来的干扰。第二个目的是在没有网络参与下获得快速位置选择，从而保证软切换的优势。为了选择一个主小区，给每个小区都分配一个临时标识符(ID)，移动台周期性地通过上行信道为所连接的小区发送主小区ID，被移动台选择为非主小区的小区将停止发射。

　　MIMO天线系统和空时编码
　　在3GPP的高速下行分组接入方案中提出了MIMO（Multiple Input Multiple Output）天线系统，这种系统在发送和接收方都有多付天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展，但MIMO还引入编码重用 (Code re-use)方法，用相同的信道化码和扰码调制多个不同的数据流，如果基站发射端采用M付天线和N个扩频码，则一个高速的数据流被分为M×N个子数据流，每个扩频码对M个子数据流进行扩频，相同扩频码扩频的M路数据分别送到相应的M付天线，在送往天线发射之前各路要加上相互正交的导频，最后用同一扰码加扰。这样同时发射出去的各路数据所用的扩频码和所用的发射天线不会完全一致。在接收端也用了多付天线。对于扩频码不同的数据流，可以利用扩频码的正交性分离出来。但对于采用相同扩频码的各个数据流，就要靠不同天线信号在无线信道中的不相关性来区分。如果接收端有P付天线，而且采用了L个支路（finger）的Rake接收机，可以认为数据经过M×P×L个无线信道到达接收端，接收端利用M个导频对每付天线的数据进行L条支路的信道估计补偿，然后把对应同一天线的数据进行Rake合并。这就是采用了空域信号处理的二维Rake接收技术。为了保证相同扩频码的各个子数据流能有效分离，各天线的间隔距离要比较大，以保证信号的不相关性，甚至MIMO系统在没有直射径的瑞利衰落条件下工作得更好。MIMO天线系统能提供14.4Mb/s甚至21.6Mb/s的数据传输速率，同时也能提高系统容量。但MIMO天线系统会造成移动台和基站复杂性的增加，在2G频段下，UE上四个天线排列的线性距离需7.5厘米以获得非相关性，研究结果表明，带有四付天线的移动台的复杂度是单天线的2倍。

　　目前，朗讯、松下、金桥和NTT DoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。

　　近几年来，还有许多机构在研究基于MIMO天线系统的空时编码技术。其实，STTD分集发射和上述的MIMO天线系统已经采用了简单空时编码技术。基于分集发射的空时码可以分为空时格码(space-time trellis code)和空时块码(space-time block code)。空时格码有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大。空时块码性能稍逊于空时格码，但由于利用了正交设计理论，其译码复杂度很低，还可能得到最大的分集发射增益。STTD编码就是一种空时块码。经过空时编码的信号经过多条相关较小的无线信道到达接收端，接收端通常需要知道各个无线信道的理想参数，这就要求发射端发射不同的导频序列，接收端采用大量的信道估计运算，才可以达到空时分集效果。为此，也有人在研究不用信道估计的盲空时码。多天线系统和空时编码的结合，是空间资源利用技术的发展方向，可以认为是一种高级的分集技术。

智能天线

　　蜂窝结构及小区分裂能很有效地增加系统容量，但这种利用空间资源的方法很难有效地降低各个小区之间的干扰，较难提高移动通信系统的通信质量。空间分集收发技术则能在一定程度上提高通信质量，但对容量的提高效果并不是很明显。MIMO技术需要在移动台配置多付天线，大大限制了其推广应用。智能天线技术在系统容量和通信质量的提高上都有很出色的表现，而且可以在不影响移动台结构的前提下在基站侧即可实现，是现代移动通信领域的研究热点之一。

　　智能天线采用两个以上单天线阵组成，相邻天线阵的间隔约半个无线波长，各个天线阵元接收到信号的能量是一样的，这是与分集天线的重要差别。由于无线信号波程差的存在，各个阵元对不同方向到达的信号就有不同的相位响应，从而后续信号处理可以区分不同方向的信号。每个天线阵元接收到的信号经过射频处理后用适当的复数权值进行加权求和，使所需信号通过同相叠加得到加强，而其它干扰信号通过非同相叠加得到削弱，从而提高接收信噪比。加权的实质是一种角度域的空间滤波。智能天线具有一定的空分多址（SDMA:Space Division Multiple Access）特性，但由于移动台位置的任意性，与其它多址方式是有区别的。

　　智能天线大体可分三种。一种是固定波束智能天线，这种天线预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的波束。美国metawave公司的GSM Spotlight智能天线就采用了固定波束方式。这种方法的缺点是需要预先设计较好的权值，通信过程中的权值是不变的，不能最佳地适应无线信道特性。第二种是部分自适应智能天线，这种天线通常从接收的阵列信号中提取用户信号到达方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角变化则权值跟着变化。这种算法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限地压制其它方向的干扰，相当于复数权值相位可变幅度不变的相控天线阵。部分自适应智能天线的性能比固定波束智能天线要好，但还是没有完全利用信号空间信息，自适应范围也有限，而且提取达到方向角的算法比较复杂。另一种是全自适应智能天线，这种天线是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由更新，当算法收敛时，这种方法能充分利用用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大，而部分自适应智能天线一般不考虑干扰到达方向。

结束语

　　从对空间资源利用的角度来讲，蜂窝覆盖和小区分裂利用了移动台处于不同空间区域的特点，这个区域划分得越小，系统容量就越大，但这个划分有个限度，划分越细网络投资成本就越大，而且切换越频繁。分集收发和空时码技术利用了不同天线位置对应的无线信道的不相关性，达到一定的分集处理增益。这种不相关性是一个随机量，依赖于实际的无线环境变化和移动台位置的变化。智能天线技术根据移动台信号的到达方向提高系统性能，更精细地利用了移动台的空间特性，而且能在一定程度上实时跟踪信号方向的变化。特别是自适应智能天线系统，能同时兼顾移动台和干扰台（包括附近的基站）的信号达到分布，从全局进行角度域的空间滤波，是一种把空间资源利用得比较充分的先进技术。充分利用空间资源，是未来移动通信技术发展的重要方向。

摘自《通讯世界》2002.3