【正文】 視。本論文首先介紹了智能天線的原理及概念，以及它在提高無(wú)線系統(tǒng)能力(容量、覆蓋和新業(yè)務(wù)等)方面的應(yīng)用價(jià)值。由于目前3G是我國(guó)在通信系統(tǒng)應(yīng)用研究方面的重點(diǎn)，TDSCDMA同時(shí)是由我國(guó)提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)，則第三部分對(duì)智能天線技術(shù)在TDSCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)討論，采用理論分析、仿真驗(yàn)證等研究方法對(duì)TDSCDMA系統(tǒng)智能天線的特性、特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，進(jìn)而得出在不同場(chǎng)景下工程實(shí)施的具體操作方案，以解決實(shí)際問(wèn)題。第2章 智能天線原理 智能天線的簡(jiǎn)介智能天線（Smart Antenna, SA或 Intelligent Antenna, IA）原名自適應(yīng)天線陣列（Adaptive Antenna Array, AAA）最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事等方面，主要用來(lái)完成空間濾波和定位。TD－SCDMA采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抵消或最大程度的抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線系統(tǒng)由一系列天線陣列、接收機(jī)和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法組成。智能天線的核心在于數(shù)字信號(hào)處理部分，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則使天線陣產(chǎn)生定向的波束指向用戶，并自動(dòng)調(diào)整加權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的空間濾波。辨識(shí)信號(hào)到達(dá)方向AOA（Angel of Arrival），代表的算法是Music算法、ESPRIT算法、最大似然法算法等。采用何種算法首先需要考慮自適應(yīng)準(zhǔn)則，主要有最大信干比（SINR）、最小均方誤差（MMSE）、最小方差、最大似然等。它們有各自的特點(diǎn)和不足。 該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設(shè)置零點(diǎn)。根據(jù)以上基本原理，在CDMA系統(tǒng)（無(wú)論是TDD或FDD方式）中采用智能天線和波束賦形技術(shù)，能夠在多個(gè)方面大大改善通信系統(tǒng)的性能，概括地講主要有：提高了基站接收機(jī)的靈敏度和基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率，降低了系統(tǒng)的干擾，增加了CDMA系統(tǒng)的容量，改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋，降低了無(wú)線基站的成本。在業(yè)務(wù)稀少的鄉(xiāng)村，無(wú)線覆蓋范圍將增加一倍，這也意味著在所覆蓋區(qū)域的基站數(shù)目降至通常情況的1/4。因?yàn)镠PA的費(fèi)用占收發(fā)信機(jī)成本的主要部分，所以智能天線的采用將顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。A/DD/A權(quán)值系數(shù)列表數(shù)字信號(hào)處理器本地信號(hào)圖21 智能天線的原理結(jié)構(gòu)圖智能天線系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成[4]： 天線陣列部分天線陣元數(shù)量和天線陣元的配置方式都對(duì)智能天線的性能有著直接的影響，設(shè)陣元數(shù)為M，一般在移動(dòng)通信中取M=8或16等。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分基站端的智能天線，在上行鏈路時(shí)，天線將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；而在下行鏈路時(shí)，要將處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。 工作原理智能天線的基本思想是：天線以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號(hào)，來(lái)自窄波束以外的信號(hào)被抑制。 智能天線波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化，智能天線的“智能化”正體現(xiàn)于此。 假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒(méi)有幅度變化，這些相位差異由入射信號(hào)到達(dá)各天線所走路線的長(zhǎng)度差決定。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號(hào)強(qiáng)度，不同入射角度的信號(hào)由于在天線間的相位差不同，合并器的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。 所謂合適的方向圖，是指為了最大限度地放大有用的信號(hào)、抑制干擾信號(hào)，最直觀的是我們可以將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的入射方向，而將方向圖中的最低增益點(diǎn)（被稱之為零陷）對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向。 智能天線的關(guān)鍵技術(shù) 智能化接收技術(shù)應(yīng)用智能天線CDMA系統(tǒng)中，由于不同用戶占用同一信道，不同用戶帶來(lái)的多址干擾和多徑信道帶來(lái)的碼間干擾都會(huì)使到達(dá)基站的用戶信號(hào)產(chǎn)生畸變，所以必須采用信道估計(jì)和均衡技術(shù)，將各用戶信號(hào)進(jìn)行分離和恢復(fù)，即多用戶檢測(cè)（MultiUser Detection, MUD）技術(shù)。另一方面，為了給智能發(fā)射提供依據(jù)，在上行中還需要估計(jì)反映用戶空間位置信息的參量，如波達(dá)方向、空域特征（Spatial Signature, SS）等，它們的估計(jì)精度將直接影響到下行選擇性發(fā)送的性能。前一類方法又分為子空間方法和基于參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則的方法兩類。 智能化發(fā)射在蜂窩系統(tǒng)中，為滿足多媒體業(yè)務(wù)通信質(zhì)量的要求，發(fā)射信號(hào)功率一定要?jiǎng)討B(tài)控制，在保證整個(gè)蜂窩系統(tǒng)各小區(qū)的信號(hào)總功率平衡的情況下（各小區(qū)干擾基本穩(wěn)定），滿足各種業(yè)務(wù)的不同傳輸速率和不同的誤碼率要求。實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)射有基于反饋和基于上行鏈路參數(shù)估計(jì)兩種方法?；谏闲墟溌穮⒘抗烙?jì)的方法是利用一些特征參量相對(duì)于上下行鏈路的不變性，通過(guò)各用戶對(duì)上行信號(hào)的估計(jì)，確定下行鏈路的波束形成方案。在時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)中，上、下行鏈路使用同一載波頻率，在信道特征變化相對(duì)較慢的情況下，可以近似認(rèn)為上、下行鏈路的信道特征相同，可使用對(duì)上行信道的估計(jì)設(shè)置下行鏈路參數(shù)。 動(dòng)態(tài)信道分配在通信中，信道分配是保障通信質(zhì)量、有效利用信道的關(guān)鍵技術(shù)之一。后三種信道分配技術(shù)是確定性的，可由系統(tǒng)根據(jù)用戶情況動(dòng)態(tài)分配，但空分信道分配不同。這樣，空分信道分配就成為動(dòng)態(tài)的條件組合問(wèn)題，且隨著用戶空間位置的移動(dòng)，為跟蹤用戶，空分信道必須相應(yīng)變化，隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，由于其容量是軟容量，信道分配相對(duì)簡(jiǎn)單。 關(guān)鍵算法TDSCDMA智能天線技術(shù)的核心技術(shù)體現(xiàn)在一些關(guān)鍵算法上，比如信道估計(jì)算法、波束賦形算法等。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的一些基本理論方法可以對(duì)上述算法進(jìn)行分析和驗(yàn)證，從而指導(dǎo)TDSCDMA智能天線的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。智能天線一般由射頻部分的無(wú)線信號(hào)的接收、發(fā)射、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換，以及基帶（或中頻）部分的數(shù)字信號(hào)處理組成。本文取波束賦形的一般含義，即根據(jù)測(cè)量以及估算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)最優(yōu)（次優(yōu)）組合或者最優(yōu)（次優(yōu)）分配的過(guò)程。具體的說(shuō)，其主要任務(wù)是步長(zhǎng)無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低用戶間的同信道干擾。在接收端，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行線性解調(diào)得到信號(hào)，表示如下： (21)式中,為波束形成的加權(quán)矢量，也是自適應(yīng)接收機(jī)在檢測(cè)信號(hào)過(guò)程中需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，如圖22所示。寬帶信號(hào)的表達(dá)式為： （22）式（6－32）為多徑信號(hào)矢量，天線陣列的加權(quán)矢量為： （23）每個(gè)用戶的加權(quán)因子為： （24）式中,B為寬帶陣列中的抽頭系數(shù)。目前已經(jīng)提出很多著名算法，概括的講有非盲算法和盲算法兩大類。盲算法則無(wú)需發(fā)送端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，判決反饋（Decision Feedback）算法是一類較特殊的盲算法，接收端自己估計(jì)發(fā)送信號(hào)并以此為參考信號(hào)進(jìn)行上述處理，但需要注意的是應(yīng)確保判決信號(hào)與實(shí)際傳送信號(hào)之間有較小差錯(cuò)。非盲算法相對(duì)盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源，將兩者結(jié)合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能天線在實(shí)現(xiàn)上更適合于時(shí)分雙工（TDD）或時(shí)分多址（TDMA）接入系統(tǒng)，如UTRA TDD、TDSCDMA和GSM/GPRS。因此上、下行頻段衰落特性是獨(dú)立的，這將給智能天線的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)技術(shù)上的難度，此時(shí)，智能天線必須建立在反饋閉合環(huán)路的基礎(chǔ)上。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分共同完成的。方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶的分布，在360176。為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設(shè)置零點(diǎn)，該零點(diǎn)處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約40dB。每個(gè)振子的增益為8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于智能天線在干擾消除、抵抗多徑、提高系統(tǒng)性能方面具有良好的性能，故TDSCDMA系統(tǒng)采用了這項(xiàng)技術(shù).對(duì)于采用智能天線的TDSCDMA系統(tǒng)，NodeB端的處理分上行鏈路和下行鏈路處理。 （2) 根據(jù)用戶訓(xùn)練序列的循環(huán)偏移的形成特性，采用FFT算法對(duì)各個(gè)天線上接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行快速信道估計(jì)，得到用戶到各天線間的信道沖激響應(yīng)。 （3) 對(duì)于信道估計(jì)的結(jié)果，一方面用于形成聯(lián)合檢測(cè)的系統(tǒng)矩陣；另一方面用于用戶的POA估計(jì)，為下行鏈路的波束賦形選擇方向。由于多天線的聯(lián)合檢測(cè)具有空間分集的作用，所以采用智能天線大大提高了系統(tǒng)接收性能。 （2) 然后根據(jù)上行鏈路中確定的用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA（Direction of Arrival），選擇下行波束賦形的權(quán)值，對(duì)用戶進(jìn)行下行波束賦形，以便形成用戶的發(fā)射波束，達(dá)到空分的目的，并最終生成用戶待發(fā)送的各個(gè)天線上的基帶信號(hào)。基站根據(jù)小區(qū)內(nèi)移動(dòng)用戶的DOA信息，選擇相應(yīng)的發(fā)射波束。只需根據(jù)移動(dòng)臺(tái)的DOA信息，選取存儲(chǔ)再計(jì)算機(jī)中的相應(yīng)加權(quán)值，形成發(fā)射波束，提高用戶的信噪比。由于在TDSCDMA系統(tǒng)中，采用了TDD雙工方式，上、下行鏈路工作于相同的載頻，傳輸性質(zhì)一致，便于將上行鏈路的DOA估計(jì)和下行鏈路的波束賦形結(jié)合起來(lái)考慮。 （3) 對(duì)于要發(fā)送的天線陣列上的基帶信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換以及上變頻操作，最終由射頻單元發(fā)送。 （2) 正在通信的移動(dòng)終端在整個(gè)小區(qū)內(nèi)處于受跟蹤狀態(tài)。由圖31可知，不使用智能天線時(shí)，基站天線全向發(fā)射、全向接收；所有小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端均相互干擾，此干擾是CDMA容量限制的主要原因。（a） 不使用智能天線 （b） 使用智能天線圖31 普通天線與智能天線對(duì)比示意圖 提高接收機(jī)的靈敏度從接收端來(lái)看：在手機(jī)終端UE發(fā)送相同功率信號(hào)的情況下，智能天線接收的信號(hào)幅度是單天線接收的信號(hào)幅度的N倍（N表示天線數(shù)目），因此，智能天線提高了接收機(jī)的靈敏度。 降低系統(tǒng)的干擾以8元均勻圓形陣列為例（M=8），假設(shè)主瓣指向期望用戶方向，干擾均勻分布在整個(gè)空間，則得到的智能天線的平均干擾抑制比，也即最大功率與平均功率之比為8dB左右。從信噪比增益參數(shù)來(lái)看，和單天線相比，智能天線能提高信噪比M倍。表31 智能天線性能參考主要指標(biāo)全向定向單天線增益8dBi～12dBi15dBi左右單天線單載波發(fā)射功率28dBm同全向單天線半波陣子個(gè)數(shù)58賦形波束水平3dB波束寬度35度左右15度左右賦形波束垂直3dB波束寬度約10度左右略小于全向智能天線下傾角不超過(guò)10度，規(guī)劃中根據(jù)實(shí)際情況考慮同全向8天線合成增益9dB同全向賦形增益7dB同全向饋線損耗（TPA至天線）小于1dB小于1dBEIRP值（單載波）28dBm+8dBi+9dB+7dB=52dBm28dBm+15dBi+9dB+7dB=59dBm平均干擾抑制度： （31） 改進(jìn)小區(qū)覆蓋智能天線給移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)的一個(gè)明顯好處就是能擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍，而覆蓋范圍的擴(kuò)展使我們能夠在不提高移動(dòng)臺(tái)上行發(fā)射功率或基站的下行發(fā)射功率的情況下，讓移動(dòng)用戶可以在離基站更遠(yuǎn)的地方進(jìn)行通信，從而減少基站的數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的距離為d，使用增益為的天線。由于線的理論知識(shí)可知接收天線處的功率為： (32)這個(gè)表達(dá)式稱為Friis自由空間鏈路方程。如果用dB表示功率單位，自由空間鏈路方程表示為 (33)式中，和的單位是dBm。d的單位是m；是載波頻率；單位為Hz。式（33）對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)具有重要的意義。假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)（T—R）間距離為d,工作頻率為，從式（33）知道，可以用3種方法來(lái)提高。用dBm表示的接收功率和用W表示的接收功率間的關(guān)系為： (34)dBi指的是用dB表示的天線增益與各向同性天線增益的相對(duì)比值。在基站和手機(jī)用戶發(fā)射功率不變的情況下，從Friis自由空間鏈路方程可以看出，智能天線可以通過(guò)增加基站天線的增益而增加覆蓋范圍。智能天線正是通過(guò)抑制多址干擾，來(lái)提高系統(tǒng)的CINR，從而明顯地增加了小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)。當(dāng)基站和手機(jī)都使用全向天線時(shí)，頻率復(fù)用因子定義為,如式（37），假設(shè)基站A，對(duì)自己小區(qū)內(nèi)的所有用戶實(shí)行理想功率控制，基站控制手機(jī)從該基站接收到的功率為。 由于遠(yuǎn)大于1，所以。表32 不同路徑損耗下，頻率復(fù)用因子的取值路徑損耗指數(shù)n干擾因子復(fù)用因子234 在基站處，期望信號(hào)的載干噪比（CINR）為： (310)式中 ——小區(qū)內(nèi)語(yǔ)音激活因子； ——噪聲方差； ——基站的擴(kuò)頻因子，是碼片速率與信息符號(hào)速率的比值。將式（39）代入，則 (311)由于TDSCDMA系統(tǒng)是一個(gè)非噪聲受限系統(tǒng)，系統(tǒng)所受的干擾為主要考慮因素，可以忽略熱噪聲的影響，系統(tǒng)基站處得到的期望用戶信號(hào)的CINR可表示為 (312)式（312）是基站采用全向天線系統(tǒng)時(shí)的結(jié)果，若考慮基站使用不同的天線系統(tǒng)以及由此帶來(lái)的系統(tǒng)增益的影響，則式（312）可寫為 (313)就是系統(tǒng)為達(dá)到正常通信所要求的歸一化信噪比。 假設(shè)系統(tǒng)的歸一化信噪比要求為7dB，語(yǔ)音激活因子，當(dāng)路徑損耗指數(shù)時(shí)，在基站使用全向天線情況下，同時(shí)能夠激活的用戶數(shù)為，即全向天線系統(tǒng)每個(gè)小區(qū)在反向鏈路能同時(shí)支持9個(gè)用戶。表33給出了計(jì)算結(jié)果(假設(shè)要求為7dB,v=)。 降低了無(wú)線基站的成本