TD-SCDMA的智能天線技術(shù)

     摘要:智能天線技術(shù)是TD-SCDMA(時分同步碼分多址)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中主要介紹了智能天線的提出、工作原理及分類，并分析了智能天線在TD-SCDMA中的技術(shù)優(yōu)勢。

　　TD-SCDMA(Time DivisiON Synchronous CodeDivision Multiple Access )，即時分同步的碼分多址技術(shù)，已正式成為國際電信聯(lián)盟(ITU)第三代移動通信標準IMT2000 建議的一個組成部分，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA、歐洲WCDMA 和美國CDMA2000成為3G 時代最主流的技術(shù)。TD-SCDMA集碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)等技術(shù)優(yōu)勢于一體，采用智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)，具有系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強等優(yōu)點的移動通信技術(shù)。

　　近年來隨著全球移動通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，對信號傳輸強度、覆蓋范圍及傳輸容量要求也越來越高，如何更高效率地利用無線頻譜受到了廣泛的關(guān)注。智能天線技術(shù)研究了無限資源的空域可分特性，是進一步提高系統(tǒng)容量的有效途徑。

　　1  智能天線的提出

　　智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強天線性能的一種天線。智能天線采用空分多址技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。它利用信號傳輸?shù)目臻g特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號與干擾信號，從而控制天線陣的方向圖，達到增強所需信號抑制干擾信號的目的;同時它還能根據(jù)所需信號和干擾信號位置及入射角度的變化，自動調(diào)整天線陣的方向圖，實現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動的目的，達到最佳收發(fā)信號，實現(xiàn)動態(tài)"空間濾波"的效果。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其他用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑。CDMA系統(tǒng)是一個功率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著擴大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。最早的智能天線是出現(xiàn)在20 世紀50 年代的旁瓣對消天線，這種天線包含一個用于接收有用信號的高增益天線和一個或幾個用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個這樣的環(huán)路組合成陣列天線，就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展，與智能天線有關(guān)的術(shù)語也越來越多，如智能天線(intelligent antenna )、相控陣(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空間處理(spatial processing)、數(shù)字波束形成(DIGItal beam forming)、自適應(yīng)天線系統(tǒng)(adaptive antenna sySTem)等，反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個不同的方面。

　　2  智能天線的原理

　　TD-SCDMA智能天線的工作原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，通過自適應(yīng)算法，控制天線波束的方向和形狀，將高增益的窄波束對準服務(wù)用戶方向，零陷對準干擾方向，實現(xiàn)波束賦形，達到定向發(fā)射和接收的目的。

　　自適應(yīng)算法是智能天線的核心，它分為非盲目算法和盲目算法。非盲算法是指需要借助參考信號(導頻序列或?qū)ьl信道)的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，按一定準則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)、LS(最小二乘)等。盲算法無需發(fā)端傳送已知的導頻信號，它一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集，循環(huán)平穩(wěn)等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性。非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統(tǒng)資源。將二者結(jié)合產(chǎn)生一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進行跟蹤和調(diào)整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點，同時也與實際的通信系統(tǒng)相一致。

　　3  智能天線的分類

　　智能天線分為兩大類:多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數(shù)目而確定。多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收，一般只用作接收天線。自適應(yīng)天線陣列一般采用4 ～16 天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發(fā)送。

　　按實現(xiàn)形式智能天線可分為3 類。

　　(1)自適應(yīng)調(diào)零智能天線

　　它是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)算法形成方向圖，根據(jù)天線的輸入、輸出特性，按一定的算法自動地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)，在干擾方向上形成零陷，從而大幅度降低干擾電平，提高系統(tǒng)的信噪比。從空間響應(yīng)看，其自適應(yīng)天線陣列是一個空間濾波器，天線的物理位置不作改變，由信號檢測與處理系統(tǒng)判斷出干擾與信號的來向，自適應(yīng)地改變天線的方向圖，并將零陷方向?qū)矢蓴_，主瓣對準要接收的信號。但自適應(yīng)智能天線對處于主瓣區(qū)域內(nèi)干擾的抑制能力是很有限的。

　　(2)等旁瓣針狀波束智能天線

　　它也是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ)，它的天線方向圖是等旁瓣方向圖，方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計算好的。

　　系統(tǒng)工作時，首先通過測向確定信號的到達方向(DOA)，選取合適的加權(quán)，然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向目標方向。這類智能天線對處于非主瓣區(qū)域的干擾，可以通過低的等旁瓣電平來確保抑制，但對處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，采用此類智能天線將無法抑制，不及自適應(yīng)智能天線。但等旁瓣智能天線無需迭代，而且響應(yīng)速度快。

　　(3)數(shù)字波束形成智能天線

　　它運用數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)，將其波束形成自適應(yīng)天線陣與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合。工作時利用高分辨率的測向算法獲得通信基準信號，當基準信號到達波束形成自適應(yīng)天線陣時，便給信號處理器提供一個方向信息，將各陣元的接收信號轉(zhuǎn)換到基帶，由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后根據(jù)方向信息對數(shù)字信號進行加權(quán)處理，在此方向上形成所需的波束。

　　4  智能天線的技術(shù)優(yōu)勢

　　TD-SCDMA智能天線通過利用多徑可以改善鏈路的質(zhì)量，通過減小相互干擾來增加系統(tǒng)的容量，并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。智能天線的優(yōu)點歸納如下:

　　(1)增加系統(tǒng)容量。CDMA 系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，其容量的限制主要來自本系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)干擾的降低，信干比的提高便意味著系統(tǒng)容量的提高。采用多波束板狀天線的智能天線技術(shù)，提高了天線增益及載干比(C/I )指標，減少了同頻干擾，降低了頻率復用系數(shù)，提高了頻譜利用效率，無需增加新基站即可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量、擴大系統(tǒng)容量。在TD-SCDMA 系統(tǒng)中，采用智能天線技術(shù)可在不影響通話質(zhì)量情況下，解決稠密市區(qū)容量難題。

　　(2)降低信號衰落。信號的衰落是高頻無線通信的主要問題。在陸地移動通信中，隨著移動臺的移動及環(huán)境變化，信號瞬時值及延遲失真的變化非常勻速且不規(guī)則，從而造成信號的衰落。采用智能天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性，使得延遲波方向的增益最小，有效地降低了信號衰落的影響。智能天線還可用于分集，減少衰落。電波通過不同路徑到達接收天線，其方向角各不相同。利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線，將這些分量隔離開，然后再合成處理，即可實現(xiàn)角度分集，降低信號衰落。

　　(3)抑制干擾信號。將智能天線用于CDMA 基站，可減少移動臺對基站的干擾，改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_技術(shù)的實質(zhì)是空間域濾波，以TDD 模式運行的TD-SCDMA中的智能天線波束具有方向性，可以區(qū)別不同入射角的無線電波，可調(diào)整控制天線陣單元的激勵"權(quán)值"，自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化。優(yōu)化無線陣列方向圖，將其"零點"自動對準干擾方向，從而大大提高陣列的輸出信噪比，提高系統(tǒng)可靠性。

　　(4)實現(xiàn)移動臺定位。采用智能天線的基站可以獲得接收信號的空間特征矩陣，由此獲得信號的功率估值和到達方向。通過此方法，用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域，從而實現(xiàn)移動臺的精確定位;此外，在使用普通天線的無線基站中，發(fā)射信號采用的是高功率放大器，使用了智能天線，波束賦型的增益可以減小對功放的要求，大大降低了基站的發(fā)射功率，同時也減少了電磁環(huán)境污染。

　　總之，通過智能天線可以減少干擾和被干擾的機會、擴充系統(tǒng)容量、加大覆蓋范圍、提高頻譜利用率、降低無線基站的成本，顯著提高移動通信系統(tǒng)的性能，并為拓展新業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高，智能天線技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域。