智能天线在3G以及beyond3G中的应用

2019-11-03 09:16:19

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供稿：网友

段勇杨大成

　　段勇，北京邮电大学无线通信中心研究生，2001年毕业于北京邮电大学电信工程学院，获工学学士学位。目前主要研究方向为智能天线技术。

　　杨大成，北京邮电大学教授，博士生导师，北京邮电大学电信工程学院无线中心主任，北京邮电大学BUPT-QUALCOMM联合研究中心中方首席专家，合作项目负责人。原邮电部移动通信研究开发中心副主任，中国电子学会高级会员。

　　智能天线大大地提高了CDMA系统的性能和覆盖，可以在很大程度上降低干扰从而提高系统容量，成为第三代移动通信的关键技术之一。但在实际使用中，必须解决好智能天线带来的各种问题，并尽量简化系统的复杂性。

一、介绍

　　第三代移动通信，以及后三代移动通信系统的提出是为了在提供话音服务的同时，也提供高质量的多媒体数据服务。高速多媒体数据业务的不断增长，要求多用户干扰的进一步减少从而提高移动通信系统的容量。同时，由于频带资源的限制，所以必须采用一些新的技术来提高频带利用率。智能天线就是能实现这个目标的技术之一。

　　众所周知，CDMA无线通信系统是一个干扰受限系统，多用户干扰的存在严重影响了系统的性能，降低了接收端的Ec/Ic和Eb/Nt，从而限制了系统中的用户数。减小这种多用户干扰或多径干扰的一种方法就是小区的扇区化，但这并不能从根本上解决问题。而我们可以考虑使用智能天线来解决这一问题。

　　智能天线的主要思想就是应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其他日渐深入和成熟的干扰消除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更加方兴未艾和潜力无穷。

二、应用智能天线的CDMA系统

　　在这里，假设在cdma2000系统中，智能天线系统被应用在前向和反向的业务信道上，对于导频信道、同步信道、寻呼信道和快速寻呼信道的信号则使用120度的全向扇区天线进行传输[2]。可以肯定，比起全向扇区天线，这种使用较窄的波束宽度的智能天线能最大限度的降低其他用户的业务信道对目标用户业务信道的干扰。我们知道在CDMA系统中，假设基站接收到的某特定用户的业务信道的性能可以用其导频信道的来表示[3]，即：

　　那么，当考虑使用智能天线的时候有[4]：

　　在这里，Ｐi代表第i个基站所发射出来的总功率，Li是第i个基站到该用户的路径损耗，NoW是热噪声功率，M是对该用户能产生影响的基站数目。Sp是基站发射的总功率中导频信道所占的比例，同样，是开销信道总共所占的比例。它们定义如下：

　　智能天线增益是一个比值，该值从量上说明了智能天线能在多大程度上减少干扰，值将随着智能天线的某些物理特性变化而变化。其定义如下：

　　为了体现出智能天线对Ｅc/Ic的影响，参数要乘上业务信道的功率比值，即其他用户的（

）值。

　　在无线通信系统中，若在基站端采用了多天线接收技术，则基站所接收到的信号是各天线单元和对应的接收机接收到的信号之和。在进一步对多天线的接收信号处理时如果采用最大比合并，在没有多径的情况下，则总的接收信号将增加10lgN dB，N为天线数量。如果存在多径，则接收效果会随着多径传播条件和波束赋形算法而改变，但即便如此，接收信号的增益也应该在10lgN dB上下。

　　进一步，可以看到当接收端性能改善以后，在接收到同样的时，该用户所对应的传输质量将改善，即该用户的FER减小。我们可以定义系统对该用户的吞吐量为[4]：

　　Through=Rdata(1-FER)（6）

　　从而，可以看出智能天线可以提高目标用户的吞吐量。

三、问题分析

　　从上面的分析可以看出，智能天线对无线通信系统，尤其是对TDD的无线通信系统（如TD-SCDMA，PHS，WLL等）的性能改善大有裨益，能大大提高网络容量和小区的覆盖范围以及目标用户的吞吐量。但是，在另一方面，智能天线也带来了很多实际的问题，在实际应用中，必须扬长避短，在产品和系统的设计上解决好这些问题。

　　在TDD的无线通信系统中使用智能天线时，我们根据电磁理论中的互易原理，即在短时间内相同的无线信道的性能一般不会产生急剧的变化，直接使用上行波束的赋形系数来对下行波束赋形。但对实际的无线基站，这几乎是不可实现的。因为每一条通路的无线收发信机的性能将随时间、工作电平和环境条件等因素变化，所以必须对智能天线进行实时校准，否则下行波束赋形将会受到影响，严重时可能会中断通信。这是系统设计时所必须考虑的[6]。

　　在即将到来的第三代移动通信系统中，FDD（WCDMA、cdma2000等）将会成为主流技术。与TDD系统不同，FDD系统由于存在上下行两路间的频差，使上下行无线信道的性能差异很大，所以对于FDD系统来说，如何根据上行链路的信息来估测下行链路，从而进行下行链路的波束赋形是自适应智能天线技术能否应用于FDD系统的关键。从现在的研究来看，有多种解决方案可行，如波束综合方法和DOA检测等等[8]。由此看出如何更好的发挥自适应智能天线技术在FDD系统中的优势也是一个值得深入探讨的问题。

　　在移动通信系统中，自适应智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，这是自适应智能天线的主要思想。但在用户处于空闲状态的时候，不会向基站发射上行信号，基站就不可能知道该用户所处的方位，这个时候只能使用全向波束进行发射（如导频、同步、寻呼等信道）。而同时，一个全向覆盖的基站，其不同码信道又会采用不同的定向波束发射，所以基站必须提供全向和定向的赋形波束。这样，对全信道而言，将要求高得多的发射功率。这也是系统设计时必须考虑到的[6]。

　　目前，智能天线算法的复杂性使其在实际系统中实现存在着一定的问题。在实际的应用中，智能天线技术不能解决时延超过一个码片的多径干扰，也无法克服高速移动多普勒效应造成的信道恶化。所以，在多径严重的高速移动环境中，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，才可能有更好的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测、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算法，而和Rake接收机的结合算法还在研究中。而另一方面，这些过于复杂的结合算法在实际接收机中如何应用、效果如何都是有待研究的[6]。

　　对系统级而言[7]，智能天线也将带来不小的变革。对于CDMA系统，智能天线的引入降低了系统对功率控制的要求。同时，由于上行获得了附加的信噪比增益，所以在进行网络规划时，就要采用其他措施平衡上下行链路的场强预算。而同一种智能天线结构和算法在不同的信道环境、不同的干扰分布条件下有不同的性能，所以为了获得最大性能增益，在基站选址、智能天线方案选取时最好能根据实际传播条件、预期的业务量、分布和移动性等进行。此外，切换算法、资源管理流程以及为避免波束冲撞而进行的色码分配、小区内切等等都是系统级研究必须考虑的问题。

四、结束语

　　目前，国际研究领域已将智能天线作为第三代移动通信系统的关键技术之一。在TDD系统，尤其在FDD系统中智能天线的应用成为技术研究的热点，同时对智能天线基站的开发也在紧锣密鼓的进行。相信在未来的3G以及beyond 3G中，智能天线能为我们提供一个领先的技术平台，从而推动移动通信的发展。

参考文献

[1] Lal C.Godora. application of antenna arrays to mobile communication,PartⅠ:Performance imPRovement, feasibility, and system considerations”.Proc IEEE, 1997, Vol. 85：pp1031-1060

[2] TR 46.1.“Wideband Packet-CDMA RTT Proposal”. January,1999

[3] Jhong Sam Lee, Leonard E.Miller. “CDMA system Engineering Handbook”

[4] Hoyoung Choi, JaeSEOng Bae, Sangho lee and Sangjun Lee. “Simulation results for Coverage and Performance Improvements for CDMA2000 1X Networking using Smart Antenna system”. VTC2002,：pp1574-1578

[5] J.C.Liberti and T.S.Rappaport.“Analytical Results for Capacity Improvement in CDMA”. IEEE Trans.on Veh. Tech., August 1994, Vol.43,No.3

[6] 李世鹤.“智能天线：打通3G”. 通信产业报

[7] 杜志敏.“码分多址系统中的智能天线技术研究”：[学位论文]. 北京：北京邮电大学，2001

[8] “智能天线技术系列讲座：自适应智能天线能用于FDD系统吗？”. 期刊校园－爱瑞通信新境界

----《中国移动通信》