智能天线的发展及在td-scdma中的应用毕业论文(编辑修改稿)

智能天线的发展及在td-scdma中的应用毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

者减小它们的影响。 这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时延样本（ delay version）和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域（入射角 DOA， Direction Of Arrival）也存在差异，分集天线 （ antenna diversity）、特别是扇形天线（ sector antenna）可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。 智能天线是一种升缩性较好的技术。 在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达 BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗（ path loss），为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动 台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。 而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI 和 MAI 较大比例地增加了。 但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可 更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子（比如在 GSM 中使复用因子 3 成为可能），和同时支持更多用户（ CDMA 中）。 从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。 智能天线的又一个好处是可减小多径效应， CDMA 中利用 RAKE 接收机可对时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。 采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上 的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即是一种广泛适用的系统。 智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。 3G中的应用前景 3G 普遍采用基于 CDMA 的多址接入技术，依靠码字之间的正交性来区分不同的用户，因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、 TDD系统中的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。 同时，在理论分析智能天线的发展及在 TDSCDMA中的应用 13 的基础上，大量的仿真和 现场试验结果也证明了：在 3G 通信系统中，网内干扰将超过系统固有的热噪声，成为制约系统性能的主要因素。 在干扰和容量这一对矛盾的基础上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已经得到共识，成为 3G 网络 规划和运营的主要特点。 在业务特性上， 3G 以高速的数据业务、视频电话和能力得到增强的增值业务作为其对 2G 系统形成服务优势的主要手段，这必然使得 3G 具有大得多的 网络 流量。 但是与 2G 系统一样，它的容量同样受到空中频谱资源的限制。 我们注意到，理论上在相同条件下， CDMA 并不比 FDMA 或者是 TDMA 具有更大的频谱利用率。 因此，为了能够真正体现 3G系统在业务能力上的优势，必须使用新技术使频谱利用率得到质的提高， 智能天线 技术正是目 前被认为是能够实现这一目标的最有效的方法之一。 它通过增加系统 SDMA（空分多址）的能力，能够有效地缓解 3G系统中容量与网内干扰之间的矛盾，很大程度地提高系统对空中 无线 频谱资源的利用能力。 我国提出的 TDSCDMA 标准，由于其空中接口采用 TDD 的双工方式，通信的上下行信道使用相同的频率，因此以很短的时隙间隔、相互交错的上下行信道之间具有较强的相关性，这样比较容易根据上行信道的接收 情况对下行信道的发送特性进行准确的调整，因此 TDSCDMA 成为 3G 标准中最方便于使用 智能天线 的一个技术，并且已经进行了标准化，将 智能天线 作为其主要的关键技术之一。 第三代移动通信系统之 TDSCDMA TDSCDMA（ Time DivisionSynchronous CDMA）意为时分同步码分多址，集CDMA、 TDMA、 FDMA 及 SDMA 多种多址方式于一体，采用了智能天线、软件无线电、联合检测、接力切换、下行包交换高速数据传输等一系列高新技术，具有频谱利用率高、系统容量大、适合开展数据业务、系统成本低、符合移动技术发展方向等突出优势。 特别适合于为城市人口密集区提供高密度、大容量的话音、数据和多媒体业务。 系统可单独组网运营也可与其他无线接入技术配合使用。 技术概述 它的目标是要建立一个具有高频谱效率和高经济效率的先进的移动 通信系统。 其基本技术特性之一是在 TDD 模式下，采用在周期性重复的时间帧里传输基本的 TDMA 突发脉冲的工作模式（和 GSM 相同），通过同期性地转换传输方向，在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。 这个方案的优势在于上下行链路间的转换点的位置可以因业务的不同而任意调整。 当进行业务对称传输时，可选用对称的站换点位置；当进行非对称业务传输时，可在非对称的转换点位置范围内选择。 这样，对于上述两种业务， TDD 模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。 此外，针对不同性质的业务， TDSCDMA既可以在每个突发脉冲基础上利 用 CDMA和多用户检测技术进行多用户传输从而提高速率为 8～ 384kb/s的话音和多媒体业务，也可以不进行信号的扩频从而提供高速数据传输，如移动因特网的高速数据业务。 在基站收发信台（ BTS）和用户终端（ UE）中的业务模式转换是通过数字信号处理软件（ DSPSW）实现的。 这一方法为实现软件无线电奠定了基础。 总体来看， TDSCDMA 无线传输方案是 FDMA、 TDMA 和 CDMA 三种基础传输模式的灵活结合。 这种结合首先是通过多用户检测技术使得 TDSCDMA 的传输容量显著增长，而传输容量的进一步增长则是通过采用智能天线技术获得的。 智能天线的定向性降低了小区间干扰，从而使更为密集的频谱复用成为可能。 另外，为减少运营商的投资，无线传输模式的设计目标一是提高每个小区的数据吞吐量，另一智能天线的发展及在 TDSCDMA中的应用 14 个是减少小型基站数量已获得高收发器效率。 TDSCDMA 在实现这一目标方面也较为理想。 系统结构 TDSCDMA 系统的设计集 FDMA、 TDMA、 CDMA 和 SDMA 技术为一体，并考虑在当前中国和世界上大多数国家广泛采用 GSM 第二代移动通信的客观实际，他能够由GSM 平滑过渡到 3G 系统。 TDSCDMA 系统的功能模块主要包括：用户端设备（ UE）、基站（ BTS）、基站控制器（ BSC）和核心网。 在建网初期，还系统的 IP 业务通过GPRS 网关支持节点（ GGSN）接入到 分组交换机，话音和 ISDN 业务使用原来GSM 的移动交换机。 待基于 IP 的 3G 核心网建成后，将过渡到完全的 TDSCDMA 第三代移动通信系统。 关键技术 ： （ 1）智能天线 TDSCDMA 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，它可获得 8dB 的增益。 采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和发射功率，大大降低了系统内部的干扰和相邻小区间的干扰，从而使系统容量扩大 1 倍以上。 同时，还可以使业务高密度市区和郊区所需基站数目减少。 天线增益的提高也能降低高频放大器 (HPA)的线性输出功率，从而显著降低运营成本。 （ 2）综合采用多种多址方式 TDSCDMA使用了第二代和第三代移动通信 中的所有接入技术，包括 TDMA、 CDMA和 SDMA，其中最主要的创新部分是 SDMA。 SDMA 可以在频域、时域之外用来增加容量和改善性能， SDMA 的关键技术就是利用多天线对空间参数进行估计，对下行链路的信号进行空间合成。 另外，将 CDMA 和 SDMA 技术结合起来也起到了相互补充的作用，尤其是当几个移动用户靠得很近并使得 SDMA 无法分出时， CDMA 就可以很轻松地起到分离作用，而 SDMA 本身又可以使相互干扰的 CDMA 用户降至最小。 SDMA技术的另一个重要作用是可以大致估算出每个用户的距离和方位，可应用于第三代移动通信 用户的定位，并能为越区切换提供参考信息。 （ 3）信道分配 TDSCDMA 系统采用 RNC 集中控制的动态信道分配（ DCA）技术，在一定区域内，将几个小区的可用信道资源集中起来，由 RNC 统一管理，按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率、信道再用距离等诸多因素，将信道动态分配给呼叫用户。 这样可以提高系统容量、减少干扰、更有效地利用信道资源。 （ 4）多用户检测 多用户检测主要是指利用多个用户码元、时间、信号幅度以及相位等信息来联合检测单个用户的信号，以及到较好的接收效果。 最佳多用户检测的目标就是要找出输出序列中最大的输 入序列。 对于同步系统，就是要找出函数最大的输入序列，从而使联合检测的频谱利用率提高并使基站和用户终端的功率控制部分更加简单，更值得一提的是在不同智能天线情况下，通过联合检测就可在现存的 GSM基础设备上，通过 C=3 的蜂窝再复用模式使 TDSCDMA 可以在 的低载波频带下通过。 （ 5）同步 CDMA 同步 CDMA 指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，相互间智能天线的发展及在 TDSCDMA中的应用 15 不会产生多址干扰，提高了 TDSCDMA 系统的容量和频谱利用率。 （ 6）软件无线电 软件无线电的基本原理就是将宽带 A/D 和 D/A 转换器尽 可能靠近天线处，从而以软件来代替硬件实施信号处理。 采用软件无线电的优越性在于，基于同样的硬件环境，采用不同的软件就可以实现不同的功能。 TDSCDMA 的优势主要表现在以下几个方面。 （ 1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 TDSCDMA 仅需要 的最小带宽。 若带宽为 5HZ 则支持 3 个载波，在一个地区可组成蜂窝网，支持移动业务，并可通过自动信用卡道分配（ DCA）技术提供不对称数据业务。 （ 2）高频谱利用率 TDSCDMA 为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利用率高。 换言之，在使用相 同频带宽度时， TDSCDMA 可支持多一倍的用户。 （ 3）设备成本 在无线基站方面， TDSCDMA 的设备成本低，原因如下： ①智能天线能大大地增加接收灵敏度，减少同信道干扰，增加容量，同时，在发射端，也能降低干扰和输出功能功率。 ②上行同步降低了码道间干扰，提高了 CDMA 容量，简化了基站硬件，降低了成本。 ③软件无线电可缩短产品开发周期，减少硬件设备更新换代的损失，降低成本。 ④系统兼容 支持多种通信接口，由于 TDSCDMA 同时满足 Iub、 A、 Gb、 Iu、 Iur 多种接口的要求，因此 TDSCDMA 的基站 子系统可作为 2G 和 GSM 基站的扩容，又可作为 3G 网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和长远的发展。 智能天线在 TDSCDMA系统中的应用 TDSCDMA(时分同步的码分多址 )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。 TDSCDMA 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，它可获得较高的增益。 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(数字信号处理器 )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TDSCDMA 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。