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TD-SCDMA智能天线系统原理、实现及现场测试方案浅析
李克 饶毅
2010-03-23 00:00:00 来源:[中国无线电管理]

摘 要

  简要介绍了智能天线原理在TD-SCDMA系统中的实现情况,并结合智能天线物理特性,TD-SCDMA智能天线相关仿真数据和几个典型现场测试用例,对TD-SCDMA系统智能天线技术的原理、实现及功能验证进行了分析。

引言

  随着TD-SCDMA产业化进程的深入发展,不论是网络系统还是终端设备,TD-SCDMA各项技术正在经历着从实验室的功能验证到大规模现场网络性能验证的新阶段。作为我国自主知识产权的3G系统,TD-SCDMA各项系统性能指标目前已经达到或者正在逐步达到真实商用3G网络的要求。而TD-SCDMA作为唯一的一种采用TDD(时分双工)模式和智能天线技术的公众陆地移动通信系统,其关键技术包括联合检测、智能天线、上行同步、动态信道分配等,也已经完成了从功能到性能的飞跃,并开始在现场网络运行中得到越来越充分的验证。

  TD-SCDMA智能天线技术,最初应用于雷达、声纳等军事通信领域,主要实现空间滤波和定位。短短几年时间,智能天线已经完成了从军用到民用的转变,并成为TD-SCDMA最为核心的关键技术之一。智能天线的产业化进程,实际也可以看成是TD-SCDMA产业化进程的一个缩影。可以预见,智能天线技术将持续成为TD-SCDMA的热点技术,对于智能天线的进一步设计优化与大规模现场功能验证,将会越来越得到加强。

智能天线原理简介

  1.1 TD-SCDMA系统中智能天线的原理

  智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入系统基站侧的天线阵列,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元,可以获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。其原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival),旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。

  同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。

  在TD-SCDMA系统中,智能天线基本思想是,天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制,发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小;智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户,在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号不同的空间传播路径而区分。

  TD-SCDMA目前已实现的智能天线系统采用了现代数字信号处理技术,并选择合适的自适应算法,动态形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣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,从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度地抑制干扰信号的目的。基站会在整个小区内跟踪终端的移动,这样终端得到的信噪比可有极大的改善,从而优化了链路预算,干扰减小后频谱利用率也就提高了。

  TD-SCDMA由于上下行无线链路使用同一载频,无线传播特性近似相同,能够很好地支持智能天线技术。TDD(时分双工)技术中智能天线的使用增加了TD-SCDMA无线接口的容量。

  TD-SCDMA智能天线要实现两种波束,一种是广播波束,一种是业务波束。 广播波束是在广播时隙形成,要实现对整个小区的广播,所以要求波束宽度很宽,尽量做到小区无缝隙覆盖。

  业务波束是在建立具体的通话链路后形成,也就是形成跟踪波束,此时它会针对每一个用户形成一个很窄的波束,而且这些波束会紧紧地跟踪用户。由于波束很窄,能量比较集中,在相同的功率的情况下,智能天线能将有用信号强度增加,同时减小对其它方向用户的干扰,由于智能天线能很好地集中信号,所以发射机可以适当地减小发射功率。可见智能天线是名副其实的“绿色天线”。

  1.2 TD-SCDMA系统中采用智能天线的目的

  在TD-SCDMA中采用智能天线主要有以下目的:

  (1) 干扰抑制,采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向并在此方向形成主波束,根据用户信号不同空间传输方向提供不同波束,从而有效地抑制干扰。

  (2) 提高频谱效率,使主瓣自适应地指向移动台,可提高信号的载干比、降低发射功率,这种特性允许更密集的频率复用,使频谱效率得以显著的提高。

  (3) 减少基站数量,增加无线覆盖范围。通过智能天线获得较高的频谱利用率,使得高业务密度城市和城区所要求的基站数量变得较低,在业务量稀少的乡村,智能天线的方向性可使无线覆盖范围增加。

  (4) 提高定位精度,每一个移动用户都有自己的波束,使得系统可以估计出用户方位,并结合TA进行更精确的定位。

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