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TD-SCDMA基站智能天线测试
王洪博 陆冰松 齐殿元 孙倩 杨军
2010-03-23 00:00:00 来源:[现代电信科技]

摘要 由于智能天线具有良好的性能,它已成为TD-SCDMA系统发展的关键技术之一。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心结合信息产业部科技司组织制定的《TD-SCDMA系统智能天线》标准,并配合TD-SCDMA网络规模试验,进行了大量相关试验,积累了测试经验和数据。

  由大唐电信代表中国政府提交的具有自主知识产权的TD-SCDMA技术先后被ITU-T和3GPP,采纳为第三代移动通信国际标准,成为中国百年电信史上的重要突破。

  智能天线最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。从20世纪90年代初开始,人们就试图考虑将智能天线技术引进到无线通信中来,但一直未能找到合适的途径。近年来,现代数字信号处理技术发展迅速,DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降,使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。

  由于智能天线良好的抗多用户干扰性能,能显著提高系统的性能和容量,并增加了天线系统的灵活性,使其成为TD-SCDMA系统的关键技术之一,它对网络性能有着重要影响,未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。在中国具有独立知识产权的TDD模式运行的TD-SCDMA技术中,已经成功引进了智能天线技术。从某种程度上可以说,智能天线是3G区别于2G系统的关键标志之一。

  信息产业部科技司已经组织制定了《TD-SCDMA系统智能天线》标准,由天线和天线智能控制两部分组成。《TD-SCDMA系统智能天线》标准分为两部分:目前已经完成了“第一部分:无源天线”(包括天线阵列和射频校准网络),接下来还将制定“第二部分:智能控制”(包括核心自适应算法)。

  配合TD-SCDMA网络规模试验,信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心已经陆续开展了相关试验。

一、TD-SCDMA系统中的智能天线

  1.基本原理

  智能天线包括自适应天线和切换波束天线。智能天线采用空分多址(SDMA)复用技术,即利用多个天线单元空间的正交性和信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,最大限度地利用有限的信道资源。与传统的、没有智能天线的基站比较,它在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分;而在基带信号处理部分的硬件则基本相同,每个射频收发信机都有ADC和DAC,它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号,然后将待发射的数字信号转换为模拟基带信号,最后完成模拟信号和数字信号的相互转换。而所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接,在性能方面,其上、下行链路的天线增益大大提高,降低了发射功率电平,提高了信噪比,有效地克服了信道传输衰落的影响。同时,由于天线波瓣直接指向用户,减小了与本小区内其他用户之间以及与相邻小区用户之间的干扰,而且也减少了移动通信信道的多径效应。

  自适应天线采用自适应算法,具有无限数目的、随时间调整的方向图,随着信号及干扰而变化。自适应天线技术是目前最先进的智能天线方法,采用数字信号处理技术和多种较新的信号处理算法,有效地跟踪、锁定各种类型的信号、识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束,可以动态抑制其干扰到最小,而所希望的信号最大。切换波束和自适应天线这两种系统都力图根据用户的位置来提高增益,但是只有自适应天线系统能提供优化增益。自适应天线阵列系统的优点是算法较为简单,可以得到最大的信号干扰比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化,动态响应速度相对较慢。自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。

  切换波束天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图,其天线系统可形成多个固定的波束,在特定的方向上提高灵敏度。它从几个预定义的、固定波束中选择其一,检测信号强度,当移动台越过扇区时,从一个波束切换到另一个波束。基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰,是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比,固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快,而且鲁棒性好,但它对天线单元与信道的要求较高,而且用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。

  TD-SCDMA系统中采用的是第一种,即自适应方向智能天线。具体而言,在TD-SCDMA系统的基本结构中,智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为25 cm。同全方向天线相比,它可获得最大9 dB的赋形增益。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方法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。此种类型的智能天线核心算法是自适应算法。目前在自适应算法的研究方面,已提出很多著名的算法,概括地讲,有基于波达方向估计(DOA)、非盲自适应算法和盲自适应算法几种类型。

  (1)基于波达方向估计

  经典的基于波达方向的估计方法有著名的MUSIC、ESPRIT及其改进算法,还有最大似然估计、基于高阶累计量、基于特征值分解的次最优估计等方法。该类算法要解决的问题是计算复杂、自由度小、矩阵分解等等。

  (2)非盲自适应算法

  自适应处理中的期望信号对自适应处理结果影响很大。在CDMA系统中,由于提供了导频信道,因此完全有条件进行非盲自适应算法。LS-DRMTA、LS-DRMTCMA就是该算法的具体实例。

  (3)盲自适应算法

  盲自适应是无法提供自适应算法中要求的期望信号,只能利用传输信号的特性进行波束形成,实现盲自适应算法。这种方法不是最优估计,典型的代表有恒模算法(CMA)。CMA有许多变形,如MT-LSCMA、MT-DD等。

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