智能天线解决方案王国镇最终版.docx
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智能天线解决方案王国镇最终版
新疆工业高等专科学校
毕业论文
题目:
智能天线技术在TD-SCDMA
中的探索与研究
院（系）:
计算机工程系
专业年级:
通信技术09-1
姓名:
王国镇
学号:
090452
指导教师:
艾散·帕合提
2012年06月16日
论文题目：
智能天线技术在TD-SCDMA中的探索与研究
专业：
通信技术
毕业生：
王国镇（签名）
指导老师：
艾散·帕合提（签名）
计算机工程系毕业答辩情况记录表
答辩人姓名
王国镇
班级
通信09-1
专业
通信技术
设计题目
智能天线技术在TD-SCDMA中的探索与研究
指导老师
艾散·帕合提
答辩日期
2012年6月19日
答辩时间
时分—时分
自述
回答问题
小结
答辩组长：
年月日
新疆工业高等专科学校
毕业设计（论文）评定意见书
设计（论文）题目：
智能天线技术在TD-SCDMA中的探索与研究
专题：
设计者：
姓名王国镇专业通信技术班级通信09-1
设计时间：
年月日—年月日
指导教师：
姓名职称单位
评阅人：
姓名职称单位
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
评阅人（签名）：
年月日
答辩委员会主任（签名）：
年月日
新疆工业高等专科学校
毕业设计（论文）任务书
一、题目：
智能天线技术在TD-SCDMA中的探索与研究
二、指导思想和目的：
三、设计任务或主要技术指标：
四、设计进度与要求：
五、主要参考书及参考资料：
专业班级：
学生：
指导教师：
年月日
教研室主任（签名）：
系（部）主任（签名）：
年月日
摘要
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的，是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。
我国提交的第三代移动通信标准TD-SCDMA系统的关键技术之一就是智能天线技术。
TD-SCDMA网络建设引入智能天线技术，将增加系统在空间上的分辨能力，从更高层次上提高系统对于无线频谱的利用率，提高网络容量。
本文介绍了智能天线的提出，给出了智能天线的定义及其分类，详细的介绍了智能天线基本结构和原理，对其中的自适应算法和波束形成技术进行详细的介绍；根据智能天线的优点和存在的问题深入分析了该技术在TD-SCDMA中的应用。
就智能天线存在的一些问题进行了分析，并提出了解决智能天线存在的问题的的一些方法。
在传统的Steiner信道估计器的基础上改进了TD一SCDMA系统的信道估计方法，该方法在一定程度上抑制了噪声对信道估计的影响。
在信道估计的基础上，提出了三种改进的干扰空间协方差估计的方法，即后处理方法；基于midamble码的干扰消除方法和基于数据段的干扰消除方法。
同传统的空窗估计方法相比，后处理方法和基于midamble码的干扰消除方法性能有明显改善。
关键词:
智能天线；自适应；TD-SCDMA；定向波束
第一章引言
随着全球移动通信业务的迅速发展,移动通信技术越来越引起人们的极大关注。
对于移动通信中所要求的信号传输强度也越来越高,由于覆盖范围的增大和传输数据的增多,对网络的传输和接收都提出了更高要求;此外移动通信迅速发展给系统带来的容量压力,使得如何高效率的利用无线频谱也受到了广泛的重视,智能天线（SmartAntenna）能很好的解决这方面的问题,智能天线利用数字信号处理技术将无线电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（directionofarrival）[1]，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效的利用移动用户信号，删除或抑制干扰信号的目的。
因此智能天线也越来越受到人们广泛的关注[2]。
第二章智能天线的概念及原理
智能天线包括多波束智能天线和自适应阵列智能天线,自适应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。
利用现代数字信号处理技术,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,利用有用信号和干扰信号在入射方向上有差异这一空间特征,消除多址干扰（MAI）、共信道干扰（CCI）以及多径衰落的影响,从而达到充分利用移动用户有用信号并抵消或最大程度抑制干扰信号的目的[3]。
因此,固定的天线阵列与数字信号处理器的结合,就构成了可以动态配置天线特性的智能天线。
2.1智能天线的定义
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的,是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。
它利用信号传输的空间特性,从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号,从而控制天线阵的方向图,达到增强所需信号抑制干扰信号的目的;同时它还能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化,自动调整天线阵的方向图,实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的,达到最佳收发信号,实现动态“空间滤波”的效果。
采用智能天线的目的主要有以下3点:
①通过提供最佳增益来增强接收信号;②通过控制天线零点来抑制干扰;③利用空间信息增大信道容量。
在2O世纪5O年代出现的早期的智能天线是旁瓣对消天线,这种天线包含一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、宽波束天线。
将几个这样的环路组合成阵列天线,就构成自适应天线。
随着阵列信号处理技术的发展,与智能天线有关的术语也越来越多。
智能天线（intelligentantenna）、相控阵（phasedarrays）、空分多址（SDMA）、空间处理（spatialprocessing）、数字波束形成（digitalbeamforming）、自适应天线系统（adaptiveantennasystem）等不同的说法,反映了智能天线系统技术的多个不同的方面。
采用天线阵列，根据信号的空间特性，能够自适应调整加权值，以调整其方向圆图，形成多个自适应波束，达到抑制干扰、提取信号目的的天线。
2.2智能天线的分类
早期智能天线的研究主要集中在军事领域,尤其是雷达领域,目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。
随后,智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者,日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划,这也为智能天线的迅速发展奠定了基础。
总的来说,智能天线主要包含两类:
开关波束系统和自适应阵列系统。
两者中,只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时,识别、跟踪和最小化干扰信号。
通常按照实现形式可将智能天线分为3类。
（1）自适应调零智能天线
它是以自适应天线技术为基础,采用自适应算法来形成方向图。
其基本原理就是根据天线的输入、输出特性,按一定的算法准则,自动地调节天线阵元的幅度和相位加权,在干扰方向上形成零陷,而在信号入射方向上增益最大,从而大幅度降低干扰电平,提高系统的信噪比。
但这种天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
（2）等旁瓣针状波束智能天线
它也是以自适应天线技术为基础,但与自适应智能天线不同之处在于它的天线方向图是等旁瓣方向图,且方向图的加权值是预先计算好的。
系统工作时,首先通过测向确定信号的到达方向（DOA）,选取合适的加权,然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向,从而提高接收信噪比。
这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰,可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制,但对处于主瓣区域内的干扰,采用此类智能天线将无法抑制,不及自适应智能天线。
但等旁瓣智能天线无需迭代,而且响应速度快[7]。
（3）数字波束形成智能天线
它运用数字波束形成（DigitalBeamForming,简称DBF）技术,将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。
系统工作时,利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号,当基准信号到达波束形成自适应天线阵时,便给信号处理器提供一个方向信息,将各阵元的接收信号转换到基带,由A/D转换器转换成数字信号,然后根据方向信息对数字信号进行加权处理,从而在此方向上形成所需的波束。
2.3智能天线的基本组成
典型的智能天线结构图如图2.-1所示。
它由天线阵列、A/D和D/A转换、自适应算法控制器和波束形成网络组成。
其中波束形成网络是由每个单元天线的空间感应信号加权相加,其权系数为复数,即每路信号的幅度和相位均可以改变。
自适应控制网络是智能天线的核心,该单元的功能是根据一定的算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位,动态的产生空间定向波束[4]
图2-1智能天线的典型结构
2.4智能天线的基本原理
智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信干比。
广义地说，智能天线技术是一种天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配技术。
以接收过程为例，每一个天线后接一个加权器（即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位）或者延时抽头加权网络（结构上与时域FIR均衡器相同），最后用相加器进行合并，来完成空域滤波或者空域和时域的联合处理。
通常，这些加权系数可以恰当改变、自适应调整。
对于发射过程，加权器或加权网络置于天线之前，没有相加合并器。
图2.-2示出了智能天线的加权示意图。
该加权网络由N个天线单元组成，每个天线单元有M套加权器（对应M个用户），可以形成M个不同方向的波束。
用户数M可以大于天线单元数N。
图2-2智能天线的加权示意图
图2-3结构原理图
由于天线有发射和接收两种工作状态，所以智能天线包括智能发射和智能接收两部分，它们的工作原理基本相同。
智能接受时，自适应天线阵能在干扰方向未知的情况下对阵列中各个阵元的信号输入进行自适应的加权调整，使阵列天线方向图的零点对准干扰方向调零，以减小甚至抵消干扰信号，从而达到从混合的接收信号中解调出期望得到的信号的目的。
即使在干扰和信号同频率的情况下，也能成功地抑制干扰。
如天线的阵元数增加，还可增加零点数来抑制不同方向上的几个干扰源，实际效果可达25dB~30dB以上。
智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动目标，同时抑制来自窄波束以外的干扰和噪声，使系统处于最佳状态。
智能发射时，根据从接收信号中获取的UE信号方位图，自适应地调整每个辐射阵元输出的幅度和相位，使得他们的输出在空间叠加，产生指向UE的赋形波束。
图2-4智能天线示意图
天线系统模型
图2-4为天线系统模型，时间平均功率为只的信号馈入天线，天线将此功率向所有方向辐射。
某个方向上的功率密度为u（0，内，单位为可（ard）“。
如果天线无损耗且理想匹配，则总功率将由天线辐射出去。
图2-5天线系统分析的几何表示
2.5智能天线的实现
波束形成技术是智能天线能否实现的关键。
简单地说,波束形成就是将天线阵列上接收到的信号变换到基带,然后进行相应的空间谱处理,获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率估值和DOA估值。
在此基础上,依据一定的准则,计算信号在各个天线阵元的加权矢量,生成多个高增益的动态窄波束来跟踪多个期望用户。
可以说波束形成是一种空间滤波方法,目的是从信号、干扰和噪声混在一起的输入信号中提取期望信号。
在接收模式下,抑制来自窄波束之外的信号;而在发射模式下,使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束范围以外的非期望用户受到的干扰最小[5]。
智能天线采用数字波束形成（DBF）方式,用软件完成自适应算法的更新,或采用数模结合的处理方法,在不改变系统硬件配置前提下,即保证处理精度,又保证处理速度和灵活性。
智能天线的波束形成算法,主要有盲算法、非盲算法和半盲算法三种。
非盲算法需要参考信号,因此需要占用一定的频谱,从而导致频谱的有效利用率降低;盲算法不需要任何先验信息,但收敛性和捕获能力方面尚有许多不足;半盲算法是二者的折中[6]。
2.6智能天线的自适应算法
自适应算法是智能天线研究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类。
（1）非盲算法非盲算法是指需要借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE（最小均方误差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。
（2）盲算法无需发端传送已知的导频信号，他一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模、子空间、有限符号集、循环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。
非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源。
将二者结合产生一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做可综合二者的优点，同时也与实际的通信系统相一致，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。
2.7波束形成技术
在蜂窝移动通信系统中,由于用户通常分布在各个方向,加之无线移动信道的多径效应,有用信号存在一定的空间分布。
其一,当基站接收信号时,来自各个用户的有用信号到达基站的方向可能不同,且信号与其到达角度之间存在复杂的依赖关系;其二,当基站发射信号时,可被用户有效接收的也只是部分的信号。
考虑到这一因素,调整天线方向使其能实现指向性的接收与发射是很自然的想法,这也就是波束形成概念的最初来源。
波束形成的目标是根据系统性能指标,形成对基带信号的最佳组合与分配。
具体说,波束形成的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落与失真,同时降低用户间的共信道干扰。
智能天线均采用数字方法实现波束形成,即数字波束形成（DBF）天线,从而可以使用软件设计完成自适应算法更新,在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性。
DBF对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束,主波束对准期望用户方向,而将波束零点对准干扰方向。
根据波束形成的不同过程,实现智能天线的方式又分为两种:
阵元空间处理方式和波束空间处理方式。
（1）阵元空间处理方式:
直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后,形成阵列输出,使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。
（2）波束空间处理方式:
当前自适应阵列处理技术的发展方向。
是两级处理过程,第一级对各阵元信号进行固定加权求和,形成多个指向不同方向的波速率;第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出,此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数作自适应处理,而是仅对其中的部分阵元作自适应处理,因此,属于部分自适应阵列处理。
这种结构的特点是计算量小,收敛快,并且具有良好的波束赋形性能。
2.8全向波束和赋形波束
智能天线的功能主要是由自适应的发射和接收波束赋形来实现的。
而且,接收和发射波束赋形是依据基站天线几何结构、系统的要求和所接收到的用户信号。
在移动通信系统中,智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,提高系统性能是非常直接的;但在用户没有发射、仅处于接收状态下,又是在基站的覆盖区域内移动时（空闲状态）,基站不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射（如系统中的Pilot、同步、广播、寻呼等物理信道）。
一个全向覆盖的基站,其不同信道的发射波束是不同的,即基站必须能提供全向和定向的赋形波束,这样一来,对全向信道来说,将要求高得多的发射功率（最大可能为比专用信道高10lgNdB）,这是系统设计时所必须考虑的。
第三章智能天线技术在TD-SCDMA系统中的应用
WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术，但由于其算法复杂度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技术明确表示将在基站端使用智能天线。
对于系统基站而言智能天线技术在3G中的应用主要体现在两个方面，即基站的收和发，具体而言就是上行收与下行发。
智能天线的上行收技术研究较早，因此也较为成熟。
上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。
在自适应方式中，可根据一定的自适应算法对空、时域处理的各组权值系数进行调整，并与当前传输环境进行最大限度的匹配，从而实现任意指向波束的自适应接收。
全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值，但在实际工程中，由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。
在工程设计时，更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式。
因为波束切换中的各权值系数只能从预先计算好的几组中挑选，因此计算量、收敛速度等方面较全自适应方式有优势。
然而在这种方式下由于智能天线的工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择，因而它不能完全实现自适应性的任意指向，在理论上并不是最优的。
实现基站智能天线下行发射难度相对较大，主要因为智能天线在设计波束时很难准确获知下行信道的特征信息。
目前在这方面主要有下述两种方案。
（1）利用类似第二代移动通信的IS-95中的上行功率控制技术形成闭环反馈测试结构形式，也就是说基站通过正向链路周期性地向移动台发射训练序列，而移动台通过反向链路反馈信号，从而估计最佳正向链路加权系数。
（2）利用上行信道中提取的参数估计下行信道。
这种方法实际上就是智能天线依靠从上行链路中提取的参数来对下行波束赋形，对于FDD方式，由于上下行频率间隔相差较大，衰落特性完全独立因而不能使用。
但对于TDD方式，上下行时隙工作于相同频段，只要上下行的帧长较短完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。
TD-SCDMA系统将一个10ms的帧分裂成两个5ms的子帧，缩短了上、下行的转换时间。
TD-SCDMA系统综合了FDMA、TDMA、CDMA以及TDD模式中联合检测与智能天线等先进技术。
其基本技术特征之一是在TDD模式下，采用周期性重复的时间帧传输基本的TDMA突发脉冲，通过周期性地切换传输方向，在同一载波上交替地进行上下行链路传输，在保证高频谱效率的同时，又获得了经济效益。
TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess）即时分的同步码分多址技术，是我国具有自主知识产权的通信技术标准，与欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准并称为3G时代主流的移动通信标准。
TD—SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体，系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强，智能天线技术是TD—SCDMA的关键技术之一，越来越多的研究者和工程技术人员将目光投向智能天线技术和TD—SCDMA的研究。
1TD-SCDMA系统
大唐电信集团开发的TD-SCDMA系统采用时分双工TDD，TDMA/CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天线、多用户检测、正交可变扩频因数、Turbo编码技术、CDMA等新技术，工作于2010～2025MHz。
我国为TD-SCDMA划分了155MHz非对称频段，具体为1880～1920MHz，2010～2025MHz和2300～2400MHz。
1.1TD—SCDMA标准概况
多址接入方式：
DS-CDMA/CDMA/SDMA；码片速率：
1．28MCPS；双工方式：
TDD；载频宽度：
1．6MHz；扩频技术：
OVSF；调制方式：
QPSK，8PSK；编码方式：
卷积编码，Turbo编码；功率控制：
200次/s。
TD—SCDMA的主要优势有：
使用智能天线、多用户检测等新技术；可高效率地满足不对称业务需要；简化硬件，可降低产品成本和价格；便于利用不对称的频谱资源，频谱利用率大大提高；可与第二代移动通信系统兼容。
1.2TD—SCDMA关键技术
（1）综合的寻址（多址）方式
TD-SCDMA空中接口采用了四种多址技术：
TDMA，CDMA，FDMA，SDMA（智能天线）。
综合利用四种技术资源分配时在不同角度上的自由度，得到可以动态调整的最优资源分配。
（2）灵活的上下行时隙配置
灵活的时隙上下行配置可以随时满足您打电话，上网浏览、下载文件、视频业务等的需求，保证您清晰、畅通享受3G业务。
（3）TD克服呼吸效应和远近效应
呼吸效应：
在CDMA系统中，当一个小区内的干扰信号很强时，基站的实际有效覆盖面积就会缩小；当一个小区的干扰信号很弱时，基站的实际有效覆盖面积就会增大。
简言之，呼吸效应表现为覆盖半径随用户数目的增加而收缩。
形成呼吸效应的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统，用户增加导致干扰增加而影响覆盖。
对于TD—SCDMA而言，通过低带宽FDMA和TDMA来抑制系统的主要干扰，在单时隙中采用CDMA技术提高系统容量，而通过联合检测和智能天线技术（SDMA技术）克服单时隙中多个用户之间的干扰，因而产生呼吸效应的因素显著降低，故TD系统不再是一个干扰受限系统（自干扰系统），覆盖半径不像CDMA那样因用户数的增加而显著缩小，因而可认为TD系统没有呼吸效应。
远近效应：
由于手机用户在一个小区内是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。
如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁辐射。
解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，即功率控制。
功率控制的原则是，当信道的传播条件突然变好时，功率控制单元应在几微妙内快速响应，以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。
也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止对其他众多用户产生较大的背景干扰。
动态信道分配（DCA）
动态信道分配（DynamicChannelAllocation，DCA）就是根据用户的需要进行实时动态的资源（频率、时隙、码字等）分配。
动态信道分配的优点：
频带利用率高、无需网络规划中的信道预规划、可以自动适应网络中负载和干扰的变化等。
（5）智能天线技术
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。
智能天线可以用于基站端，也可用于移动终端。
目前主要研究的是在基站端的智能无线收与发，即上行收与下行发。
TD-SCDMA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。
TD-SCDMA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。
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TD—SCDMA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。
在TD-SCDMA系统中，基站系统通过数字信号处理技术与自适应算法，使智能天线动态地在覆盖空间中形成针对特定用户的定向波束，充分利用下行信号能量并最大程度的抑制干扰信号。
基站通过智能天线可在整个小区内跟踪终端的移动，这样终端得到的信噪比得到了极大的改善，提高业务质量。
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