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学 士 学 位 论 文

国产3G 如何脱颖而出

姓 名:

刘学民 学 号:

200705230231 指导教师:

王宁 刘宗峰 院系(部所):

物理与电子工程系 专 业:

电子信息工程 完成日期: 2011年05月20日

学校代码:10904

姓名:刘学民

学号:200705230231 指导教师:王宁刘宗峰

院系(部所):物理与电子工程系专业:电子信息工程

完成日期:2011年05月20日

摘要

我国是世界上移动通信发展最快的国家之一,到1997年底用户已达1323万,预计到今年手机用户数将达到8.89亿。在第一代(1G)和第二代(2G)移动通信系统发展中,由于多方面的因素,我们未能真正形成自己的移动通信产业,现在,第三代移动通信国际上正处于起步阶段,相关的体制、标准制定工作才开始进行。通过3G把我国的科研通讯产业带动起来,使我国的通讯网逐步国产化。

3G通讯技术已离我们的生活越来越近,它的到来必将掀起一阵无线通讯的新浪潮,3G是向未来个人通信演进的一个重要发展阶段,具有里程碑和划时代的意义。预计,在我国3G的商用化尚需几年时间,站在迎接未来移动通信市场日益激烈的竞争这一战略高度上,我们将在这几年宝贵时间中,大力发展GSM,不断推出新业务,积极稳妥地做好向3G演进的准备工作。

【关键词】 3G;TD-SCDMA;国产3G

Abstract

China is the world's fastest growing mobile communications one of the countries, the end of 1997 reached 13.23 million users, is expected this year, the number of mobile phone users will reach 889 million. In the first generation (1G) and second generation (2G) mobile communications systems, due to various factors, we can not truly create their own mobile communications industry, and now, the third generation mobile communication is in its infancy internationally, related System, standard-setting work has only begun.

3G communications technology has been away from our lives is getting closer, its arrival is bound to set off a new wave of wireless communication, 3G is the next evolution of personal communications is an important stage of development,milestone and epoch-making significance. Expected, the commercialization of 3G in China still need a few years, standing for the future mobile communications market with increasing competition on the strategic level, we will be a valuable time in the past few years, to develop GSM, the introduction of new services, Actively and steadily make preparations for t he 3G evolution.

【Key words】3G;TD-SCDMA;Domestic 3G

目录

第1章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2国产3G的特点 (2)

1.3本文的研究意义 (4)

第2章国产3G中的联合检测技术分析 (5)

2.1联合检测技术概述 (5)

2.2联合检测技术在国产3G中的应用分析 (7)

2.3联合检测技术的发展 (9)

第3章国产3G中的智能天线的技术分析 (12)

3.1智能天线概述 (12)

3.2智能天线中的波束 (14)

3.3自适应天线 (16)

第4章对国产3G的研究的展望 (18)

致谢 (21)

第1章绪论

1.1引言

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准(简称3G),自1998年正式向ITU(国际电联)提交以来,已经历十多年的时间,完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP(第三代伙伴项目)体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作,从而使TD-SCDMA标准成为第一个由中国提出的,以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。(注:3G共有4个国际标准,另外3个是美国主导的CDMA2000、WiMAX和欧洲主导的WCDMA.) 时分-同步码分多址存取(英文:Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access,缩写为:TD-SCDMA),是ITU批准的三个3G标准中的一个,相对于另两个主要3G标准(CDMA2000和WCDMA)它的起步较晚。

该标准是中国制定的3G标准。原标准研究方为西门子。为了独立出WCDMA,西门子将其核心专利卖给了大唐电信。之后在加入3G标准时,信息产业部(现工业信息部)官员以爱立信,诺基亚等电信设备制造厂商在中国的市场为条件,要求他们给予支持。1998年6月29日,原中国邮电部电信科学技术研究院(现大唐电信科技产业集团)向ITU提出了该标准。该标准将智能天线、同步CDMA和软件无线电(SDR)等技术融于其中。另外,由于中国庞大的通信市场,该标准受到各大主要电信设备制造厂商的重视,全球一半以上的设备厂商都宣布可以生产支持TD-SCDMA标准的电信设备。

TD-SCDMA在频谱利用率、频率灵活性、对业务支持具有多样性及成本等方面有独特优势。TD-SCDMA由于采用时分双工,上行和下行信道特性基本一致,因此,基站根据接收信号易估计上行和下行信道特性比较容易。此外,TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势,而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点,可以减少用户间干扰,从而提高频谱利用率。

TD-SCDMA还具有TDMA的优点,可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比例,特别适合因特网业务中上行数据少

而下行数据多的场合。但是这种上行下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。TD-SCDMA是时分双工,不需要成对的频带。因此,和另外两种频分双工的3G标准相比,在频率资源的划分上更加灵活。

一般认为,TD-SCDMA由于智能天线和同步CDMA技术的采用,可以大大简化系统的复杂性,适合采用软件无线电技术,因此,设备造价可望更低1。但是,由于时分双工体制自身的缺点,TD-SCDMA被认为在终端允许移动速度和小区覆盖半径等方面落后于频分双工体制。

1.2国产3G的特点

TD-SCDMA的提出比其他标准较晚,这给其产品成熟性带来一定的挑战,但在另一方面,TD-SCDMA吸纳了九十年代以来移动通信领域最先进的技术,在一定程度上代表了技术的发展方向,具有前瞻性和强大的后发优势。与其他3G标准相比,TD-SCDMA系统及其技术有着如下突出优势。TD-SCDMA系统综合采用了联合检测、智能天线和上行同步等先进技术,系统内的多址和多径干扰得到了极大缓解,从而有效地提高了频谱利用率,进而提高了整个系统的容量。具体来讲,联合检测和上行同步可极大降低小区内的干扰,智能天线则可以有效抑制小区间及小区内的干扰。另外,联合检测和智能天线对于缓解2G频段上更加明显的多径干扰也有极大作用。所以,TD-SCDMA系统的这一特点决定了它将非常适合于在3G网络建设初期提供大容量的网络解决方案。对TD-SCDMA系统来说,其容量主要受限于码资源。TD-SCDMA支持多载波2,载频之间切换很容易实现。因为TD-SCDMA是时分系统,手机可在控制信道时扫描其它频率,无需任何硬件轻松实现载波间切换,并能保证很高的成功率3。另外通过多载波可以消除导频污染以及突发导频,从而降低掉话率。因为TD系统可以将邻小区的导频安排在不同的载波上,从而降低导频污染。大家都知道导频污染是CDMA系统最头疼的地方。TD在这方面有独特优势。另外TD在室内覆盖方面也有很大优势。用户数的增加使覆盖半径收缩的现象称之为呼吸效应。CDMA系统是一个自干扰系统,当用户数显著增加时,用户产生的自干扰呈指数级增加,因此呼吸效应是一般CDMA系统的天生缺陷。呼吸效应的另一个表现形式是每种业务用户数的变化都会导致所有业务的覆盖半径发生变化,这会给网络规划和网络优化带来很大的麻烦。TD-SCDMA是一个集CDMA、

FDMA、TDMA于一身的系统,它通过低带宽FDMA和TDMA来抑制系统的主要干扰,使产生呼吸效应的因素显著降低;由于TD-SCDMA在每个时隙中采用CDMA技术来提高容量,产生呼吸效应的唯一原因是单时隙中多个用户之间的自干扰,由于TD-SCDMA单时隙最多只能支持8个12.2k的话音用户,用户数量少,使用户的自干扰比较少。

同时,这部分自干扰通过联合检测和智能天线技术被进一步抑制,因此TD-SCDMA不再是一个干扰受限系统,而是一个码道受限系统,覆盖半径不随用户数的增加而变化,即没有呼吸效应。TD-SCDMA系统采用时分双工模式,它的一个载波只需占用 1.6MHz的带宽就可以提供速率达2Mbps的3G业务,对于频率分配的要求简单和灵活了许多。在今后多家移动运营商共存的情形下,频谱资源的使用情况会相对复杂,而TD-SCDMA系统大大提高了对频谱资源利用的灵活性。中国政府为TDD分配了155MHz的工作频段,对比于FDD上下行共90MHz的对称频段,TDD系统在频率资源方面的优势,为TDD系统的网络扩容和后续发展埋下了轻松的一笔。除中国外,世界各国3G频谱规划都包括TDD频段,日本、欧洲运营商3G牌照中已经包括TDD频段,为未来TD-SCDMA进入国际市场提供了机遇。这为TD-SCDMA技术的国际化应用和国际漫游,提供了必要的条件。从系统角度看,TD-SCDMA与GSM均为时分复用系统,可以灵活进行系统之间的测量控制和切换。从终端角度看,TD-SCDMA与GSM的切换较易引入目前单模手机,TD-SCDMA/GSM双模手机成本低于WCDMA/GSM成本。目前,展讯,T3G等芯片厂商均支持TD-SCDMA/GSM双模手机解决方案。TDD技术的采用是TD-SCDMA系统与其他两大3G主流标准FDD系统的根本区别。TD-SCDMA系统子帧中上下行链路的转换点是可以灵活设置的,根据不同承载业务分别在上下行链路上数据量的分布,上下行资源可以有从3:3的对称分配到1:5的非对称分配调整。

在未来3G多样化的业务应用中,非对称的数据业务会占有越来越多的比例,大部分业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量不对称4。FDD 系统由于其固定的上下行频率的对称占用,在承载非对称业务时会造成对频谱资源的浪费。而TD-SCDMA系统可以通过配置切换点位置,灵活地调度系统上下行资源,使得系统资源利用率最大化。因此TD-SCDMA系统更加

适合未来的3G非对称数据业务和互联网业务方面。综上所述,TD-SCDMA 单独组网具有网络规划简单,建设和维护成本低的好处。而TD-SCDMA具有的非对称数据业务传输的特点使其更具有其他技术不可比拟的优势。

1.3本文的研究意义

TD-SCDMA是由中国第一次提出的无线通信的技术标准,在与欧洲、美国各自提出的3G标准的竞争中,于2001年正式成为全球3G标准之一,这标志着中国在移动通信领域已经进入世界领先之列。

有关专家认为,TD-SCDMA将从根本上结束我国通信产业“空心化”的现状。由于我国基本不掌握2G时代的核心通信技术,70%的手机芯片要向国外购买,同时考虑到我国用户更换手机周期仅为1.45年,大大低于国外的1.8年,“手机大国”每年为此要向外方支付惊人的费用。不仅如此,不少国家还向中国提出了追溯10年的2G版权使用费,金额涉及数千亿元。而TD-SCDMA作为我国制定并拥有自主知识产权的通信标准,将彻底改变这种被动局面,并将在接下来的4G、5G时代不再受制于人。

第2章国产3G中的联合检测技术分析

2.1联合检测技术概述

信号分离的方法大致可以分为单用户检测技术和多用户检测技术两种。在实际的CDMA移动通信系统中,由于各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户产生的MAI固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声一样的干扰,导致信噪比严重恶化,系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测。IS-95等第二代CDMA系统实际容量远小于设计码道数,就是因为使用了单用户检测技术。实际上,由于MAI中包含许多先验的信息,如确知的用户信道码,各用户的信道估计等等,因此MAI不应该被当作噪声处理,它可以被利用起来以提高信号分离方法的准确性。这样充分利用MAI中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法称为多用户检测技术(MD)。根据对MAI处理方法的不同,多用户检测技术可以分为干扰抵消和联合检测两种。其中,干扰抵消技术的基本思想是判决反馈,首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据,根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号,再从总接收信号中减去重构信号,如此循环迭代。联合检测技术则指的是充分利用MAI,一步之内将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术。

传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,其接收端用一个和发送地址码(波形)相匹配的匹配滤波器(相关器)来实现信号分离,在相关器后直接解调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形,相当于是RAKE接收机,实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理想正交的情况下,才能完全消除多址干扰的影响,对于非理想正交的情况,必然会产生多址干扰,从而引起误码率的提高。TD-SCDMA系统中采用的联合检测技术是在传统检测技术的基础上,充分利用造成MAI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息,把用

户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成,从而具有优良的抗干扰性能,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源,显著地提高系统容量5。

TD-SCDMA系统中在帧结构中设置了用来进行信道估计的训练序列Midamble,根据接收到的训练序列部分信号和我们已知的训练序列就可以估算出信道冲激响应,而扩谱码也是确知的,那么我们就可以达到估计用户原始信号d的目的。TD-SCDMA上行链路系统结构图如2.1所示

图 2-1 TD-SCDMA上行链路系统结构图

联合检测算法的具体实现方法有多种,大致分为非线性算法、线性算法和判决反馈算法等三大类。根据目前的情况,在TD-SCDMA系统中采用了线性算法中的一种6,即迫零线性块均衡(ZF-BLE)法。

随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高,联合检测技术的优势也会越来越显著。经过大量的仿真计算和实际的现场实验,我们发现使用联合检测技术可以为系统带来了以下好处:

降低干扰,联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除MAI干扰。

扩大容量,联合检测技术充分利用了MAI的所有用户信息,使得在相同RAWBER的前提下,所需的接收信号SNR可以大大降低,这样就大大提高了接收机性能并增加了系统容量。

削弱“远近效应”的影响。由于联合检测技术能完全消除MAI干扰,因此产生的噪声量将与干扰信号的接收功率无关,从而大大减少“远近效应”对信号接收的影响。

降低功控的要求。由于联合检测技术可以削弱“远近效应”的影响,从而降低对功控模块的要求,简化功率控制系统的设计。通过检测,功率控制的复杂性可降低到类似于GSM的常规无线移动系统的水平。

联合检测技术已成功的应用于TD-SCDMA系统,该技术在TD-SCDMA 系统中的成熟性和可应用性是没有问题的。

联合检测技术在改善系统性能的同时还将对降低无线网络成本起到很大的作用,这主要体现在以下几个方面。

第一,由于联合检测技术可以降低干扰,因而提高了系统的容量。特别是对于容量受限的系统来讲,将减少基站设备的个数,因而大大降低整个网络的成本。

第二,联合检测技术可以削弱″远近效应″的影响,从而降低对功控的复杂度。这种复杂度的降低从某种程度上也可以减少对该模块的投入,从而降低整个网络的成本。

总之,联合检测技术的优越性在于它充分利用了所有和MAI相关的先验信息,通过与其它先进技术如智能天线技术相结合,达到相辅相成的效果。它不仅提高了频率的利用率,改善了系统性能,同时还降低了网络成本。作为TD-SCDMA系统的一个重要组成部分,联合检测技术必将能给运营商带来极佳的经济效益。

2.2联合检测技术在国产3G中的应用分析

近年来,智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术,利用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。与无方向性天线相比较,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它用户之间,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。CDMA系统是个功率受限系统,智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的,从而显著地扩大了系统容量,提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性,即空分多址复用(SDMA)功能,来提高系统的容量和频谱利用率。这样,TD-SCDMA系统

充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势,使系统性能最佳化。智能天线的核心在于数字信号处理部分,它根据一定的准则,使天线阵产生定向波束指向用户,并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵,由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制,可同时产生多个波束,按照通信用户的分布,在360°的范围内任意赋形7。为了消除干扰,波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点,该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。TD-SCDMA使用的智能天线当N=8时,比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB(对接收)和18dB(对发射)。每个振子的增益为8dB,则该天线的最大接收增益为17dB,最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多,对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。

根据以上基本原理,在CDMA系统(无论是TDD或FDD方式)中,采用智能天线和波束赋形技术,能够在多个方面大大改善通信系统的性能,概括地讲主要有:提高了基站接收机的灵敏度,提高了基站发射机的等效发射功率,降低了系统的干扰,增加了CDMA系统的容量,改进了小区的覆盖,降低了无线基站的成本。

由于采用智能天线后,应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率,能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰,从而使系统容量扩大一倍以上;同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村,无线覆盖范围将增加一倍,这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1/4。天线增益的提高也能够降低高频功率放大器(HPA)的线性输出功率8。因为HPA的费用占收发信机成本的主要部分。所以,智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。

2.3联合检测技术的发展

联合检测是多用户检测的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的,接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法可以分为单用户检测技术和多用户检测技术两种。

在实际的CDMA移动通信系统中,由于各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户产生的MAI固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声一样的干扰,导致信噪比严重恶化,系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测。IS-95等第二代CDMA系统实际容量远小于设计码道数,就是因为使用了单用户检测技术。实际上,由于MAI中包含许多先验的信息,如确知的用户信道码,各用户的信道估计等等,因此MAI不应该被当作噪声处理,它可以被利用起来以提高信号分离方法的准确性。这样充分利用MAI中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法称为多用户检测技术(MD)。根据对MAI处理方法的不同,多用户检测技术可以分为干扰抵消和联合检测两种。其中,干扰抵消技术的基本思想是判决反馈,首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据,根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号,再从总接收信号中减去重构信号,如此循环迭代。

联合检测技术则指的是充分利用MAI,一步之内将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术。联合检测是多用户检测的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的,接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测技术和多用户检测技术两种。

在实际的CDMA移动通信系统中,由于各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户产生的MAI固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的CDMA系统信号分离方法是把M

AI看作热噪声一样的干扰,导致信噪比严重恶化,系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测。IS-95等第二代CDMA系统实际容量远小于设计码道数,就是因为使用了单用户检测技术。实际上,由于MAI中包含许多先验的信息,如确知的用户信道码,各用户的信道估计等等,因此MAI不应该被当作噪声处理,它可以被利用起来以提高信号分离方法的准确性。这样充分利用MAI中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法称为多用户检测技术(MD)。根据对MAI处理方法的不同,多用户检测技术可以分为干扰抵消和联合检测两种。其中,干扰抵消技术的基本思想是判决反馈,首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据,根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号,再从总接收信号中减去重构信号,如此循环迭代。

联合检测技术则指的是充分利用MAI,一步之内将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术,它已成为目前第三代移动通信技术中的热点。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,其接收端用一个和发送地址码(波形)相匹配的匹配滤波器(相关器)来实现信号分离,在相关器后直接解调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形,相当于是RAKE接收机,实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理想正交的情况下,才能完全消除多址干扰的影响,对于非理想正交的情况,必然会产生多址干扰,从而引起误码率的提高。TD-SCDMA系统中采用的联合检测技术是在传统检测技术的基础上,充分利用造成MAI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息,把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成,从而具有优良的抗干扰性能,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源显著地提高系统容量。

TD-SCDMA系统中在帧结构中设置了用来进行信道估计的训练序列Midamble,根据接收到的训练序列部分信号和我们已知的训练序列就可以估算出信道冲激响应,而扩谱码也是确知的,那么我们就可以达到估计用户原始信号的目的。

联合检测算法的具体实现方法有多种,大致分为非线性算法、线性算法和判决反馈算法等三大类。根据目前的情况,在TD-SCDMA系统中采用了线性算法中的一种,即迫零线性块均衡(ZF-BLE)法。

随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高,联合检测技术的优势也会越来越显著。经过大量的仿真计算和实际的现场实验,我们发现使用联合检测技术可以为系统带来了以下好处:

降低干扰。联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除MAI干扰。

扩大容量。联合检测技术充分利用了MAI的所有用户信息,使得在相同RAWBER的前提下,所需的接收信号SNR可以大大降低,这样就大大提高了接收机性能并增加了系统容量。

削弱“远近效应”的影响9。由于联合检测技术能完全消除MAI干扰,因此产生的噪声量将与干扰信号的接收功率无关,从而大大减少“远近效应”对信号接收的影响。

降低功控的要求。由于联合检测技术可以削弱“远近效应”的影响,从而降低对功控模块的要求,简化功率控制系统的设计。通过检测,功率控制的复杂性可降低到类似于GSM的常规无线移动系统的水平。

联合检测技术已成功的应用于TD-SCDMA系统,该技术在TD-SCDMA 系统中的成熟性和可应用性是没有问题。联合检测技术在改善系统性能的同时还将对降低无线网络成本起到很大的作用10,这主要体现在以下几个方面。第一,由于联合检测技术可以降低干扰,因而提高了系统的容量。特别是对于容量受限的系统来讲,将减少基站设备的个数,因而大大降低整个网络的成本。第二,联合检测技术可以削弱″远近效应″的影响,从而降低对功控的复杂度。这种复杂度的降低从某种程度上也可以减少对该模块的投入,从而降低整个网络的成本。

总之,联合检测技术的优越性在于它充分利用了所有和MAI相关的先验信息,通过与其它先进技术如智能天线技术相结合,达到相辅相成的效果。它不仅提高了频率的利用率,改善了系统性能,同时还降低了网络成本。作为TD-SCDMA系统的一个重要组成部分,联合检测技术必将能给运营商带来极佳的经济效益。

第3章国产3G中的智能天线的技术分析

3.1智能天线概述

近年来,智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术,利用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。与无方向性天线相比较,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它用户之间,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11。CDMA系统是个功率受限系统,智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的,从而显著地扩大了系统容量,提高了频谱利用率12。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性,即空分多址复用(SDMA)功能13,来提高系统的容量和频谱利用率。这样,TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势,使系统性能最佳化。智能天线的核心在于数字信号处理部分,它根据一定的准则,使天线阵产生定向波束指向用户,并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵,由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制,可同时产生多个波束,按照通信用户的分布,在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰,波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点,该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB14。TD-SCDMA使用的智能天线当N=8时,比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB(对接收)和18dB(对发射)。每个振子的增益为8dB,则该天线的最大接收增益为17dB,最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多,对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。

根据以上基本原理,在CDMA系统(无论是TDD或FDD方式)中,采用智能天线和波束赋形技术,能够在多个方面大大改善通信系统的性能,概括地讲主要有:提高了基站接收机的灵敏度,提高了基站发射机的等效发射功率,降低了系统的干扰,增加了CDMA系统的容量,改进了小区的覆盖,降低了无线基站的成本。

由于采用智能天线后,应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率,能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰,从而使系统容量扩大一倍以上;同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村,无线覆盖范围将增加一倍,这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1/4。天线增益的提高也能够降低高频功率放大器(HPA)的线性输出功率。因为HPA的费用占收发信机成本的主要部分。所以,智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。

天线的方向图是指离天线一定距离处,辐射场的相对强度(归一化模值)随方向变化的曲线图。方向图的表示可以用极坐标也可以用直角坐标,图3-1和图3-1分别表示一个八阵元天线阵在极坐标下的方向图和直角坐标下的方向图。方向图在20度方向有最大增益

图 3-1极坐标下的方向图

图 3-2 直角坐标下的方向图

智能天线是一种空分多址的信号处理技术,它是由多个天线按一定结构排列组成的天线阵,它通过调节各阵元接收信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状,即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置,使波束总是指向期望方向,而零点指向干扰方向,实现波束随着用户走,从而提高天线的增益和信干噪比(SignaltoInteiferenceNoiseRatio,sINR)。

由于阵列波束的强指向性,在下行方向上有选择的发射,降低了基站发射功率;在上行方向可以有效地减少多径干扰,提高系统的容量。

3.2智能天线中的波束

天线的方向图中通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值,前两个零值之间的最大辐射区域是主瓣(或称主波束),其它次要的最大区域都是旁瓣(或称边瓣、副瓣、副波束)。例如,在图3-1中20度和40度附近的那两个零点之间的部分为主波束。因为智能天线中有波束这一概念,所以智能天线中的自适应算法也称作波束形成算法。

智能天线是一种空分多址的信号处理技术,它是由多个天线按一定结构排列组成的天线阵,它通过调节各阵元接收信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状,即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置,

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