第6章 TD-SCDMA智能天线技术

北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究第6章TD-SCDMA智能天线技术智能天线原名为自适应天线阵列（AAA，AdaptiveAntennaArray），昀初应用于雷达、声纳、军事通信等方面，主要用来完成空间滤波和定位，例如相控阵雷达就是其中一种采用较简单自适应天线阵的军事产品。智能天线是移动通信研究人员把自适应天线阵应用于移动通信的名称，英文名为SmartAntenna或IntelligentAntenna。移动通信传输环境较恶劣，由于多径衰落、时延扩展造成的符号间干扰ISI（Inter-SymbolInterference）、FDMA和TDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的共信道干扰（CCI，Co-ChannelInterference）、CDMA系统中的多址干扰MAI（MultipleAccessInterference）等都使链路性能变差、系统容量下降，而我们所熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小这些干扰的影响。这些技术实际利用的都是时域、频域信息，但实际上的有用信号，其时延样本（DelayVersion）和干扰信号在时域、频域存在差异的同时，在空域（到达角DOA，DirectionOfArrival）也存在差异，分集天线（AntennaDiversity），特别是扇区天线（SectorAntenna）可看作是对这部分区域资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。智能天线是一种收缩性较好的技术，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，为使接收到的有用信号不至于低于门限值，可能增加移动台的发射功率，或者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，为增加系统容量、支持更多满意用户，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有较大比例的增加了。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，低增益旁瓣或者零陷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，同时支持更多用户。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇区天线。智能天线的另外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条路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。同时智能天线用在上行接收机端，也可以与矢量的信道估计，DoA的估计以及联合检测（JointDetection）等技术结合，使系统的性能获得非常大的提高。由于智能天线存在以上的很多优势，因此在智能天线在第三代移动通信中标准中占有非常重要的位置。TD-SCDMA标准把它作为关键的技术之一，而其它的标准也把智能天线作为216TD-SCDMA移动通信系统北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究提高系统性能的选择方案。不仅在第三代移动通信系统，而且在未来的第四代移动通信系统（或者称之为Beyond3G）也将广泛的采用智能天线的技术。本章将对智能天线技术的原理、在TD-SCDMA系统中的应用，以及相应的系统性能进行详细讲解，至于智能天线对系统无线资源管理算法性能的影响，则在后面的章节详细阐述，本章主要集中于链路层和物理层性能研究。6.1智能天线原理及关键技术下面主要给出智能天线基本概念和技术，包括天线阵列的模型、智能天线的信号模型、多径传播、空间分集以及一些分集接收的方法等。6.1.1天线阵列天线阵列由多个空间分隔的天线阵元组成，每个天线的输出通过接收端的多个输入接收机合并在一块，如图6-1。原来传统的天线是360度全向角度，接收天线只能以固定的方式处理信号。天线阵列是空间到达角度或者说是扩展角度的函数，接收机可以在这个角度的范围内对接收的信号进行检测处理，可以动态地调整一些接收机制来提高接收性能。这也是人们称之为“智能天线”的原因。多输入接收机L12M天线阵元图6-1天线阵列示意图1.天线阵列分类根据到达天线阵列的信号的相关性，可以将天线阵列分为两种情况：…到达天线阵列的信号完全相关的情况。每个阵元上的信号以相同的方式衰落。这时要求阵元之间的间隔很小，一般要比半个波长还要小。此类天线是我们下面将要讨论的智能天线。…到达天线阵列的信号完全不相关情况。此时每个阵元上的信号可以认为经过相互独立的信道，当一个信号处于深衰落时，其它信号不可能同时处于深衰落。一般要求阵元之间的间隔要大于半个波长，才能保证信号之间符合这种关系。此情况下分集接收是比较好的接收算法。第6章TD-SCDMA智能天线技术217北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究如果根据天线阵列的几何形状，可以将它分为以下几种类型（如图6-2）：（a）等距离线阵（b）均匀圆阵（c）平面格状阵列（d）立体格状阵列。子图（a）为一个等间距的一维线阵，它可以对称地产生波束，这种线阵昀大的特点就是运算量比较低。子图(b)为一个等角度分布的均匀圆阵，可以在360度的角度产生波束。这两种阵列形成的波束全部分布在水平平面中，后两种阵列则是三维的，既可以在水平平面产生也可以考虑在垂直平面产生。前二种天线阵列在实际中得到了广泛的应用。图6-2不同几何形状的天线阵列2.平面波传播空时信号可以表示为),,,(tzyxs，这其中x，y和z分别代表三维空间坐标系的三个变量，t代表时间。根据电磁场领域的麦克思维方程，自由空间中信号源的电场Er满足下式：012222=∂∂⋅−∇tEcErr（6.1.1）其中c是光速。对上式求解得到),(),,,(trstzyxsr=))(exp(rktjArr⋅−=ω（6.1.2）218TD-SCDMA移动通信系统北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究其中A指信号的复值幅度，ω为信号的角频率，坐标矢量()zyxkkkk=r为卡氏坐标系的单位矢量，位置矢量()zyxr=r表示信号在坐标系中的方向，它们满足下面的关系：22222ckkkzyxω=++（6.1.3）定义ωα/krr=，则上式可以表示为))(exp()(),(rtjArtstrsrrrrr⋅−=⋅−=αωα（6.1.4）式中αr为一个与单位矢量和信号频率相关的矢量，幅度值为c1=αr。一般地，假设)(ωS为)(ts的傅立叶变换形式，则有∫∞∞−⋅−=⋅−=ωαωωπαdrtjSrtstrs))(exp()(21)(),(rrrrr（6.1.5）3.宽带信号模型为了表示方便，用MrrrrLrr,,,21表示天线阵列M个阵元的位置矢量，根据公式(6.1.4)接收到的信号矢量⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅−⋅−⋅−=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=)()()()()()(),(),(),()(212121MMMtststsrtsrtsrtstrstrstrstττταααMrrMrrrrrMrrs（6.1.6）式中iirrv⋅=ατ表示信号到达接收端的时延。与预料中的一样，在均匀介质中每个到达信号可以认为是对原始源信号延时得到的。假设到达信号的平面角度为θ，垂直角度为φ，如图6-3。从上节知道c1=αr，为此引入一个矢量ur，使得它满足αrrcu=，这就是信号传播方向上的单位矢量。每个阵元上信号的延时为cruiirr⋅=τ，单位矢量为第6章TD-SCDMA智能天线技术219北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究()φθφθφcossinsincossin=ur，那么信号的延时具体表示为()φθφθφτcossinsincossin1iiiiizyxccru++⋅=⋅=rr（6.1.7）假设发送的信号为)(ts，接收端的信号为)(ts延时τ得到的，（6.1.6）式表示为：)()),(exp()),(exp()),(exp()(21tsjjjtM⋅⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=ωαψωαψωαψrMrrs(6.1.8)XYZ第i个阵元Oirrαvφθs(t)入射平面波图6-3均匀介质中入射平面波的传播原理图这儿iitωτψ−=)(，假设阵列每个阵元的信道响应相同。但一般情况下，每个阵元具有不同的与信号频率和到达角度相关的幅度响应和相位响应，分别用),(ωαrig和),(ωαςri来表示，此时接收端的信号矢量为[][][])(),()(),()),((exp),(),()),((exp),(),()),((exp),()(222111tstsjgjgjgtMMM⋅=⋅⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⋅+⋅+⋅=ωαωαςωαψωαωαςωαψωαωαςωαψωαrrrrMrrrrrras（6.1.9）矢量),(ωαra为天线阵列响应矢量，定义为在频率πω2/下天线阵列对入射角为αv的入220TD-SCDMA移动通信系统北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究射平面波的响应。信号延时导致信号的相位变化，所以信号的频域形式可以表示如下：[][][])(),()(),()),((exp),(),()),((exp),(),()),((exp),()(222111ωωαωωαςωαψωαωαςωαψωαωαςωαψωαωSSjgjgjgMMM⋅=⋅⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⋅+⋅+⋅=rrrrMrrrrrraS（6.1.10）对时域信号来说，第i个阵元信号：ωωαςωαψωωωαπdtjSgtsiiiii))),(),((exp()(),(21)(rrr++=∫∞∞−（6.1.11）上式也就是频域信号的反傅立叶变换形式。4.窄带模型当传输信号的带宽为窄带信号，信号经过天线阵列的昀大延时也充分小的时候，可以认为在信号整个带宽上),(),(cωαωαrraa≈，这里cω为信号的载波频率。假设信号)(ts的带宽为B，频率范围为[]2/,2/BBcc+−ωω，∫−−⋅−=⋅−=2/2/))(exp()(21)(),(BBccdrtjSrtstrsωωωαωωπαrrrrr（6.1.12）在窄带信号的情况下，以下公式成立：τωτcjetsts)()(≈−（6.1.13）接收到的信号为)()()(),()(tststcαωαrraas==（6.1.14）对所有的窄带信号上面的公式都成立。根据前面的要求，窄带模型在1⋅=rBBrrατ，假设信号穿过整个天线阵列的“行程”)/2(ccckkrωπλ=r，则ccBkkBBωπλατ⋅=⋅2r（6.1.15）由上式以及ckrλr可以看出，保证信号的窄带特性，天线阵列的间距也需要作出一定的限制，并且对到达信号的相关性也有很大的影响。上面给出的模型简单地介绍了单个入射波的接收机信号矢量，下面将讨论多径环境下多用户情况接收机信号矢量。假设入射到天线阵列的用户数目为N，接收到的第k个用户的第6章TD-SCDMA智能天线技术221北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN)作者：彭木根（[e-mail]）版权所有，翻印必究1×M维信号矢量为)(tkx，入射波分布在xy平面，阵列响应矢量仅仅为水平到达角度的表达式，对于移动体远离天线阵列的情况上面的假设适合于许多蜂窝系统。天线阵