TD-SCDMA智能天線技術(shù)的探索與研究_正文

1、TD-SCDMATD-SCDMA 智能天線技術(shù)的探索與研究智能天線技術(shù)的探索與研究專業(yè)：通信工程 班級：07 通信工程 姓名：陳沖摘要:智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強(qiáng)天線性能的一種天線。我國提交的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是智能天線技術(shù)，本文介紹了智能天線的提出，給出了智能天線的定義及其分類，詳細(xì)的介紹了智能天線基本結(jié)構(gòu)和原理，對其中的自適應(yīng)算法和波束形成技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，根據(jù)智能天線的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題深入分析了該技術(shù)在TD-SCDMA中的應(yīng)用，最后對智能天線的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。TD-SCD

2、MA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)引入智能天線技術(shù)，將增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力，從更高層次上提高系統(tǒng)對于無線頻譜的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)容量.關(guān)鍵詞:智能天線；自適應(yīng)；TD-SCDMA；定向波束AbstractAbstract: :The smart antenna developed on the basis array in the adaptive filtering and signal processing technology is adjusted through one of an antenna that the communication system can enhance the receivi

3、ng or transmitting antenna performance characteristics . In the TD- SCDMA system, the smart antenna technology is one of the key technologies, This paper introduces The smart antenna put forward, gives the definition and classification of smart antenna, and introduced the basic principle and structu

4、re of smart antenna, and the adaptive algorithm and beam-forming technologies for the detailed introduction of smart antenna, according to the advantages and problems analyzes deeply the technology in td-scdma, finally the application of intelligent antenna was prospected. Td-scdma network construct

5、ion intelligent antenna technology introduced, will increase system in space from higher level distinguishing ability, improve the system for wireless spectrum on the utilization ratio, improve the network capacity. Key words:smart antenna; adaptive; TD-SCDMA; directional beam目錄目錄1 引言引言.12 智能天線的概念智能

6、天線的概念.12.1 智能天線的提出 .12.2 智能天線的定義.23 智能天線的基本原理智能天線的基本原理 .23.1 智能天線的基本組成 .23.2 智能天線的基本原理.33.3 智能天線的實(shí)現(xiàn).33. 4 智能天線的自適應(yīng)算法 .43. 5 波束形成技術(shù).43. 6 全向波束和賦形波束 .54 智能天線的分類智能天線的分類.65 智能天線的特點(diǎn)智能天線的特點(diǎn).75.1 智能天線的優(yōu)點(diǎn).75.2 智能天線存在的問題 .106 智能天線的應(yīng)用及發(fā)展前景智能天線的應(yīng)用及發(fā)展前景 .126.1 智能天線在 TD-SCDMA 中的應(yīng)用.126.2 智能天線技術(shù)的發(fā)展前景 .137 結(jié)語結(jié)語.14致

7、謝致謝.15參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).161 引言 隨著全球移動通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展, 移動通信技術(shù)越來越引起人們的極大關(guān)注。對于移動通信中所要求的信號傳輸強(qiáng)度也越來越高, 由于覆蓋范圍的增大和傳輸數(shù)據(jù)的增多, 對網(wǎng)絡(luò)的傳輸和接收都提出了更高要求; 此外移動通信迅速發(fā)展給系統(tǒng)帶來的容量壓力, 使得如何高效率的利用無線頻譜也受到了廣泛的重視, 智能天線( Smart Antenna )能很好的解決這方面的問題, 智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)將無線電信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向DOA(direction of arrival)1，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到

8、充分高效的利用移動用戶信號，刪除或抑制干擾信號的目的。因此智能天線也越來越受到人們廣泛的關(guān)注2。2 智能天線的概念2.1 智能天線的提出智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強(qiáng)天線性能的一種天線。它利用信號傳輸?shù)目臻g特性, 從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號與干擾信號, 從而控制天線陣的方向圖,達(dá)到增強(qiáng)所需信號抑制干擾信號的目的; 同時(shí)它還能根據(jù)所需信號和干擾信號位置及入射角度的變化, 自動調(diào)整天線陣的方向圖, 實(shí)現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動的目的, 達(dá)到最佳收發(fā)信號, 實(shí)現(xiàn)動態(tài)“空間濾波”的效果。采用智能天線的目的主要有以下3

9、點(diǎn): 通過提供最佳增益來增強(qiáng)接收信號; 通過控制天線零點(diǎn)來抑制干擾; 利用空間信息增大信道容量。在2O 世紀(jì)5O 年代出現(xiàn)的早期的智能天線是旁瓣對消天線,這種天線包含一個(gè)用于接收有用信號的高增益天線和一個(gè)或幾個(gè)用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個(gè)這樣的環(huán)路組合成陣列天線, 就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展,與智能天線有關(guān)的術(shù)語也越來越多。智能天線(intelligent antenna)、相控陣(phased arrays)、空分多址(SDMA)、空間處理(spatial processing)、數(shù)字波束形成(digital beam forming)、自適應(yīng)天線系統(tǒng) (ada

10、ptive antenna system)等不同的說法, 反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個(gè)不同的方面。2.2 智能天線的定義采用天線陣列，根據(jù)信號的空間特性，能夠自適應(yīng)調(diào)整加權(quán)值，以調(diào)整其方向圓圖，形成多個(gè)自適應(yīng)波束，達(dá)到抑制干擾、提取信號目的的天線。3 智能天線的基本原理智能天線包括多波束智能天線和自適應(yīng)陣列智能天線,自適應(yīng)陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流。利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù),選擇合適的自適應(yīng)算法,動態(tài)形成空間定向波束,使天線陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向,旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向,利用有用信號和干擾信號在入射方向上有差異這一空間特征,消除多址干擾 (MAI) 、共信道干擾

11、(CCI)以及多徑衰落的影響,從而達(dá)到充分利用移動用戶有用信號并抵消或最大程度抑制干擾信號的目的3。因此,固定的天線陣列與數(shù)字信號處理器的結(jié)合,就構(gòu)成了可以動態(tài)配置天線特性的智能天線。3.1 智能天線的基本組成典型的智能天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。它由天線陣列、A/ D 和D/A 轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)算法控制器和波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。其中波束形成網(wǎng)絡(luò)是由每個(gè)單元天線的空間感應(yīng)信號加權(quán)相加, 其權(quán)系數(shù)為復(fù)數(shù),即每路信號的幅度和相位均可以改變。自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)是智能天線的核心, 該單元的功能是根據(jù)一定的算法和優(yōu)化準(zhǔn)則來調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的加權(quán)幅度和相位, 動態(tài)的產(chǎn)生空間定向波束4圖1 智能天線的典型結(jié)構(gòu)3.2 智能天線的基

12、本原理由于天線有發(fā)射和接收兩種工作狀態(tài)，所以智能天線包括智能發(fā)射和智能接收兩部分，它們的工作原理基本相同。智能接受時(shí)，自適應(yīng)天線陣能在干擾方向未知的情況下對陣列中各個(gè)陣元的信號輸入進(jìn)行自適應(yīng)的加權(quán)調(diào)整，使陣列天線方向圖的零點(diǎn)對準(zhǔn)干擾方向調(diào)零，以減小甚至抵消干擾信號，從而達(dá)到從混合的接收信號中解調(diào)出期望得到的信號的目的。即使在干擾和信號同頻率的情況下，也能成功地抑制干擾。如天線的陣元數(shù)增加，還可增加零點(diǎn)數(shù)來抑制不同方向上的幾個(gè)干擾源，實(shí)際效果可達(dá)25dB30dB以上。智能天線以多個(gè)高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)移動目標(biāo)，同時(shí)抑制來自窄波束以外的干擾和噪聲，使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。智能發(fā)射時(shí)，根據(jù)從接

13、收信號中獲取的UE信號方位圖，自適應(yīng)地調(diào)整每個(gè)輻射陣元輸出的幅度和相位，使得他們的輸出在空間疊加，產(chǎn)生指向UE的賦形波束。3.3 智能天線的實(shí)現(xiàn)波束形成技術(shù)是智能天線能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。簡單地說, 波束形成就是將天線陣列上接收到的信號變換到基帶, 然后進(jìn)行相應(yīng)的空間譜處理, 獲得該信號的空間特征矢量和矩陣以及信號的功率估值和DOA 估值。在此基礎(chǔ)上, 依據(jù)一定的準(zhǔn)則, 計(jì)算信號在各個(gè)天線陣元的加權(quán)矢量, 生成多個(gè)高增益的動態(tài)窄波束來跟蹤多個(gè)期望用戶?？梢哉f波束形成是一種空間濾波方法, 目的是從信號、干擾和噪聲混在一起的輸入信號中提取期望信號。在接收模式下, 抑制來自窄波束之外的信號; 而在發(fā)射模式

14、下, 使期望用戶接收的信號功率最大, 同時(shí)使窄波束范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小5。智能天線采用數(shù)字波束形成( DBF) 方式, 用軟件完成自適應(yīng)算法的更新, 或采用數(shù)模結(jié)合的處理方法, 在不改變系統(tǒng)硬件配置前提下, 即保證處理精度, 又保證處理速度和靈活性。智能天線的波束形成算法, 主要有盲算法、非盲算法和半盲算法三種。非盲算法需要參考信號, 因此需要占用一定的頻譜, 從而導(dǎo)致頻譜的有效利用率降低;盲算法不需要任何先驗(yàn)信息, 但收斂性和捕獲能力方面尚有許多不足; 半盲算法是二者的折中6。 3. 4 智能天線的自適應(yīng)算法 自適應(yīng)算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。(1)

15、非盲算法 非盲算法是指需要借助參考信號(導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道)的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，按一定準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。(2)盲算法 無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號，他一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。 非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源。將二者結(jié)合產(chǎn)生一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，

16、再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致，因?yàn)橥ǔ?dǎo)頻符不會時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。3. 5 波束形成技術(shù)在蜂窩移動通信系統(tǒng)中,由于用戶通常分布在各個(gè)方向,加之無線移動信道的多徑效應(yīng),有用信號存在一定的空間分布。其一,當(dāng)基站接收信號時(shí),來自各個(gè)用戶的有用信號到達(dá)基站的方向可能不同,且信號與其到達(dá)角度之間存在復(fù)雜的依賴關(guān)系;其二,當(dāng)基站發(fā)射信號時(shí),可被用戶有效接收的也只是部分的信號?？紤]到這一因素,調(diào)整天線方向使其能實(shí)現(xiàn)指向性的接收與發(fā)射是很自然的想法,這也就是波束形成概念的最初來源。波束形成的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo),形成對基帶信號的最佳組合

17、與分配。具體說,波束形成的主要任務(wù)就是補(bǔ)償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等引起的信號衰落與失真,同時(shí)降低用戶間的共信道干擾。智能天線均采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)波束形成,即數(shù)字波束形成(DBF)天線,從而可以使用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新,在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。DBF對陣元接收信號進(jìn)行加權(quán)求和處理形成天線波束,主波束對準(zhǔn)期望用戶方向,而將波束零點(diǎn)對準(zhǔn)干擾方向。根據(jù)波束形成的不同過程,實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種:陣元空間處理方式和波束空間處理方式。(1)陣元空間處理方式:直接對各陣元按收信號采樣進(jìn)行加權(quán)求和處理后,形成陣列輸出,使陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向。(2)波束

18、空間處理方式:當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。是兩級處理過程,第一級對各陣元信號進(jìn)行固定加權(quán)求和,形成多個(gè)指向不同方向的波速率;第二級對第一級的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出,此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計(jì)算加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理,而是僅對其中的部分陣元作自適應(yīng)處理,因此,屬于部分自適應(yīng)陣列處理。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是計(jì)算量小,收斂快,并且具有良好的波束賦形性能。3. 6 全向波束和賦形波束智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實(shí)現(xiàn)的。而且,接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中,智能天線對每個(gè)用戶的上行信號均采用賦形

19、波束,提高系統(tǒng)性能是非常直接的;但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下,又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時(shí)(空閑狀態(tài)) ,基站不可能知道該用戶所處的方位,只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射 (如系統(tǒng)中的Pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道) 。一個(gè)全向覆蓋的基站,其不同信道的發(fā)射波束是不同的,即基站必須能提供全向和定向的賦形波束,這樣一來,對全向信道來說,將要求高得多的發(fā)射功率(最大可能為比專用信道高10 lgNdB) ,這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。4 智能天線的分類 早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域, 尤其是雷達(dá)領(lǐng)域, 目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識別和跟蹤目標(biāo)。隨后, 智能天線在信道擴(kuò)容和提高通信質(zhì)量

20、等方面具備的獨(dú)特優(yōu)勢吸引了眾多的專家學(xué)者, 日本、歐洲和美國的許多研究機(jī)構(gòu)都相繼開展了針對智能天線的眾多研究計(jì)劃, 這也為智能天線的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?？偟膩碚f, 智能天線主要包含兩類: 開關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中, 只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號提供最佳增益的同時(shí), 識別、跟蹤和最小化干擾信號。通常按照實(shí)現(xiàn)形式可將智能天線分為3 類。(1) 自適應(yīng)調(diào)零智能天線它是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ), 采用自適應(yīng)算法來形成方向圖。其基本理就是根據(jù)天線的輸入、輸出特性, 按一定的算法準(zhǔn)則, 自動地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán), 在干擾方向上形成零陷, 而在信號入射方向上增益最大, 從而大幅度降

21、低干擾電平,提高系統(tǒng)的信噪比。但這種天線對處于主瓣區(qū)域內(nèi)干擾的抑制能力是很有限的。(2)等旁瓣針狀波束智能天線它也是以自適應(yīng)天線技術(shù)為基礎(chǔ), 但與自適應(yīng)智能天線不同之處在于它的天線方向圖是等旁瓣方向圖, 且方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計(jì)算好的。系統(tǒng)工作時(shí), 首先通過測向確定信號的到達(dá)方向 (DOA), 選取合適的加權(quán), 然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向目標(biāo)方向, 從而提高接收信噪比。這類智能天線對處于非主瓣區(qū)域的干擾, 可以通過低的等旁瓣電平來確保抑制, 但對處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾, 采用此類智能天線將無法抑制, 不及自適應(yīng)智能天線。但等旁瓣智能天線無需迭代, 而且響應(yīng)速度快7。(3)數(shù)字波束形成智能天線它

22、運(yùn)用數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming, 簡稱DBF)技術(shù),將其波束形成自適應(yīng)天線陣與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合。系統(tǒng)工作時(shí), 利用高分辨率的測向算法獲得通信基準(zhǔn)信號, 當(dāng)基準(zhǔn)信號到達(dá)波束形成自適應(yīng)天線陣時(shí), 便給信號處理器提供一個(gè)方向信息, 將各陣元的接收信號轉(zhuǎn)換到基帶, 由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 然后根據(jù)方向信息對數(shù)字信號進(jìn)行加權(quán)處理, 從而在此方向上形成所需的波束。5 智能天線的特點(diǎn)在移動通信系統(tǒng)中, 由于障礙物的反射, 信號會在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間多次傳播從而形成多徑傳播。由于多徑信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同, 因此多徑傳播將導(dǎo)致符號間干擾, 這將會嚴(yán)重地影響通信鏈路

23、的質(zhì)量。智能天線對信號多徑具有抑制作用。智能天線通過調(diào)整不同天線上信號的幅度和相位, 把與主徑( 參考信號) 不相關(guān)的多徑當(dāng)作干擾進(jìn)行抑制。智能天線通過利用多徑來改善鏈路的質(zhì)量, 通過減小相互干擾來增加系統(tǒng)的容量, 并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。5.1 智能天線的優(yōu)點(diǎn)（1）提高移動通信系統(tǒng)容量 智能天線是通過使天線主波束對準(zhǔn)期望用戶信號到達(dá)方向; 旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向而提高了載干比, 而載干比決定了系統(tǒng)容量, 因此載干比的提高也就意味著系統(tǒng)容量的提高。如圖3 所示, 使用智能天線的小區(qū)用戶數(shù)明顯比使用傳統(tǒng)全向天線的小區(qū)用戶數(shù)增多8。a. 智能天線b. 全向天線圖2 智能天線和全向

24、天線系統(tǒng)溶量的比較（2）增加基站的覆蓋區(qū)域采用智能天線可以增加分集增益, 這等效于同時(shí)提高了天線陣列的接收靈敏度, 或增加了基站發(fā)射機(jī)的等效各向同性輻射功率( EIRP) 。因此在同等發(fā)射功率的條件下, 基站可以接收到更遠(yuǎn)的信號。如圖3所示, 使用智能天線后, 小區(qū)的覆蓋范圍可以比原先擴(kuò)充許多。a. 智能天線b全向天線圖3 智能天線和全向天線的小區(qū)覆蓋范圍（3）降低功率/減小成本。智能天線可以對特定用戶的傳輸進(jìn)行優(yōu)化, 這樣就會使發(fā)射功率降低, 從而降低放大器的成本, 也可以延長移動臺的使用壽命。(4) 改善鏈路質(zhì)量/增加可靠性。由于通過獨(dú)立的衰落路徑可以接收到獨(dú)立的信號副本, 而在這些信號副

25、本中一般會有一個(gè)或者多個(gè)副本沒有受到衰落, 這樣多個(gè)獨(dú)立的維數(shù)就會減小信號波動的影響, 產(chǎn)生分集。多個(gè)發(fā)射天線通過采用特殊的調(diào)制和編碼機(jī)制就可以產(chǎn)生發(fā)射分集, 而多個(gè)接收天線的接收分集取決于對獨(dú)立衰落信號的合并。可以提高信號接收質(zhì)量降低掉話率從而提高語音質(zhì)量。(5) 增加頻譜效率。通過波束成形技術(shù)可以產(chǎn)生一種新的多址接入方式空分多址(SDMA, SpaceDivision Multiple Access)。SDMA 可以實(shí)現(xiàn)資源的重用, 增加數(shù)據(jù)速率, 從而增加頻譜效率。（6） 實(shí)現(xiàn)移動臺定位。若基站采用智能天線陣,一旦收到信號,即對每個(gè)天線單元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的處理,獲得該信號的

26、空間特征矢量及特征矩陣,從而獲得信號的功率估值和到達(dá)方向,即用戶端的方位和距離。這樣,兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小的區(qū)域。5.2 智能天線存在的問題智能天線技術(shù)對無線通信，特別是TD-SCDMA 系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大的好處。但是，在將智能天線用于CDMA 系統(tǒng)時(shí)，必須考慮所帶來的問題，并在 標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上解決這些問題。 (1) 全向波束和賦形波束。 上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實(shí)現(xiàn)的，而且接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到的用戶信號。在移動通信系統(tǒng)中，智能天線對每個(gè)用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的

27、；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是在 基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時(shí) ( 空閑狀態(tài)) ，基站不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射( 如系統(tǒng)中的 pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道 ) 。一個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。 (2) 共享下行信道及不連續(xù)發(fā)射在提供 IP 型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的移動通信系統(tǒng)中, 均設(shè)計(jì)了多用戶共享的上下行信道并在基站和用戶終端使用不連續(xù)發(fā)射技術(shù)。在使用智能天線的基站中, 由于用戶移動, 基站不可能知道用戶的位置, 故一般只能采

28、用全向下行波束。此外, 也可以增加一次接入過程, 對每個(gè)用戶進(jìn)行定向發(fā)射。這兩種方式各有優(yōu)點(diǎn), 均可使用。（3）智能天線的校準(zhǔn)。 在使用智能天線時(shí)，必須具有對智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)自動校準(zhǔn)的技術(shù)。在 TDD 系統(tǒng)中使用智能天線時(shí)是根據(jù) 電磁場理論 中的互易原理，直接利用上行波束賦形系數(shù)來進(jìn)行下行波束賦形。但對實(shí)際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機(jī)不可能是完全相同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電平和環(huán)境條件等因素變化。如果不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。 (4) 智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合。 目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的

29、可能性之間必須進(jìn)行折中。這樣，實(shí)用的智能天線算法還不能解決時(shí)延超過一個(gè)碼片寬度的 多徑干擾，也無法克服高速移動 多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑 效應(yīng)嚴(yán)重的高速移動環(huán)境下，必須將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達(dá)到最佳的效果。這些數(shù)字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測 ( joint detection) 、干擾抵消及 Rake 接收等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實(shí)用的算法，而和Rake 接收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。 (5) 波束賦形的速度問題。必須注意的是, 由于用戶終端的移動性, 移動通信是一個(gè)時(shí)變的信道, 智能天線是由接收信號來對上下行波束賦形, 故要求 T

30、DD 的周期不能太長。例如當(dāng)用戶終端的移動速度達(dá)到 100 km/h 時(shí), 其多普勒頻移接近 200 Hz, 用戶終端在 10m s 內(nèi)的位置變化達(dá)到 28 cm , 在 2 GHz 頻段已超過一個(gè)波長, 對下行波束賦形將帶來巨大的誤差。故希望將 TDD 周期至少縮短一半, 使收發(fā)之間的間隔控制在 2ms3ms 內(nèi), 以保證智能天線的正常工作。如果要求此系統(tǒng)的終端能以更高的速度移動, 則 TDD 上下行轉(zhuǎn)換周期還要進(jìn)一步縮短。(6) 幀結(jié)構(gòu)及有關(guān)物理層技術(shù)。使用智能天線, 對移動通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)并不提出特別的要求。而且, 基本的物理層技術(shù), 如調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻、信道編碼、交織、糾錯、數(shù)據(jù)復(fù)接

31、等,與不使用智能天線是完全一樣的。但是使用了智能天線, 可以將物理層的效率設(shè)計(jì)得更高。例如在TDSCDMA 建議的系統(tǒng)中, 使用了同步CDMA 技術(shù), 簡化了接收機(jī); 在物理層時(shí)隙設(shè)計(jì)中使用了特定的上下行Pilot 時(shí)隙, 減少了小區(qū)搜索及隨機(jī)接入時(shí)的干擾等, 都使智能天線的功能得以充分發(fā)揮。(7) 設(shè)備復(fù)雜性的考慮。 顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字信號處理的量將成幾何級數(shù)遞增?，F(xiàn)在，CDMA 系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處理的復(fù)雜性已對 微電子技術(shù)提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的

32、數(shù)量不可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在 616 之間。6 智能天線的應(yīng)用及發(fā)展前景6.1 智能天線在 TD-SCDMA 中的應(yīng)用WCDMA和CDMA2000 都希望能在系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)，但由于其算法復(fù)雜度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA 技術(shù)明確表示將在基站端使用智能天線。對于系統(tǒng)基站而言智能天線技術(shù)在3G 中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即基站的收和發(fā)，具體而言就是上行收與下行發(fā)。智能天線的上行收技術(shù)研究較早，因此也較為成熟。上行收主要包含全自適應(yīng)方式和基于預(yù)波束的波束切換方式。在自適應(yīng)方式中，可根據(jù)一定的自適應(yīng)算法對空、時(shí)域處理的各組權(quán)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與當(dāng)前

33、傳輸環(huán)境進(jìn)行最大限度的匹配，從而實(shí)現(xiàn)任意指向波束的自適應(yīng)接收。全自適應(yīng)方式在理論研究中具有很大的實(shí)用價(jià)值，但在實(shí)際工程中，由于全自適應(yīng)算法的計(jì)算量大等因素而很不實(shí)用。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，更感興趣的是基于預(yù)波束的波束切換方式。因?yàn)椴ㄊ袚Q中的各權(quán)值系數(shù)只能從預(yù)先計(jì)算好的幾組中挑選，因此計(jì)算量、收斂速度等方面較全自適應(yīng)方式有優(yōu)勢。然而在這種方式下由于智能天線的工作模式只能從預(yù)先設(shè)計(jì)好的幾個(gè)波束中選擇，因而它不能完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性的任意指向，在理論上并不是最優(yōu)的。實(shí)現(xiàn)基站智能天線下行發(fā)射難度相對較大，主要因?yàn)橹悄芴炀€在設(shè)計(jì)波束時(shí)很難準(zhǔn)確獲知下行信道的特征信息。目前在這方面主要有下述兩種方案。（1）利用類似第

34、二代移動通信的IS-95 中的上行功率控制技術(shù)形成閉環(huán)反饋測試結(jié)構(gòu)形式，也就是說基站通過正向鏈路周期性地向移動臺發(fā)射訓(xùn)練序列，而移動臺通過反向鏈路反饋信號，從而估計(jì)最佳正向鏈路加權(quán)系數(shù)。（2）利用上行信道中提取的參數(shù)估計(jì)下行信道。這種方法實(shí)際上就是智能天線依靠從上行鏈路中提取的參數(shù)來對下行波束賦形，對于FDD方式，由于上下行頻率間隔相差較大，衰落特性完全獨(dú)立因而不能使用。但對于TDD方式，上下行時(shí)隙工作于相同頻段，只要上下行的幀長較短完全可以實(shí)現(xiàn)信道特性在這段轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持恒定。TD-SCDMA系統(tǒng)將一個(gè)10ms 的幀分裂成兩個(gè)5ms的子幀，縮短了上、下行的轉(zhuǎn)換時(shí)間。TD-SCDMA系統(tǒng)綜合了FDMA、TDMA、CDMA 以及TDD模式中聯(lián)合檢測與智能天線等先進(jìn)技術(shù)。其基本技術(shù)特征之一是在TDD模式下，采用周期性重復(fù)的時(shí)間幀傳輸基本的TDMA 突發(fā)脈沖，通過周期性地切換傳輸方向，在同一載波上交替地進(jìn)行上下行鏈路傳輸，在保證高頻譜效率的同時(shí)，又獲得了經(jīng)濟(jì)效益。6.2 智能天線技術(shù)的發(fā)展前景未來無