TD-SCDMA已經由國際電聯(ITU)正式採納，成為未來第三代移動通信系統(IMT2000)的一個重要的部分並由3GPP組織[1]進一步標準化。作為TD-SCDMA系統中關鍵技術之一的智能天線技術能夠使系統在高速運動的信道環境中達到較好的性能。在本文中，首先介紹了TD-SCDMA的系統模型，然後，解釋了智能天線技術的基本概念以及在高速運動環境中應用該技術的可行性。同時，在文章中給出了在不同速度的高速運動環境中的相應的仿真結果。可以看到，在TD-SCDMA系統中使用智能天線技術可以獲得很好的系統性能並能夠滿足第三代移動通信系統的各種需求。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/156443.htmAbstract: TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code division Multiple Access) has been accepted by the ITU (International Telecommunication Union) as a 3G standard and is being standardized in 3GPP (Third Generation Partnership Project) [1]. Smart antennas as one of the key technologies used in the TD-SCDMA can provide good system performance with high mobile velocity. In this paper, the system model of TD-SCDMA is introduced at first. Then the concept of smart antennas and its feasibility under high vehicle channel are described. Simulation results in the uplink with different high speeds are also included in this paper. It can been seen that smart antennas used in TD-SCDMA will get good performance and meet the requirements of the 3rd generation mobile systems.
關鍵詞： TD-SCDMA；智能天線技術；聯合檢測技術
Key Words: TD-SCDMA, smart antenna, joint detection
1 前言
最近幾年，移動通信已經成為一個飛速發展的領域。使用數位訊號處理技術、時分多址接入和頻分多址接入技術的第二代移動通信系統，例如GSM和IS54系統，已經廣泛地應用在世界各地。與第二代移動通信系統相比，對於第三代移動通信系統的最大的挑戰之一是不僅要能夠提供像話音和圖像等對稱的電路交換業務，而且要能夠提供例如移動網際網路接入等非對稱的數據包交換業務。同時，未來的用於第三代移動通信的頻帶中的部分可能是非對稱的。這樣，使得TDD 模式在未來的移動通信的發展中顯得非常重要。
為了解決這些問題，TD-SCDMA系統融合了兩種先進的技術，它是一種在同步模式下工作的具有自適應CDMA特點的先進的TDMA系統。隨著移動通信市場的發展，對移動通信系統的要求越來越高，作為未來移動通信系統的TD-SCDMA必須能夠滿足各種類型的業務需求。中國無線通信標準組織(CWTS)提出TD-SCDMA並使其成為了全球第三代移動通信國際標準(IMT2000)之一。作為TD-SCDMA的關鍵技術之一的智能天線技術能夠提高系統的容量，擴大小區的最大覆蓋範圍，減小移動臺的發射功率，提高信號的質量並增大了數據傳輸速率。這些優點給行動網路運營商提供了很大的靈活性。
2 系統模型
在這一部分，我們介紹包括前向糾錯編碼在內的使用智能天線技術的TD-SCDMA移動通信系統的低通等效模型。在圖1和圖2中，我們給出了上行鏈路中的發射機和接收機的基本結構。
圖1 移動臺發射機的結構框圖
在系統中的同一個小區中，在帶寬為B的同一個頻帶上可以有K個用戶同時進行通信，用戶間通過不同的用戶擴頻碼序列進行區分。我們假設每個移動臺只有一個發射天線。在基站部分的上行接收機有M個天線可以接收移動臺發射的信號。在我們的驗證系統中使用的是Ray Tracing信道模型。這種信道模型是基於幾何理論以及反射、折射、和散射傳播模型的。通過利用指定場所的位置信息，例如建築圖紙資料庫，這種技術能夠確定地對傳播信道進行建模，包括路徑損耗、入射角和時延等。它非常適合應用在驗證智能天線系統的有效性的仿真中，通過它得到的性能結果具有很強的說服力。
圖 2 基站中使用智能天線技術的接收機的結構框圖
圖3 TD-SCDMA系統的基本幀結構
TD_SCDMA移動通信系統中的幀結構[2]與GSM的非常類似（見圖3），它們都利用Midamble來做脈衝檢測。
超幀的持續時間為320 ms，一個超幀能夠分成32個無線幀。一個無線幀又可以分成2個持續時間為5 ms的無線子幀。每個無線子幀由7個持續時間為675 μs的業務時隙和3個特殊的時隙： DwPTS (下行導頻時隙)、GP (保護時隙) 和UpPTS(上行導頻時隙)組成。
TS0總是用於下行鏈路，TS1總是用於上行鏈路，其他的時隙則根據轉換點的靈活配置來確定是用於上行或是下行鏈路。每個業務時隙的脈衝結構是由兩個數據符號區和一個長度為144個碼片的Midamble及長度為16個碼片的保護區組成。在TD-SCDMA系統中，在每個業務時隙中最多同時有16個不同的擴頻用戶單元。我們利用midamble訓練序列來做解相關運算得到對移動信道的估測，然後對每個時隙中的所有信號進行聯合檢測。通過消除多址幹擾的方式，使接收信號的動態範圍達到了大約20 dB。聯合檢測技術是一種在其他較強信號存在的情況下使較弱的信號能夠解調出來的算法。所以，採用這種技術後可以降低對功率控制的要求，也就是說可以消除由於慢衰落引起的平均功率波動的影響。
3 智能天線
在這一部分，我們解釋智能天線技術的基本概念[3]以及在高速運動信道環境下使用該技術的可行性。
3．1 智能天線技術概念
如圖4所示，由一些空分的獨立的天線元素組成一個天線陣列系統，這個陣列的輸出與收發信機的一組多個輸入相組合。這多個天線元素結合在一起提供一個綜合的時空信號。與使用單個天線採用固定方式組合天線口信號的接收機相比較，天線陣列系統能夠動態地調整信號的結合方式以提高系統的性能。正由於這個原因，天線陣列經常被稱為智能天線，它被視為相當於一個特性能夠根據需要自動地調整的天線。
圖4 M個空間分集的天線元素的天線陣列
人們經常使用的是環狀或線性天線陣列。在TD-SCDMA移動通信系統中，我們用8個完全相同的天線元素均勻地放置在一個半徑為R的圓形上，組成我們所需的環形天線陣列。這種陣列對於消除幹擾特別有效[4]。每兩個天線之間的距離是載波波長的一半。由於每個天線在空間上處於不同的位置，所以不同天線元素的信號的幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時可以產生很多個獨立的有方向性的高增益的波束。不同的波束分配給不同的用戶，保證了所有鏈路上的最大增益。利用自適應波束成形可以有效地消除幹擾，提高系統的容量。各種能夠用數學公式表示的算法都能夠得到實現。
3．2 TDD模式下高速運動環境中 使用智能天線技術的可行性
隨著交通和通信的發展，對在高速運動中的高速數據業務的需求顯得越來越緊要了。在車速環境中，一般來說沒有直線視距信號存在，這就意味著接收到的信號是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號的平均功率隨著距離的增大而減小。採用智能天線技術的TD-SCDMA移動通信系統不僅適用於室內環境，而且也適用於室外的車速環境。根據我們的分析與仿真，在移動臺速度很高的情況下，該系統同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機能夠實時地確定接收到信號的波束結構特點對信號進行解調，不需要任何存儲單元存放過去幀的波束信息。所以無論移動臺的速度多高，上行鏈路的接收機都可以迅速地在每一幀適應新的波束特點。在TDD 模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個頻帶，基站端的發射機可以根據在上行鏈路上得到的接收信號來了解下行鏈路的多徑信道的快衰落特性。這樣，基站的收發信機就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測信息來實現下行的波束成形。只有在像TD-SCDMA這樣的TDD 系統中，上行、下行鏈路的配合才能達到這樣好程度。在TD-SCDMA系統中由於無線子幀的長度是5 ms，所以容許的下行對上行的最大的反應時間為5 ms。根據無線幀中上行和下行的信道分配，這個反應時間可以更短。隨著移動臺速度的增加，上行鏈路的信道特性與下行鏈路的信道特性的相關性越來越強。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來做下行的波束成形仍然能夠正常工作。
舉例來說，假設移動臺的速度是250 km/h,採用下行波束成形的反應時間是2.5 ms；這樣，當移動臺與基站的最小距離為10 m時，如圖5所示，下行採用的波束成形與實際的偏差角度約為2。