采用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA在高速信道中的性能

　　最近幾年，移動(dòng)通信已經(jīng)成為一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域。使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、時(shí)分多址接入和頻分多址接入技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，例如GSM和IS54系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在世界各地。與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，對(duì)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最大的挑戰(zhàn)之一是不僅要能夠提供像話音和圖像等對(duì)稱的電路交換業(yè)務(wù)，而且要能夠提供例如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入等非對(duì)稱的數(shù)據(jù)包交換業(yè)務(wù)。同時(shí)，未來的用于第三代移動(dòng)通信的頻帶中的部分可能是非對(duì)稱的。這樣，使得TDD 模式在未來的移動(dòng)通信的發(fā)展中顯得非常重要。

　　為了解決這些問題，TD-SCDMA系統(tǒng)融合了兩種先進(jìn)的技術(shù)，它是一種在同步模式下工作的具有自適應(yīng)CDMA特點(diǎn)的先進(jìn)的TDMA系統(tǒng)。隨著移動(dòng)通信市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求越來越高，作為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的TD-SCDMA必須能夠滿足各種類型的業(yè)務(wù)需求。中國(guó)無線通信標(biāo)準(zhǔn)組織(CWTS)提出TD-SCDMA并使其成為了全球第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IMT2000)之一。作為TD-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的容量，擴(kuò)大小區(qū)的最大覆蓋范圍，減小移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，提高信號(hào)的質(zhì)量并增大了數(shù)據(jù)傳輸速率。這些優(yōu)點(diǎn)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了很大的靈活性。

2 系統(tǒng)模型

　　在這一部分，我們介紹包括前向糾錯(cuò)編碼在內(nèi)的使用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

　　在系統(tǒng)中的同一個(gè)小區(qū)中，在帶寬為B的同一個(gè)頻帶上可以有K個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信，用戶間通過不同的用戶擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行區(qū)分。我們假設(shè)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)只有一個(gè)發(fā)射天線。在基站部分的上行接收機(jī)有M個(gè)天線可以接收移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)。在我們的驗(yàn)證系統(tǒng)中使用的是Ray Tracing信道模型。這種信道模型是基于幾何理論以及反射、折射、和散射傳播模型的。通過利用指定場(chǎng)所的位置信息，例如建筑圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)，這種技術(shù)能夠確定地對(duì)傳播信道進(jìn)行建模，包括路徑損耗、入射角和時(shí)延等。它非常適合應(yīng)用在驗(yàn)證智能天線系統(tǒng)的有效性的仿真中，通過它得到的性能結(jié)果具有很強(qiáng)的說服力。

圖 2 基站中使用智能天線技術(shù)的接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 TD-SCDMA系統(tǒng)的基本幀結(jié)構(gòu)

　　TD_SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)[2]與GSM的非常類似（見圖3），它們都利用Midamble來做脈沖檢測(cè)。
超幀的持續(xù)時(shí)間為320 ms，一個(gè)超幀能夠分成32個(gè)無線幀。一個(gè)無線幀又可以分成2個(gè)持續(xù)時(shí)間為5 ms的無線子幀。每個(gè)無線子幀由7個(gè)持續(xù)時(shí)間為675 μs的業(yè)務(wù)時(shí)隙和3個(gè)特殊的時(shí)隙： DwPTS (下行導(dǎo)頻時(shí)隙)、GP (保護(hù)時(shí)隙) 和UpPTS(上行導(dǎo)頻時(shí)隙)組成。

　　TS0總是用于下行鏈路，TS1總是用于上行鏈路，其他的時(shí)隙則根據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的靈活配置來確定是用于上行或是下行鏈路。每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙的脈沖結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)區(qū)和一個(gè)長(zhǎng)度為144個(gè)碼片的Midamble及長(zhǎng)度為16個(gè)碼片的保護(hù)區(qū)組成。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，在每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙中最多同時(shí)有16個(gè)不同的擴(kuò)頻用戶單元。我們利用midamble訓(xùn)練序列來做解相關(guān)運(yùn)算得到對(duì)移動(dòng)信道的估測(cè)，然后對(duì)每個(gè)時(shí)隙中的所有信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。通過消除多址干擾的方式，使接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了大約20 dB。聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)是一種在其他較強(qiáng)信號(hào)存在的情況下使較弱的信號(hào)能夠解調(diào)出來的算法。所以，采用這種技術(shù)后可以降低對(duì)功率控制的要求，也就是說可以消除由于慢衰落引起的平均功率波動(dòng)的影響。

3 智能天線

　　在這一部分，我們解釋智能天線技術(shù)的基本概念[3]以及在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下使用該技術(shù)的可行性。

3．1 智能天線技術(shù)概念

　　如圖4所示，由一些空分的獨(dú)立的天線元素組成一個(gè)天線陣列系統(tǒng)，這個(gè)陣列的輸出與收發(fā)信機(jī)的一組多個(gè)輸入相組合。這多個(gè)天線元素結(jié)合在一起提供一個(gè)綜合的時(shí)空信號(hào)。與使用單個(gè)天線采用固定方式組合天線口信號(hào)的接收機(jī)相比較，天線陣列系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整信號(hào)的結(jié)合方式以提高系統(tǒng)的性能。正由于這個(gè)原因，天線陣列經(jīng)常被稱為智能天線，它被視為相當(dāng)于一個(gè)特性能夠根據(jù)需要自動(dòng)地調(diào)整的天線。

圖4 M個(gè)空間分集的天線元素的天線陣列

　　人們經(jīng)常使用的是環(huán)狀或線性天線陣列。在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我們用8個(gè)完全相同的天線元素均勻地放置在一個(gè)半徑為R的圓形上，組成我們所需的環(huán)形天線陣列。這種陣列對(duì)于消除干擾特別有效[4]。每?jī)蓚€(gè)天線之間的距離是載波波長(zhǎng)的一半。由于每個(gè)天線在空間上處于不同的位置，所以不同天線元素的信號(hào)的幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時(shí)可以產(chǎn)生很多個(gè)獨(dú)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(yīng)波束成形可以有效地消除干擾，提高系統(tǒng)的容量。各種能夠用數(shù)學(xué)公式表示的算法都能夠得到實(shí)現(xiàn)。

3．2 TDD模式下高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境中 使用智能天線技術(shù)的可行性

　　隨著交通和通信的發(fā)展，對(duì)在高速運(yùn)動(dòng)中的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求顯得越來越緊要了。在車速環(huán)境中，一般來說沒有直線視距信號(hào)存在，這就意味著接收到的信號(hào)是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號(hào)的平均功率隨著距離的增大而減小。采用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅適用于室內(nèi)環(huán)境，而且也適用于室外的車速環(huán)境。根據(jù)我們的分析與仿真，在移動(dòng)臺(tái)速度很高的情況下，該系統(tǒng)同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地確定接收到信號(hào)的波束結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，不需要任何存儲(chǔ)單元存放過去幀的波束信息。所以無論移動(dòng)臺(tái)的速度多高，上行鏈路的接收機(jī)都可以迅速地在每一幀適應(yīng)新的波束特點(diǎn)。在TDD 模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個(gè)頻帶，基站端的發(fā)射機(jī)可以根據(jù)在上行鏈路上得到的接收信號(hào)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(fā)信機(jī)就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測(cè)信息來實(shí)現(xiàn)下行的波束成形。只有在像TD-SCDMA這樣的TDD 系統(tǒng)中，上行、下行鏈路的配合才能達(dá)到這樣好程度。在TD-SCDMA系統(tǒng)中由于無線子幀的長(zhǎng)度是5 ms，所以容許的下行對(duì)上行的最大的反應(yīng)時(shí)間為5 ms。根據(jù)無線幀中上行和下行的信道分配，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間可以更短。隨著移動(dòng)臺(tái)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(guān)性越來越強(qiáng)。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個(gè)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(shè)移動(dòng)臺(tái)的速度是250 km/h,采用下行波束成形的反應(yīng)時(shí)間是2.5 ms；這樣，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與基站的最小距離為10 m時(shí)，如圖5所示，下行采用的波束成形與實(shí)際的偏差角度約為2。

圖5 高速下下行鏈路采用波束成形的偏差舉例示意

4 仿真結(jié)果

　　在這部分中給出了鏈路級(jí)仿真的結(jié)果。仿真環(huán)境的主要特點(diǎn)如下：

　　· 使用了智能天線技術(shù)；

　　· 在上行鏈路上使用了聯(lián)合時(shí)空處理；

　　· 具有空間信息的信道模型( Ray Tracing 信道模型)。

　　根據(jù)CWTS的提案我們選用了12.2 kbit/s和2.4 bit/s的映射方式。在表1中我們列出了基本的仿真參數(shù)。在基站端使用8個(gè)天線組成的環(huán)形天線陣列，而移動(dòng)臺(tái)只用了單個(gè)天線。

　　我們使用COSSAP仿真平臺(tái)得到了不同車速下的不同的仿真結(jié)果如下圖所示：

(a)1 個(gè)用戶/時(shí)隙 (b) 8個(gè)用戶/時(shí)隙
圖6 120 km/h車速下誤碼率性能

(a)1 個(gè)用戶/時(shí)隙 (b) 8個(gè)用戶/時(shí)隙
圖7 250 km/h車速下誤碼率性能

　　通過認(rèn)真細(xì)致的仿真工作，可以看到TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下有效地工作。

5 結(jié)束語

　　在本文中，我們提出了結(jié)合TDMA和CDMA多址接入方式并使用了聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且探討了在該系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下的性能。在基站部分使用了智能天線技術(shù)不僅帶來了分集增益，而且可以進(jìn)行干擾消除。目前的仿真工作說明了TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下有效地工作。

　　如果移動(dòng)臺(tái)的速度非常高，在上行鏈路上的傳統(tǒng)的信道估測(cè)信息就不能精確地使用在下行的波束成形中了。這不是因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)位置的改變，而是因?yàn)闊o線信道本身的時(shí)變特性造成的。就高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境而言，TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景依然是很樂觀的。目前，我們沒有使用自適應(yīng)信道估測(cè)技術(shù)，采用這種技術(shù)會(huì)得到更好的性能結(jié)果。今后，我們將研究在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境中如何使用自適應(yīng)的信道估測(cè)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 3GPP TSG RAN WG1. 1.28 Mcps Functionality for UTRA TDD Physical Layer . meeting AH213G TR 25.928 V0.3.0, June 2000

　　[2] Mr. Kammerlander. Benefits and Implementation of TD-SCDMA. ICCT 2000,Beijing

　　[3] Liberti Joseph C, Theodore J R, Rappaport S. Smart Antennas for Wireless Communications.Prentice Hall,1999