精品智能天线的发展及在TDSCDMA中的应用毕业论文设计.docx
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精品智能天线的发展及在TDSCDMA中的应用毕业论文设计
目录
摘要1
Abstract2
第一章智能天线简介3
1.1引言3
1.2智能天线的提出及基本概念4
1.3智能天线的分类及特点5
1.4智能天线的组成5
第二章智能天线的基本机构和工作原理6
2.1基本结构6
2.2工作原理6
2.3智能天线的发展阶段7
第三章智能天线的关键技术8
3.1智能化接收技术8
3.2智能化发射技术8
3.3动态信道分配9
3.4下一代移动通信中的时空多用户检测技术9
第四章智能天线的用途及应用前景10
4.1智能天线用途10
4.2智能天线在3G中的应用前景11
4.3第三代移动通信系统之TD-SCDMA11
4.3.1技术概述12
4.3.2系统结构12
4.3.3关键技术12
4.4智能天线在TD-SCDMA系统中的应用14
第五章结束语15
参考文献16
附录:
17
谢词21
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日期:
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
摘要
随着全球通信业务的迅速发展,作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起人们极大关注。
如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。
智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
与其它日渐深入和成熟的干扰削除技术相比,智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。
我国提交的第三代移动通信标准TD-SCDMA系统的关键技术之一就是智能天线技术,论文详细介绍了智能天线的历史及其发展,深入分析了智能天线在TD-SCDMA中的应用,最后对智能天线的应用进行了展望。
关键词:
TD-SCDMA、智能天线
ABSTRACT
Withtheglobalcommunicationsbusiness,therapiddevelopmentofpersonalcommunicationsasamajormeansoffuturewirelessmobilecommunicationtechnologyandcauseforgreatconcern.Howtoeliminateinterferencewiththechannel(CCI),multi-accessinterference(MAI)andmultipathfadingeffectsofthepeopleinimprovingtheperformanceofwirelessmobilecommunicationsystemofthemainfactorstoconsider.Smartantennasusingdigitalsignalprocessingtechnology,resultinginbeamspatialorientation,sothatthemainbeamantennaattheuserdirectionofarrivalsignal,orzerosubsidencesidelobeinterferencesignalsarriveatthepurposeofthedirectionoffullefficientuseofmobileusersandtodeleteorsuppressthesignalinterference.Withothergrowingdepthandmaturitydeletioninterferencetechnology,smartantennatechnologyinmobilecommunicationhasbecomemoreapparentaftertheapplicationoftheascendantandshowsgreatpotential.ChinasubmittedthethirdgenerationmobilecommunicationstandardTD-SCDMAsystemisoneofthekeytechnologiesofsmartantennatechnology;paperdetailsthehistoryofsmartantennasandtheirdevelopment,in-depthanalysisofsmartantennainTD-SCDMAapplication,thelastofthesmartantennaoutlookapplication.
Keywords:
TD-SCDMA、smartantennas
第一章智能天线简介
1.1引言
随着移动通信的迅速发展,越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行,有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。
对于第二代移动通信系统GSM,在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象,小区蜂窝的半径已经很小,而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。
高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点,这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。
因此,为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务,充分体现3G系统在业务能力上的优势,网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。
就目前的情况而言,智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一,尤其对于3G中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。
天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。
与普通天线以射频部分为主不同,智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。
同时,由于终端在尺寸和成本上的限制,所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站。
目前,普遍使用的是全向天线或者扇区天线,这些天线具有固定的天线方向图形式,而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性(见图):
如图所示,在使用扇区天线的系统中,对于在同一扇区中的终端,基站使用相同的方向图特性进行通信,这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。
而在使用智能天线的系统中,系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同,并且形成有针对性的方向图,由此最大化有用信号、最小化干扰信号,在频率、时间和码字的基础上,提高了系统从空间上区别用户的能力。
这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度,能够很大程度地提高系统的容量以及与之相关的目录。
1.2智能天线的提出及基本概念
(1)智能天线的提出
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的,是通信系统中能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线。
它利用信号传输的空间特性,从空间位置及入射角度上区分所需信号与干扰信号,从而控制天线阵的方向图,达到增强所需信号、抑制干扰信号的目的;同时它还能根据所需信号和干扰信号位置及入射角度的变化,自动调整天线阵的方向图,实现智能跟踪环境变化和用户移动的目的,达到最佳收发信号,实现动态“空间滤波”的效果。
采用智能天线的目的主要有以下3点:
a)通过提供最佳增益来增强接收信号。
b)通过控制天线零点来抑制干扰。
c)利用空间信息增大信道容量。
(2)智能天线的基本概念
智能天线是一种安装在基站现场的双向天线,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。
智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrival),旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。
在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。
1.3智能天线的分类及特点
智能天线主要包含两类:
开关波束系统和自适应阵列系统。
两者中,只有自适应阵列系统能够在为有用信号提供最佳增益的同时,识别、跟踪和最小化干扰信号。
1.多波束天线
多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。
当用户在小区中移动时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。
因为用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。
但是与自适应天线阵列相比,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。
2.自适应天线
自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。
天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。
自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送。
自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。
1.4智能天线的组成
智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分,其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息,实时地控制天线阵列的接收和发送特性。
这些信息可能是接收到的无线信号的情况;在使用闭环反馈的形式时,也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。
由于移动通信中无线信号的复杂性,所以这种根据通信情况实时调整天线特性的工作方式对算法的准确程度、运算量以及能够实时完成运算的硬件设备都有很高的要求。
这决定了智能天线的发展是一个分阶段的、逐步完善的过程。
第二章智能天线的基本机构和工作原理
2.1基本结构
顾名思义自适应天线阵由多个天线单元组成,每一个天线后接一个加权器(即乘以某一个系数,这个系数通常是复数,既调节幅度又调节相位,而在相控阵雷达中只有相位可调),最后用相加器进行合并,这种结构的智能天线只能完成空域处理;同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网(结构上与时域FIR均衡器相同)。
自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变和自适应调整。
上面介绍的是智能天线用作接收天线时的结构,当用它进行发射时结构稍有变化,加权器或加权网络置于天线之前,也没有相加合并器。
2.2工作原理
假设满足天线传输窄带条件,即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化,这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决定。
若入射信号为平面波(只有一个入射方向),则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。
给出一组加权值,一定的入射信号强度,不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同,合并器后的输出信号强度也会不同。
以入射角为横坐标,对应的智能天线输出增益(dB)为纵坐标所作的图被称为方向图(天线术语),智能天线的方向图不同于全向(omni)天线(理想时为一直线),而更接近方向(directional)天线的方向图,即有主瓣(mainlobe)、副瓣(sidelobe)等,但相比而言智能天线通常有较窄的主瓣,较灵活的主,副瓣大小、位置关系,和较大的天线增益(天线术语,天线的一项重要指标,是最强大向的增益与各方向平均增益之比),另外和固定天线的最大区别是:
不同的权值通常对应不同的方向图,我们可以通过改变权值来选择合适的方向图。
2.3智能天线的发展阶段
目前通常将这种过程分为以下三个阶段(见图3)
●第一阶段:
开关波束转换。
在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束,根据信号的来波方向实时确定发送和接收所使用的波束,达到将最大天线增益方向对准有效信号,降低发送和接收过程中的干扰的目的。
这种方法位于扇区天线和智能天线之间,实现运算较为简单,但是性能也比较有限。
●第二阶段:
自适应(最强)信号方向。
根据接收信号的最强到达方向,自适应地调整天线阵列的参数,形成对准该方向的接收和发送天线方向图。
这是动态自适应波束成形的最初阶段,性能优于开关波束转换,同时算法也较为复杂,但是还未达到最优的状态。
●第三阶段:
自适应最佳通信方式。
根据得到的通信情况的信息,实时地调整天线阵列的参数,自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性,保持最佳的射频通信方式。
这是理想的智能天线的工作方式,能够很大程度地提高系统无线频谱的利用率。
但是其算法复杂,实时运算量大,同时还需要进一步探寻各种实际情况下的最佳算法。
目前,对于智能天线的应用主要集中在第二阶段附近,并且由于移动通信的迅速发展,使得智能天线技术在包括3G的应用中受到广泛的重视,解决智能天线在实际应用中的各种问题,以及寻求更加“智能”的自适应算法和实现方案是目前工作的重点和主要内容。
第三章智能天线的关键技术
智能天线在移动通信中的应用分为移动台和基站,本部分仅讨论智能天线应用于基站的实现技术,其中智能化发射技术、接收技术和动态信道分配是3项关键的技术。
3.1智能化接收技术
应用智能天线CDMA系统中,由于不同用户占用同一信道,不同用户带来的多址干扰(MAI)和多径信道带来的码间干扰(ISI)会使到达基站的用户信号产生畸变,所以必须采用信道估计和均衡技术,将各用户信号进行分离和恢复(即多用户检测MUD)。
整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。
另一方面,为了给智能发射提供依据,在上行中还需要估计反映用户空间位置信息的参量,如入射角(DOA)、空域特征(SS,SpatialSignature)等,它们的精度估计将直接影响到下行选择性发送的性能。
目前,完成智能化接收的方法主要有基于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。
前一类方法又分子空间方法和基于参数估计准则的方法两大类。
后一类方法主要利用信号的时域信息和先验特征进行空域处理。
3.2智能化发射技术
在蜂窝系统中,为满足多媒体业务通信质量的要求,发射信号功率一定要动态控制,在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下(各小区干扰基本稳定),满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。
智能化发射技术利用用户的空间差异,保证每个用户只接收基站发给它的下行信号,不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。
实现智能化发射有基于反馈和基于上行链路参数估计两种方法。
前一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号,估计下行信道的响应情况,其缺点是浪费带宽。
基于上行链路参量估计的方法是利用一些特征参量相对于上下行链路的不变性,通过各用户对上行信号的估计,确定下行链路的波束形成方案。
TD-SCDMA采用后一种方法。
在时分双工(TDD)系统中,上、下行链路使用同一载波频率,在信道特征变化相对较慢的情况下,可以近似认为上、下行链路的信道特征相同,可使用对上行信道的估计设置下行链路参数。
在频分双工(FDD)系统中,由于上、下行链路载频不同,上、下行链路的信道特性差异很大,要分别估计上、下行链路特征,所以在FDD系统中使用智能天线比在TDD系统中使用要复杂得多,这也是TDD系统较FDD系统的优势所在。
3.3动态信道分配
通信中,信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。
在空分信道引入系统后,空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。
后三种信道分配技术是确定性的,可由系统根据用户情况动态分配,但空分信道分配不同。
在基站处,接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户,可分享同一时、频域信道。
这样,空分信道分配就成为动态的条件组合问题,且随着用户空间位置的移动,为跟踪用户,空分信道必须相应变化,随时进行动态分配。
空分信道分配必须与时、频信道分配和切换相结合,这就需要形成一种高效算法,以适应用户的移动性。
对于CDMA系统,由于其容量是软容量,信道分配相对简单。
智能天线本身具有功率控制功能,其性能要优于现有的功率控制技术。
同时基站间的越区切换也将更为灵活。
3.4下一代移动通信中的时空多用户检测技术
一代移动通信系统中,多用户检测(MUD)是一项关键技术。
MUD利用多址干扰的信号结构特征,对所有的激活用户进行联合估计,可以明确估计出期望用户的多址干扰,从而抑制多用户干扰,从本质上解决远近问题(NearFarProblem)。
然而多址干扰和无线信道具有明显的空间结构特征,如果采用智能天线技术,将为干扰抑制提供新的维度。
智能天线引入移动通信系统基站后,可以实现对移动用户的定向发射和定向接收,能从空域上消除大量的多用户干扰,并能减轻多径效应。
因此,利用时空多用户检测技术进行干扰抑制,将进一步提高系统性能。
时域信息和空域信息的结合有级联和联合两种方式。
在时空级联处理方法中,空间滤波器用来去除未被多用户检测器去除的多址干扰,能在一定程度上改善接收效果,但不能应用于过载情况。
时空联合处理方法将空域特征和时域特征等同看待,与传统的时域多用户检测器相比增加了等效处理增益,提高了用户特征之间的正交性,从而改善了接收机性能,且可以应用于过载系统中。
因此,基于时空联合处理方法性能优于级联处理方法,但是其运算量大。
在我国提出的第三代移动通信标准——TD-SCDMA中实现了智能天线和联合检测(JD:
JointDetection)技术的有机结合。
由于上行链路和下行链路具有相似的信道特性,所以TD-SCDMA系统能够把上行链路联合检测过程中获得的冲击响应估计值应用于下行链路,用类似于最大功率合成的方法实现下行智能天线自适应波束赋形算法,这是TD-SCDMA系统智能天线算法的独特之处。
联合检测算法可以分为3类:
非线性算法、判决反馈算法、线性算法。
非线性算法主要有最大似然序列估计(MLSE),该算法极度复杂,在要求实时性的移动通信系统中难以应用。
判决反馈算法是在线性算法基础上经过一定的扩展得到,有迫零判决反馈均衡器算法(ZF-BDFE)和最小均方误差判决反馈均衡器算法(MMSE-NDFE),它们的计算复杂度较大。
实际应用中,常采用线性算法。
其原理是先用线性块均衡器M对接收信号进行检测,得到K个用户发送符号的连续值估计,然后用K个量化器对这些连续值估计进行量化,就可得到对用户发送符号的离散值估计。
基于时空二维处理的智能天线和多用户检测相结合,是一种优势互补的组合。
在看到时空二维多用户检测器的巨大容量潜力的同时,也应该看到其优良的性能是以巨大的运算量为代价的。
运算量大是时空二维多用户检测器实用化的主要障碍。
研究快速算法将是今后时空二维多用户检测器研究工作的一个重点。
第四章智能天线的用途及应用前景
移动通信信道传输环境较恶劣,多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰ISI(Inter-SymbolInterference)、FDMA、TDMA系统(如GSM)由于频率复用引入的同信道干扰(CCI,Co-ChannelInterference)、CDMA系统中的多址干扰(MAI,MultipleAccessInterference)等都使链路性能、系统容量下降,我们熟知的均衡、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它们的影响。
这些技术实际利用的都是时、频域信息,而实际上有用信号、其时延样本(delayversion)和干扰信号在时、频域存在差异的同时,在空域(入射角DOA,DirectionOfArrival)也存在差异,分集天线(antennadiversity)、特别是扇形天线(sectorantenna)可看作是对这部分资源的初步利用,而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。
4.1智能天线用途
智能天线是一种升缩性较好的技术。
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(pathloss),为使接收到的有用信号不至于低于门限,要么增加移动台的发射功率、要么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,为扩大系统容量、支持更多用户,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较大比例地增加了。
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,低增益副瓣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(比如在GSM中使复用因子3成为可能),和同时支持更多用户(CDMA中)。
从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。
智能天线的又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。
采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道,而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的,所以除了具体算法上的差异外,智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统,包括已商用的第二代系统,即是一种广泛适用的系统。
智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位,并提供更高的定位精度,因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时,它还可获得波达角信息。
4.2智能天线在3G中的应用前景
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