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采用智能天线的TDSCDMA系统 在高速环境中的性能 郑侃 白伦博  郑侃1996年7月毕业于北京邮电大学无线电工程系，2000年毕业于北京邮电大学电信工程学院，获硕士学位。现工作于西门子（中国）有限公司信息通信移动集团第三代移动通讯部，主要从事第三代移动通讯系统(TD-SCDMA)的研究开发等工作。 白伦博 在德国不伦瑞克理工大学和英国巴斯大学攻读电子工程专业。1996年从德国不伦瑞克理工大学毕业后，在德国西门子公司和凯撒斯劳藤大学从事研究并于1999年获得博士学位，研究的主题是TD-CDMA验证系统的评估。同年加入了西门子（中国）公司的信息通信移动集团。他的主要工作是对第三代移动通信系统TD-SCDMA的系统设计、标准化和研究等。  摘  要：中国无线通信标准组织(CWTS)1提出的TD-SCDMA已经由国际电联(ITU)正式采纳，成为未来第三代移动通信系统(IMT2000)的一个重要的部分并由3GPP组织2进一步标准化。作为TD-SCDMA系统中的关键技术之一的智能天线技术能够使系统在高速运动的信道环境中达到较好的性能。    在本文中，我们首先介绍了TD-SCDMA的系统模型。然后，解释了智能天线技术的基本概念以及在高速运动环境中应用该技术的可行性。同时，在文章中给出了在不同速度的高速运动环境中的相应的仿真结果。我们可以看到，在TD-SCDMA系统中使用智能天线技术可以获得很好的系统性能并能够满足第三代移动通信系统的各种需求。 关键字：TD-SCDMA，智能天线技术，联合检测技术   一、前言     在最近几年来，移动通信已经成为一个飞速发展的领域。使用数字信号处理技术和时分多址接入和频分多址接入技术的第二代移动通信系统，例如GSM和IS54系统，已经广泛地应用在世界各地。与第二代移动通信系统相比，对于第三代移动通信系统的最大的挑战之一是不仅要能够提供象话音和图像等对称的电路交换业务，而且要能够提供例如移动互联网接入等非对称的数据包交换业务。同时，未来的用于第三代移动通信的频带中的部分可能是非对称的。这样，使得TDD双工模式在未来的移动通信的发展中显得非常重要。     为了解决这些问题，TD-SCDMA系统融合了两种先进的技术，它是一种在同步模式下工作的具有自适应CDMA特点的先进的TDMA系统。随着移动通信市场的发展，对移动通信系统的要求越来越高，作为未来移动通信系统的TD-SCDMA必须能够满足各种类型的业务需求。作为TD-SCDMA的关键技术之一的智能天线技术能够提高系统的容量，扩大小区的最大覆盖范围，减小移动台的发射功率，提高信号的质量并增大了传输数据速率。这些优点给移动网络运营商提供了很大的灵活性。     本文着重分析了在高速运动的移动环境中，在基站部分使用智能天线技术的TD-SCDMA系统在上行链路中的性能。本文的结构如下：在第二部分，我们给出了所考虑的TD-SCDMA移动通信系统的上行链路模型。在这个系统中，基站部分使用了智能天线技术。在第三部分我们讲述了智能天线的基本概念，同时解释了在TDD双工模式中的高速运动环境下使用智能天线技术的可行性。在第四部分，我们解释了所使用的TD-SCDMA移动通信系统的环境并给出了不同高速下的系统性能。最后，在第五部分对本文进行了简要地总结。   二、系统模型     在这一部分，我们介绍了包括前向纠错编码在内的使用智能天线技术的TD-SCDMA移动通信系统的低通等效模型。在图1和图2我们给出了上行链路中的发射机和接收机的基本结构。 图1 移动台发射机的结构框图     在系统中的同一个小区中，在带宽为B的同一个频带上可以有K个用户同时进行通信，用户间通过不同的用户扩频码序列进行区分。我们假设每个移动台只有一个发射天线。在基站部分的上行接收机有M个天线可以接收移动台发射的信号。在我们的验证系统中使用的是Ray Tracing信道模型。这种信道模型是基于几何理论以及反射、折射和散射传播模型的。通过利用指定场所的位置信息，例如建筑图纸数据库，这种技术能够确定地对传播信道进行建模，包括路径损耗、入射角和时延等。它非常适合应用在验证智能天线系统的有效性的仿真中，通过它得到的性能结果具有很强的说服力。 图2 基站中使用智能天线技术的接收机的结构框图     TD-SCDMA移动通信系统中的帧结构3与GSM的非常类似，见图3，它们都利用midamble来做脉冲检测。图3 TDSCDMA系统的基本帧结构 超帧的持续时间为320ms，一个超帧能够分成32个无线帧。一个无线帧又可以分成2个持续时间为5ms的无线子帧。每个无线子帧由7个持续时间为675s的业务时隙和3个特殊的时隙： DwPTS （下行导频时隙）、GP（保护时隙）和UpPTS（上行导频时隙）组成。时隙TS0总是用于下行链路，时隙TS1总是用于上行链路，其他的时隙则根据转换点的灵活配置来确定是用于上行或是下行链路。每个业务时隙的脉冲结构是由两个数据符号区和一个长度为144个码片的midamble及长度为16个码片的保护区组成。在TD-SCDMA系统中，在每个业务时隙中最多同时有16个不同的扩频用户单元。我们利用midamble训练序列来做解相关运算得到对移动信道的估测，然后对每个时隙中的所有信号同时进行联合检测的信号检测方式。通过消除多址干扰的方式，使接收信号的动态范围达到了大约20dB。联合检测技术是一种在其他较强信号存在的情况下使较弱的信号能够解调出来的算法。所以，采用这种技术后可以降低对功率控制的要求，也就是说可以消除由于慢衰落引起的平均功率波动的影响。  三、智能天线     在这一部分，我们解释了智能天线技术的基本概念4以及在高速运动信道环境下使用该技术的可行性。 1、智能天线技术概念     如图4所示，由一些空分的独立的天线元素组成一个天线阵列系统，这个阵列的输出与收发信机的一组多个输入相结合。这多个天线元素结合在一起提供一个综合的时空信号。与使用单个天线采用固定方式结合天线口信号的接收机相比较，天线阵列系统能够动态地调整结合信号的机制以提高系统的性能。正因为这个原因，天线阵列经常被称为智能天线，它被视为相当于一个特性能够根据需要自动地调整的天线。 图4 由M个空间分集的天线元素的天线阵列     人们经常使用的是环状或线性天线阵列。在TD-SCDMA移动通信系统中，我们用8个完全相同的天线元素均匀地放置在一个半径为R的园形上，组成我们所需的环形天线阵列。这种阵列对于干扰消除技术特别有效5。每两个天线之间的距离是载波波长的一半。由于每个天线在空间上处于不同的位置，所以不同天线元素的信号的幅度和相位是不同的。这样，在不降低信噪比的同时可以产生很多个独立有方向性的高增益的波束。不同的波束分配给不同的用户保证了所有链路上的最大的增益。利用自适应的波束成形可以有效地消除干扰提高系统的容量。各种能够用数学公式表示的算法都能够得到实现。 2、TDD模式下高速运动环境中使用智能天线技术的可行性     随着交通和通信的发展，对在高速运动中的高速数据业务的需求显得越来越紧要了。在车速环境中，一般来说是没有直线视距信号存在，这就意味着接收到的信号是由反射波、折射波和散射波等组成的。接收到信号的平均功率随着距离的增大而减小。     采用智能天线技术的TD-SCDMA移动通信系统不仅适用于室内环境，而且也适用于室外的车速环境。根据我们的分析与仿真，在移动台速度很高的情况下，该系统同样能够正常地工作。在上行链路上，基站端的接收机能够实时地确定接收到信号的波束结构特点对信号进行解调，不需要任何存储单元存放过去帧的波束信息。所以无论移动台的速度多高，在上行链路的接收机都可以迅速地在每一帧适应新的波束特点。在TDD双工模式下，上行链路和下行链路使用的是同一个频带，基站端的发射机可以根据在上行链路上得到的接收信号来了解下行链路的多径信道的快衰落特性。这样，基站的收发信机就可以使用在上行链路上得到的信道估测信息来实现下行的波束成形。只有在象TD-SCDMA这样的TDD双工系统中上行、下行链路的配合才能达到这样好程度。在TD-SCDMA系统中由于无线子帧的长度是5ms，所以容许的下行对上行的最大的反应时间为5ms。根据无线帧中上行和下行的信道分配，这个反应时间可以更短。随着移动台速度的增加，上行链路上的信道特性与下行链路上的信道特性的相关性越来越强。下行链路信道的特性与上行的存在着偏差，但是这个偏差很小，所以利用上行获得的波束信息来做下行的波束成形仍然能够正常工作。     举例来说，假设移动台的速度是250公里/小时，采用下行波束成形的反应时间是2.5ms；这样，当移动台与基站的最小距离为10米时，如图5所示，下行采用的波束成形与实际的偏差角度约为2度。 图5 高速下下行链路采用波束成形的偏差举例示意   四、仿真结果     在这一部分给出了链路级仿真的结果。仿真环境的主要特点如下： 使用了智能天线技术 在上行链路上使用了联合时空处理 具有空间信息的信道模型（ray tracing 信道模型）     根据CWTS的提案我们选用了12.2k和2.4比特/秒的映射方式。在下面的表格中我们列出了基本的仿真参数。在基站端使用8个天线组成的环形天线阵列，而移动台只用了单个天线。     我们使用COSSAP仿真平台得到了不同车速下的不同的仿真结果如图6、7所示： 图6 120公里/小时车速下误码率性能 图7 250公里/小时车速下误码率性能     通过认真细致的仿真工作，可以看到TD_SCDMA移动通信系统能够在高速运动信道环境下有效地工作。   五、结束语：     在本文中，我们提出了结合了TDMA和CDMA多址接入方式并使用了联合检测技术的TD-SCDMA移动通信系统，并且探讨了该系统在高速运动信道环境下的性能。在基站部分使用了智能天线技术不仅带来了分集增益，而且可以进行干扰消除。目前的仿真工作说明了TD-SCDMA移动通信系统能够在高速运动信道环境下有效地工作。     如果移动台速度非常的高，在上行链路上的传统的信道估测信息就不能精确地使用在下行的波束成形中了。这不是因为移动台位置的改变，而是因为无线信道本身的时变特性造成的。就高速运动信道环境而言，TD-SCDMA移动通信系统的应用前景依然是很乐观的。目前，我们没有使用自适应信道估测技术，采用这种技术会得到更好的性能结果。今后，我们将研究在高速运动信道环境中如何使用自适应的信道估测技术。  载项2 GHz码片速率1.28Mchip/s载波带宽1.6MHz每帧中的时隙数7无线子帧长度5 msMidamble144码片每个时隙的用户数目8每个用户占用的扩频码数目2每个脉冲中的数据符号数44信道冲激相应长度16交织深度20 ms调制方式QPSK成形滤波器升余弦 a=0.22参考文献： 1 3GPP TSG RAN WG1, "1.28Mcps functionality for UTRA TDD Physical Layer ", meeting AH213G TR 25.928 V0.3.0, June 2000. 2 www.cwts.org 3 Mr. Kammerlander," Benefits and Implementation of TD-SCDMA" ICCT 2000,Beijing 4 Joseph C. Liberti, JR. Theodore S.Rappaport, "Smart antennas for wireless communications", Prentice Hall,1999 5 Bar-Ness, Alexander M.Haimovich, "Usage of Smart Antenna for Cancelling Neighboring Base-Station Interferences in Wireless CDMA Communications", IEEE Signals, Systems & Computers, 1997 Conference Record of the Thirty-first Asilomar Conference on Vol 1. 1998.