智能天线和联合检测技术建议书AFIV1.0.

1、大唐移动通信设备有限公司 智能天线和联合检测技术建议书智能天线和联合检测技术建议书项目名称文档编号版 本 号v1.0.0作 者康绍莉 李虓版权所有大唐移动通信设备有限公司本资料及其包含的所有内容为大唐移动通信设备有限公司(大唐移动)所有,受中国法律及适用之国际公约中有关著作权法律的保护。未经大唐移动书面授权，任何人不得以任何形式复制、传播、散布、改动或以其它方式使用本资料的部分或全部内容，违者将被依法追究责任。文档更新记录日期更新人版本备注2005-1-25李虓0.01撰写框架2005-3-3康绍莉0.01撰写基本内容2005-3-31康绍莉1.0.0根据李虓和各评委意见进行了调整目 录智能天

2、线和联合检测技术建议书11引言11.1编写目的11.2预期读者和阅读建议11.3参考资料11.4缩写术语12智能天线22.1概述22.1.1智能天线的概念22.1.2智能天线的作用22.1.3智能天线的发展前景22.2智能天线的基本原理32.2.1组成结构32.2.2数学模型32.2.3阵列类型42.2.4方向图和方向向量62.3智能天线的实现92.3.1智能天线的校准92.3.2智能天线的doa计算122.3.3智能天线的下行波束赋形132.3.4智能天线的eirp计算方法152.4智能天线在td-scdma系统中的应用182.4.1智能天线的应用功能和位置182.4.2智能天线对链路的性能

3、改善182.4.3智能天线对系统容量的贡献213联合检测223.1概述223.2联合检测的基本原理233.2.1白化匹配滤波器233.2.2迫零均衡器233.2.3最小均方误差均衡器243.3联合检测的实现243.4联合检测在td-scdma系统中的应用243.4.1信道估计的表达243.4.2系统矩阵的表达253.4.3联合检测算法的表达253.4.4联合检测对链路的性能改善263.4.5联合检测对系统容量的贡献274智能天线和联合检测的比较与结合294.1智能天线和联合检测的比较294.1.1仿真条件294.1.2仿真结果294.1.3对比分析304.2智能天线和联合检测的结合305智能天

4、线和联合检测在实际组网中的应用315.1宏基站组网315.1.13小区325.1.27小区345.2微基站组网365.2.1单小区365.2.22小区365.2.33小区375.2.4基本结论38 第 39 页 共 43 页1 引言引言提出了对本文档的纵览，帮助读者理解该文档的编写目的，适用的读者，参考资料，术语解释等等。1.1 编写目的简要描述本文档涉及的产品范围，说明本文档编写的目的和意义。1.2 预期读者和阅读建议市场部用户,交流、合作的客户。1.3 参考资料【1】 李世鹤，智能天线的原理及实现，内部资料【2】 a.klein, g.k,kaleh and p.w.baier. zero

5、 forcing and minimum-mean-square error equalization for multiuser detection in code-division multiple-access channels, ieee trans. on vehicular technology, vol.45, pp.276-287, may 1996.【3】 智能天线校准，内部文档【4】 td-scdma链路预算特性需求分析报告，内部文档【5】 td-scdma容量分析特征需求规范，内部文档1.4 缩写术语提供正确理解该文档所包含的全部术语的定义、首字母缩写词和缩略语。aaa

6、自适应阵列天线sa 智能天线tx 发射rx 接收rfu 射频单元tpa 发射功率放大器acu 接入控制单元bbu 基带处理单元eeprom 可读写编程单元doa 到达方向dot 发射方向eirp 等效全向辐射功率jd 联合检测mf 匹配滤波zf 迫零mmse 最小均方误差sf 扩频系数vru 虚码道（对应于sf=16）2 智能天线2.1 概述2.1.1 智能天线的概念随着社会信息交流需求的急剧增加，个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。在已有的时分多址（tdma，time division multiple access）、频分多址（fdma，frequency division

7、 multiple access）或码分多址（cdma，code division multiple access）复用方式基础上，智能天线（sa，smart antenna）技术引入了第四维多址复用方式空分多址（sdma，space division multiple access）方式，使得用户在相同时隙、相同频率或者相同地址码情况下，仍可以根据其空间传播路径来加以区分，从而成倍地扩展了移动通信系统的容量。智能天线原名自适应天线阵列（aaa，adaptive antenna array），最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位。相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。随

8、着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，随着数字信号处理芯片处理能力不断提高，自适应天线阵开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信，并且被称呼为一个新的名字智能天线。2.1.2 智能天线的作用智能天线可以运用于移动通信系统的基站或者终端，它具有如下几大作用：l 天线波束赋形的结果等效于增大了天线增益。对于n元天线阵列，天线增益最大可能增加10lgn(db)。l 天线波束赋形的结果使得多址干扰大大降低。只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰。l 天线阵可以对来波方向进行精确计算。来波方向可以用于用户定位和越区切换。l 智能天线和单天线相比，可

9、以用多个小功率的线性功率放大器来代替单一的大功率的线性功率放大器。因为线性功率放大器的价格与功率值不成线性关系，使用智能天线大大降低了接收机的成本。l 智能天线提高了系统的设备冗余度。任何一台收发信机的损坏并不影响系统的工作。l 智能天线能够补偿信号衰落。l 智能天线提高了系统容量。2.1.3 智能天线的发展前景世界各国都非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经开展了大量的理论分析和研究。美国的metwave公司对用于fdma、cdma、tdma系统的智能天线进行了大量研究开发；arraycomm公司研制了用于无线本地环路的智能天线系统；德州大学建立了智能天线试验环境。欧洲进行了基于dect

10、基站的智能天线技术初步研究，于1995年初开始现场试验。日本某研究所制作了基于波束空间处理方式的波束转换智能天线。中国将研究智能天线技术列入国家863-317通信技术主题研究中的个人通信技术分项，并在具有自主知识产权的3代移动通信系统标准td-scdma系统中使用智能天线技术。当前对智能天线的研究主要包括如下几个方面：智能天线的接收准则及自适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理；用于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台等。总之，智能天线因为具有上述的种种优点，对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用，是当前乃至今后的研究热点。2.2 智能天线的基本原理2.2.

11、1 组成结构智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信干比。广义地说，智能天线技术是一种天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配技术。以接收过程为例，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）或者延时抽头加权网络（结构上与时域fir均衡器相同），最后用相加器进行合并，来完成空域滤波或者空域和时域的联合处理。通常，这些加权系数可以恰当改变、自适应调整。对于发射过程，加权器或加权网络置于天线之前，没有相加合并器。图2.2.1-1示出了智能天线的加权示意图。该加权网络由n个天

12、线单元组成，每个天线单元有m套加权器（对应m个用户），可以形成m个不同方向的波束。用户数m可以大于天线单元数n。+用户1+用户m 12n加 权 网 络图2.2.1-1 智能天线的加权示意图2.2.2 数学模型假设天线阵列接收的信号用矩阵表示，加权网络用矩阵表示，天线阵列输出用矩阵表示，那么，智能天线模块的输入和输出之间存在如下关系： (2.2.2-1) (2.2.2-2)通过对加权网络中的各个系数（）的调整，可以使得各个输出函数（）按照我们所期望的目标输出。例如，在移动通信系统中，天线阵列的输入信号（）通常是多个用户的多径信号的叠加。假设用户的原始发送信号用表示，各用户经历的无线信道响应用表示

13、，那么，天线阵列的输入信号和各用户的原始发送信号之间的关系可以表达为 （2.2.2-3）对于智能天线，因为阵元之间的距离很近，约为0.5倍载波波长，使得每用户在不同天线上的信道响应具有相关性，即 （2.2.2-4）其中，表示第个用户的第条多径的到达角度，表示该到达角对应的方向矢量，它反映了不同阵元之间因信号传播距离不同而引起的的相关系数。表示在采用单天线接收情况下，第个用户的第条多径经历的无线信道响应。智能天线技术通过调整上述的各个权值，实现对各个用户的空间滤波，从而来分离各个用户并恢复各个用户的发送信号，即，使得输出函数等于或尽量接近于用户的原始发送信号，用数学公式表达为 （2.2.2-5）

14、根据权值调整后输出信号达到的不同效果，智能天线技术的应用大致分为如下两类：一是最大功率比合并；二是波束赋形。其中，最大功率比合并主要起到信号的空间分集作用，更适用于信干比较高的情况。而波束赋形则主要起到追踪用户、抑制干扰的作用，更适用于信干比未知、而各用户的到达角度能够完全分开的情况。2.2.3 阵列类型前面提到，智能天线实际上就是由天线阵列和加权网络组成。天线阵列具有不同的阵列结构，而阵列结构与阵元间距和阵元排列方式有关。对于阵元间距，设置过大会导致方向图的副瓣电平增大和阵元相关性降低，设置过小会导致方向图的副瓣增宽和阵元互耦增强，通常，我们选择阵元间距为半波长以得到折中的效果。对于阵元排列

15、方式，天线阵列可以分为线阵和面阵。通常，线阵引起的系统计算简单，但可分辨角度范围只有180度；面阵引起的系统计算相对复杂，但可分辨角度范围为360度，因而在工程中得到广泛应用。对于td-scdma系统，在单小区中采用了8元均匀圆形阵列，见图2.2.3-1所示。在3扇区中，每个扇区采用了8元均匀直线阵列，见图2.2.3-2所示，扇区之间用挡板（大的反射板）分开，并且组成三角形的形式，见图2.2.3-3所示。图2.2.3-1 单小区的8元均匀圆形阵列信源xyz图2.2.3-2 扇区的8元均匀直线阵列o挡板均匀线阵扇区分隔图2.2.3-3 三扇区的阵列结构2.2.4 方向图和方向向量描述智能天线空域

16、滤波的一个重要参数是天线方向图。智能天线的方向图有灵活的主瓣、副瓣，并且方向图的形状主要与天线加权系数、阵列结构、阵列的辐射特性有关。通常，我们希望方向图的主瓣尽量的窄，天线增益（最强方向的增益与各方向平均增益之比）尽量的高。在到达信号的数目在一定范围的情况下，我们可以将主瓣对准有用信号的入射方向，而将方向图中的最低增益点（被称之为零陷）对准干扰信号方向。对于实际的复杂无线环境，干扰信号很多并且存在多径传输，有用信号与干扰信号在入射方向上差异可能不大，天线阵元数不会很多（有限的自由度），这时我们按照最大信干噪比（sinr，signal to interference and noise rat

17、io）准则来获得需要的方向图。天线方向图可以定义为：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。考虑到发射端和接收端之间的距离较远，可以假设信号以远场平面波的形式到达，由此不考虑图2.2.2-1和2.2.2-2中的仰角，只考虑方位角，则天线方向图用公式表达为： （2.2.4-1）其中，表示阵列方向图，表示权向量，表示对应于任意辐射的阵列方向向量，表示阵元的辐射特性，表示对应于全向辐射的阵列方向向量。对于td-scdma系统，单小区使用的均匀圆形阵列中的各个阵元具有各向同性的全向辐射，即，其阵列方向向量表达为： （2.2.4-2）扇区使用的均匀直线阵列中的各个阵元是定向辐射

18、的，其辐射特性、方向向量、方向向量的表达分别为： （2.2.4-3） (2.2.4-4） （2.2.4-5）以采用用户的到达角方向来赋形的算法为例，我们观察图2.2.3-1所示的均匀圆阵和图2.2.3-2所示的均匀直线阵的辐射特性和方向图，分别见图2.2.4-12.2.4-4所示。图2.2.4-1 天线阵元的全向辐射图2.2.4-2 单小区的8元均匀圆形阵列的方向图（到达角：180度）图2.2.4-3 天线阵元的定向辐射图2.2.4-4 扇区的8元均匀直线阵列的方向图（到达角：60度） 比较图2.2.4-2和图2.2.4-4可以看出，和单小区阵列相比，扇区阵列的方向图主瓣更窄，副瓣更小。2.3

19、 智能天线的实现2.3.1 智能天线的校准2.3.1.1 概述td-scdma系统在基站采用智能天线来实现无线信号的发射和接收。对于实际无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是完全相同的，而且，其性能将随时期、工作电平和环境条件等因素变化。如果不进行实时自动校准，则系统性能将受到严重影响，不仅得不到智能天线的优势，甚至完全不能通信。阵列校准是指对每个阵元相关的射频通路进行相位和幅度的精确测量，从而补偿不同射频通路之间的差异。校准的方法大致有3种：（1）方向向量法，即通过测量阵列的响应得到阵列的方向信息；（2）模型法，即预先为方向向量设定一种形式，然后根据多个到达角的实际测量值来拟合出阵列的相

20、位和幅度的估计值；（3）序列法，即用已知伪随机比特序列构成宽带传输序列，利用序列的发射和接收，通过测量来得到阵列的相位和幅度的估计值。td-scdma系统采用了基于序列法的阵列校准方法。在智能天线系统中，天线阵主要有两种类型的天线：工作天线和校准天线。其中，八根工作天线呈环形排列，用来发送和接收射频信号；校准天线通过耦合网络与八根工作天线实现电路连接，用来校准八根工作天线。2.3.1.2 校准的目的智能天线校准的目的具有如下几个方面：（1） 正确设置载波频率；（2） 正确设置各天线的发射（tx）单元的增益；（3） 正确设置各天线的接收（rx）单元的增益；（4） 正确设置时间提前量；（5） 保证

21、下行发射时，天线各单元的一致性（满足天线下行波束赋形的需要）；（6） 保证上行接收时，天线各单元的一致性（满足天线上行接收的需要）；（7） 提高定向的精度。2.3.1.3 校准的过程工厂校准初始化校准周期校准如图2.3.1.3-1所示，智能天线的校准大致分为3个过程：工厂校准；初始化校准；周期校准。图2.3.1.3-1 智能天线的校准过程2.3.1.3.1 工厂校准该阶段通过硬件测试平台hwtp控制实现，在工厂对相关参数进行测量，将测量结果存入rfu和tpa的eeprom中，这些结果将作为已知参数在第2阶段（初始化校准的馈线损耗测量和增益调整）读入。该阶段涉及到的校准参数大致有如下3类：（1）

22、 工作运行时的公用配置参数，如tx通道的限幅电压；（2） 公用物理参数，这些参数在工厂测试时不需要测量，如温度系数；（3） 单个物理参数，这些参数需要由工厂测试确定，如rfu各通道的收发增益固定部分。工厂校准的设备主要包括：rfu、tpa、天线阵、天线滤波器。2.3.1.3.2 初始化校准该阶段主要是在acu的控制下由rfu独立完成，此阶段校准不需bbu参与，它的主要功能是设置基站正常工作的各种参数。该阶段的主要内容包括如下几个方面：（1） 频率配置；（2） 读取eeprom；（3） 时间提前量配置；（4） 预热；（5） 电缆损耗测量；（6） 环回时延测量。对于初始化校准阶段，涉及到的子系统包

23、括：aom、rfu、tpa，见图2.3.1.3.2-1所示。图2.3.1.3.2-1 初始化校准阶段涉及的子系统om在校准中具有如下作用：（1） 控制流程，触发对rfu、tpa、ac的操作；（2） 进行一些计算；（3） 处理各种出错情况；（4） 最终完成初始化校准和周期校准。2.3.1.3.3 周期校准为了实现智能天线功能，需要周期地对天线阵进行天线校准，补偿各工作天线之间的相位和幅度的偏差。另外，周期校准还可以检测出某些射频通路的物理损坏或数据传输的不正确。该阶段主要是bbu上的ac子系统在acu的控制下完成周期校准功能，其中rfu和tpa需要对acu和bbu的命令作出响应。该阶段分为tx校

24、准和rx校准2个过程：（1） tx校准是ac从工作天线发送校准序列，然后从校准天线收回自己发送出的校准序列，估计出每根天线发送方向上硬件通路的增益和相位差异，并进行基带信号的补偿；（2） tx校准是ac从校准天线发送校准序列，然后从工作天线收回自己发送出的校准序列，估计出每根天线接收方向上硬件通路的增益和相位差异，并进行基带信号的补偿。对于周期校准阶段，涉及到的子系统包括：aom、bbu、rfu、tpa，见图2.3.1.3.3-1所示。图2.3.1.3.3-1 周期校准阶段涉及的子系统2.3.2 智能天线的doa计算2.3.2.1 概述空间达波方向估计（direction of arrival

25、, doa）技术是空间谱估计与阵列信号处理技术相结合的产物，它广泛地应用于雷达、声纳、海洋测绘、地震学、无线电天文学以及数字移动通信领域中。doa估计所要解决的问题是如何利用天线（或传感器、换能器等）阵列的输出，从背景噪声中检测信号并估计信号的方位参数，并且空间分辨率和运算复杂度是衡量估计方法优劣的至关重要的性能指标。通用的doa估计方法大致分为3类：（1）谱估计方法，例如music；（2）基于子空间的参数估计方法，例如esprit；（3）确定性参数估计方法，例如ml。适合于cdma系统的doa估计方法有：解扩music、互相关法、最小二乘法、用于非相关信号的ml法、unitary-espri

26、t和uca-esprit。2.3.2.2 计算流程td-scdma系统采用了基于空间谱搜索的doa估计方法，得到的doa主要用在如下两个方面：（1）下行波束赋形；（2）用户定位。doa估计的基本流程见图2.3.2.2-1所示。它具有如下几个步骤：（1） 基站利用阵列天线进行多用户多径信号的接收。（2） 基站对接收信号进行多用户分离，并对每个用户进行信道估计，得到信道响应。（3） 利用用户的信道响应进行用户doa估计。该步骤又包括如下子过程：（a） 对于每个用户，根据其信道响应组成空间相关矩阵。（b） 利用空间相关矩阵计算各个方向的增益。（c） 找出最大增益对应的方向。（d） 将该方向当作用户的

27、doa。基站接收到达信号（码片级）用户空间相关矩阵信道响应多用户多径信号利用空间相关矩阵计算各个方向的增益用户的doa找出最大增益对应的方向多用户分离、信道估计谱搜索doa估计方法将该方向当作该用户的到达方向（即doa）图2.3.2.2-1 doa计算过程2.3.3 智能天线的下行波束赋形2.3.3.1 概述在蜂窝移动通信系统中，由于用户通常分布在各个方向，加之无线移动信道的多径效应，有用信号存在一定的空间分布。一方面，当基站接收信号时，来自各个用户的有用信号到达基站的方向可能不同，且信号与其到达角度之间存在复杂的依赖关系；另一方面，当基站发射信号时，可被用户有效接收的也只是部分的信号。考虑到

28、这一因素，调整方向图使其能实现指向性的接收与发射，这就是波束赋形的基本概念。波束赋形可以补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落和失真，同时降低同信道用户间的干扰。下行波束赋形就是在基站端对下行发送的信号在天线上进行加权，假设第k个用户在第ka根天线上的加权系数用表示，则基站端的下行波束赋形结构见图2.3.3.1-1所示，它是一个由k路用户数据到ka根天线发射信号的加权映射网络。基于下行波束赋形的下行链路的结构见图2.3.3.1-2所示，它是一个由ka根天线发射信号经过无线信道到达第ku个移动台的过程。图2.3.3.1-1 基站端的下行波束赋形结构图2.3.3.1-2 下行链

29、路的结构2.3.3.2 dot赋形td-scdma系统采用了基于到达角（doa）的方向向量赋形方法，称为发射方向赋形（direction of transmit, dot）。该赋形方法的计算过程见图2.3.3.2-1所示，它可以分为如下几个步骤：（1） 对于每用户，根据上行获得的到达角，计算方向向量，并将方向向量的共轭当作加权系数。（2） 在每根天线上，将各用户的扩频信号和所得的加权系数相乘，得到各用户的下行加权信号，并将所有用户的加权信号进行相加，得到多用户的混合下行赋形信号。加权系数用户的到达角度计算该角度对应的方向向量天线权向量等于方向向量的共轭多用户的混合下行赋形信号加权网络用户的扩频

30、信号图2.3.3.2-1 dot赋形过程2.3.4 智能天线的eirp计算方法eirp是等效全向辐射功率的英文简写，它是用户在发射端的一种功率体现，通常用dbm来表示。用户的等效全向辐射功率用公式表达如下：用户的等效全向辐射功率 (eirp,dbm) = 用户最大发射功率 + 天线总增益 + 功率控制增益 馈线损耗 人体损耗天线总增益 = 发射天线增益 + 阵列天线增益 + 波束成形增益下面，我们对该公式中用到的几个术语分别进行解释。2.3.4.1 用户最大发射功率对于业务信道，上行用户最大发射功率即为移动台最大发射功率。下行有多个移动台和基站同时通信，这时用户最大发射功率为该用户所承载的业务

31、所占用的能量。与该用户所承载的业务所占用的ru资源以及基站规划承载的业务有关。假设基站所承载的用户每时隙总共占用的资源为10个扩频因子（sf）为16的ru，基站最大发射功率为（mw），则对承载12.2k的话音业务（占用2个sf为16的ru）的用户，该基站的用户的最大发射功率为：dbm。对于导频信道，没有经过信道化码扩频，以满功率发射，下行的用户最大发射功率即基站的最大发射功率。上行的用户最大发射功率即为移动台最大发射功率。td-scdma移动台最大发射功率等级见表2.3.4.1-1所示。表2.3.4.1-1 td-scdma移动台最大发射功率等级power classnominal maxim

32、um output powertolerance1+30 dbm+1 db / -3 db2+24 dbm+1 db / -3 db3+21 dbm+2 db / -2 db4+10 dbm+4 db / -4 db2.3.4.2 天线总增益智能天线带来的天线总增益包括3部分：（1）发射天线增益；（2）阵列天线增益；（3）波束赋形增益。发射天线增益是相对于单个天线阵元来说的，它与天线的结构有关。对于在垂直面内采用4个半波振子的天线，其发射天线增益为 (2.15+10log10(4) )= 8.15dbi左右。阵列天线增益是采用阵列和采用单天线相比较的增益，对于8元阵列，其阵列天线增益为10lg

33、(8)=9db。波束赋形增益是智能天线抗干扰的能力体现，它表现为方向图上期望信号与干扰信号的功率比值。通常，期望用户指向方向图的最大点，而干扰用户可能在方向图的任意一点（即干扰的到达方向是任意的），因此，我们可以用方向图的最大值与方向图的平均值来表示平均的赋形增益，即：赋形增益=功率方向图最大值/功率方向图平均值。对于以到达角的方向向量进行赋形的8元均匀圆形阵列，其赋形增益为8db。2.3.4.3 功率控制增益cdma是一个自干扰系统，移动台之间会产生干扰。使“远近效应”问题更加突出。上行链路功率控制的目的就是克服远近效应，使所有的移动台以最低的功率电平满足信号干扰比要求，使系统既能维持高质量

34、通信，又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰。下行链路功率控制中，基站对路径衰落小的移动台分配较小的功率，而对那些较远的和解调信噪比低的移动台分配较大的发射功率，克服邻区干扰。由于基站对近处的移动台分配较小的功率，从而基站有功率余量给小区边缘的移动台，把功率提高到超过平均功率的发射功率，满足信号的载干比要求。也就是提高了超过平均覆盖距离的最大室外覆盖距离。这就是下行链路功率控制带来的增益。一般认为功率控制带来的增益为3db。但这时需要用户数大于4。2.3.4.4 馈线损耗因为计算基站接收机灵敏度的参考点为基站天线口，而天线和基站天线口之间用电缆和各种连接器件连接，所以，将电缆和各种连接器

35、件的损耗叫做馈线损耗。只要馈线损耗不超过14db，系统都能将损耗值补偿回来。2.3.4.5 人体损耗对于移动台，使用语音业务，假设终端贴近人体，而数据业务无此假设，故可假设人体损耗分别为：语音业务3.0db， 数据业务0db。对于基站，无人体损耗，为0db。2.3.4.6 链路预算 包含eirp的td-scdma系统的链路预算见表2.3.4.6-1所示。表2.3.4.6-1 td-scdma系统的链路预算2.4 智能天线在td-scdma系统中的应用td-scdma系统是基于智能天线的第3代移动通信系统。智能天线技术在td-scdma系统中应用时具有如下两大特点：一，时分双工的通信方式使得智能

36、天线在上行链路和下行链路中都能发挥作用，并且下行链路的参数调整过程直接根据上行链路而来；二，智能天线技术和联合检测处理技术相结合，做到了信号的时空处理，能够更好地克服多径衰落，提高通信性能和处理效率。目前，td-scdma系统采用了具有各向同性全向辐射的8元均匀圆形阵列用于小区的接收和发射，采用了具有各向同性定向辐射的8元均匀直线阵列用于扇区的接收和发射。2.4.1 智能天线的应用功能和位置智能天线技术在td-scdma系统中的应用功能和位置见图2.4.1-1所示。对于上行链路，智能天线起着最大功率比合并的作用（见绿色模块）；对于下行链路，智能天线起着波束赋形的作用（见红色模块），而赋形权值来

37、源于上行链路的参数，即上行信道响应。另外，智能天线还用于对用户进行定位。用户1上行数据生成基站接收数据并采样用户k上行数据生成信道估计时空联合处理用户1数据用户k数据下行波束赋形下行数据生成无线信道128基站发送道图2.4.1-1 智能天线在td-scdma系统中的应用位置结构图2.4.2 智能天线对链路的性能改善采用智能天线的系统和采用单天线的系统相比，前者的系统性能明显改善。以链路仿真结果为例，图2.4.2-12.4.2-4分别示出了上、下行链路的不同环境下的性能比较。仿真条件：8个语音用户；awgn环境和3gpp车载环境（v=120km/h）；理想信道响应仿真结果：上、下行链路未编码误码

38、率（raw ber）与信噪比（eb/n0）的关系技术比较：（1） 单天线单用户检测（无智能天线、无联合检测）（2） 单天线多用户检测（无智能天线、有联合检测）（3） 智能天线单用户检测（有智能天线、无联合检测）（4） 智能天线多用户检测（有智能天线、有联合检测）图2.4.2-1 8个语音用户，awgn环境，上行智能天线和单天线的性能比较图2.4.2-2 8个语音用户，车载环境，上行智能天线和单天线的性能比较图2.4.2-3 8个语音用户，awgn环境，下行智能天线和单天线的性能比较图2.4.2-4 8个语音用户，车载环境，下行智能天线和单天线的性能比较根据上面的仿真结果，得出如下几点结论和相关

39、分析：（1） 将图2.4.2-1和图2.4.2-3进行比较，发现：awgn环境下，上行链路和下行链路的性能基本一致，智能天线比单天线能获得9db的性能改善，这是因为awgn是单径无衰落环境，用户之间是完全正交的，单用户检测和多用户检测的性能相同，而智能天线的增益完全体现在阵列的增益上。（2） 将图2.4.2-2和图2.4.2-4进行比较，发现：3gpp车载环境下，对于上行，单天线得到的系统性能很差，几乎不能够工作，而智能天线情况下得到的系统性能明显好转；对于下行，单天线和智能天线得到的系统性能之间的差距拉小；对于单用户检测算法和单天线的多用户检测算法，下行链路的性能好于上行链路。这主要是因为，

40、一方面，下行波束赋形减小了单用户检测和多用户检测技术之间的影响，另一方面，下行的用户走相同的信道，而上行的用户具有不同的信道而引起的。（3） 将图2.4.2-1和图2.4.2-2或者图2.4.2-3和图2.4.2-4进行比较，发现：车载环境下，上下行链路系统的性能明显变差，这是因为无线环境的多径衰落而引起的。2.4.3 智能天线对系统容量的贡献 分别以全向天线、等相馈电智能天线、等旁瓣智能天线为例，来比较td-scdma系统在不同小区半径的容量。2.4.3.1 仿真条件业务类型：12.2k业务；地理环境：密集市区；载波数： 单载波；天线：分别采用了普通全向天线，等相馈电智能天线和-20db等旁

41、瓣智能天线；检测：上下行联合检测，抗干扰因子，；目标信噪比（sir）：上行目标sir = -1.5db，下行目标sir = -1.6db；2.4.3.2 仿真结果表2.4.3.2-1 不同的天线对容量的影响小区半径（米）普通全向天线平均用户容量等相馈电智能天线平均用户容量-20db等旁瓣智能天线平均用户容量1004.747323.473636.21052003.526322.052636.26323003.42102137.10534003.052620.526334.63165002.473618.315731.42116001.368417.263126.8421700011.210521

42、.894780007.315717.631690004.15785.52632100001.21051.94737图2.4.3.2-1 天线对容量的影响2.4.3.3 对比分析目前仿真中所采用的等相馈电智能天线还是一种在8个方向固定波束的智能天线，其旁瓣电平在-7db左右；而-20db等旁瓣智能天线，顾名思义，旁瓣电平在-20db左右，这是一种非常理想情况下的智能天线。上下行都采用了联合检测技术。从表2.4.3.2-1和图2.4.3.2-1可以看出，在100米的小区覆盖半径条件下，普通全向天线的小区容量最少，平均每个小区只有5个左右的用户，-20db等旁瓣智能天线的小区容量最多，平均每个小区可

43、以同时容纳36个用户，是采用普通全向天线小区容量的8倍左右。这体现了智能天线的空间滤波效果：利用信号与干扰的来波方向的不同区分它们，实现减少干扰、提取信号的目的，在期望的信号方向具有很高的增益，而对不希望的干扰信号实现近似零陷的滤波作用。3 联合检测3.1 概述在cdma系统中，用户通过不同的扩频序列之间的正交性来区分和检测。但是对于移动通信环境，空间的无线信道带来了用户信号的时延扩展和频域扩展，破坏了用户信号之间的正交性，引入了码间干扰和多址干扰。此外，还有路径损耗和衰落带来的“远近效应”，这些都严重影响了系统容量。传统的cdma检测算法把多址干扰看作热噪声处理，分离地检测出各个用户的信号，

44、导致系统容量下降。考虑到多址干扰中含有许多先验信息，如确知的用户扩频序列，因此，如果能利用这些干扰，把所有用户的检测看作一个统一的信号检测过程，必然提高系统的容量，这类检测方法称为多用户检测。根据对多址干扰的处理方法不同，多用户检测方法分为干扰抵消和联合检测两种。通常，干扰抵消技术具有相对较小的计算量，而联合检测技术具有相对较好的性能。干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，它对多址干扰信号进行估计、再生，然后从接收信号中减去，最后再用传统接收机接收。为了有效地抵消多址干扰，可以采用多阶抵消。从结构来看，干扰抵消器可以分为串行干扰抵消和并行干扰抵消。从信号再生方式来看，干扰抵消器可以分为软判决干扰抵

45、消和硬判决干扰抵消。联合检测技术的基本思想是利用和多址干扰相关的先验信息，结合信道估计的结果，同时把所有用户的信号检测出来。从理论上来说，联合检测可以完全抵消多址干扰和码间干扰的影响，克服“远近效应”，大大提高系统的抗干扰能力。但是，在实际系统中，考虑可实现性，尤其是实际的信道估计的影响，不能完全消除多址干扰的影响。3.2 联合检测的基本原理联合检测技术大致分为两类：一为线性的联合检测技术，二为判决反馈的联合检测技术。对于现有的第3代移动通信系统tdd cdma（1.28mchip/s和3.84mchip/s），目前均采用了线性联合检测技术。根据具体实现的过程不同，线性联合检测技术又大致分为3

46、种：白化匹配滤波器（wmf）、迫零均衡器（zf-ble）和最小均方误差均衡器（mmse-ble）。其中，白化匹配滤波器其实是一种单用户检测器，但因为它是迫零均衡器和最小均方误差均衡器的基础，所以，在介绍联合检测技术时，我们通常将这3种器件并列起来介绍。3.2.1 白化匹配滤波器白化匹配滤波器的基本结构见图3.2.1-1所示，它包含2个基本过程：预白化匹配滤波和匹配滤波器。图3.2.1-1 白化匹配滤波器的结构3.2.2 迫零均衡器迫零均衡器的基本结构见图3.2.2-1所示，它包含3个基本过程：白化匹配滤波器、白化滤波器、多址干扰（mai）和符号间干扰（isi）消除器。图3.2.2-1 迫零均衡

47、器的结构3.2.3 最小均方误差均衡器最小均方误差均衡器的基本结构见图3.2.3-1所示，它包含2个基本过程：迫零均衡器和维纳滤波器。图3.2.3-1 最小均方误差均衡器的结构3.3 联合检测的实现联合检测技术在td-scdma系统接收机中的位置见图3.3-1所示。为了有效地检测各用户的发送数据，接收机经过了如下一些处理：（1） 对接收信号进行数据部分和训练序列部分的分离，并用训练序列部分进行多用户的联合信道估计。（2） 构造系统矩阵。系统矩阵反映利用多用户的联合信道响应构造信源从发射端到接收端经历的过程，包括扩频加扰、无线信道。（3） 实施联合检测算法。实际使用的联合检测算法包括白化匹配滤波

48、、迫零和最小均方误差3种。图3.3-1 联合检测技术在td-scdma系统中的应用结构3.4 联合检测在td-scdma系统中的应用3.4.1 信道估计的表达 td-scdma系统采用了多用户的联合信道估计方法，即得到的信道响应矩阵中同时包含了多个用户的信道响应，并且不同用户的信道响应位置按照窗长来进行分割。以单天线、窗长为16为例，图3.4.1-1示出了4个用户在初始2码片时延情况下的联合信道响应。其中，第1个用户占用第116个抽头，第2个用户占用第1732个抽头，第3个用户占用第3348个抽头，第4个用户占用第4964个抽头，其余抽头（即第65128个抽头）为噪声响应。对于每个用户，从其信

49、道响应抽头可以看出可分辨多径的数目和位置。图3.4.1-1 信道响应图（4个用户，初始2码片时延）3.4.2 系统矩阵的表达系统矩阵（用a表示）主要由多用户组合信道响应矩阵（用v表示）在符号域进行扩展而来，其结构见图3.4.2-1所示。其中，n表示1个数据块所包含的符号数，k表示1个时隙占用的码道数，w表示用户信道响应长度，m表示扩频系数。矩阵v中包含了k个码道由发送端的符号到达接收端的码片所经历的组合信道过程。图3.4.2-1 系统矩阵（a）的结构3.4.3 联合检测算法的表达图3.3-1所示的3种联合检测算法用公式表达如下： （3.4.3-1） （3.4.3-2）其中，表示接收的码片级信号

50、，表示检测后得到的多个用户的符号，表示接收端估计的噪声功率，表示单位矩阵。3.4.4 联合检测对链路的性能改善采用联合检测的系统和采用单用户检测的系统相比，前者的系统性能明显改善。以链路仿真结果为例，图3.4.4-13.4.4-2分别示出了单天线、智能天线情况下，最小均方误差联合检测器和白化匹配滤波单用户检测器的性能比较。其中，ch0代表理想信道响应，ch3代表实际信道响应，mf代表白化匹配滤波单用户检测器，mmse代表最小均方误差联合检测器。仿真条件：4个语音用户，3gpp车载环境，单天线和智能天线。仿真结果：未编码误比特率注：横坐标eb/n0*ka的含义表示单天线和智能天线处于相同的eb/

51、n0。图3.4.4-1 单天线，4个语音用户，车载环境，上行mf和mmse的性能比较图3.4.4-2 8天线，4个语音用户，车载环境，上行mf和mmse的性能比较从上面的仿真结果，可以得出如下结论：（1） 无论对于单天线还是智能天线情况，mmse联合检测和mf单用户检测相比，前者的性能明显改善。在单天线情况下，mf单用户检测得到的系统根本不能工作。（2） 实际估计的信道响应（ch3）和理想的信道响应（ch0）相比，性能有一定恶化。3.4.5 联合检测对系统容量的贡献 分别以不采用联合检测、只采用上行联合检测、只采用下行联合检测、上下行均采用联合检测为例，来比较td-scdma系统在不同小区半径

52、的容量。3.4.5.1 仿真条件业务类型：12.2k业务；地理环境：密集市区；载波数： 单载波；天线：等相馈电智能天线；检测：分别仿真了不采用联合检测，只采用上行联合检测，只采用下行联合检测和上下行同时采用联合检测，抗干扰因子，；目标信噪比（sir）：上行目标sir=-1.5db，下行目标sir= -1.6 db；3.4.5.2 仿真结果表3.4.5.2-1 联合检测对小区容量的影响小区半径不采用联合检测只采用下行联合检测采用上下行联合检测只采用上行联合检测10013.736813.736823.473723.473720012.157812.157922.052622.05263001111

53、212140011.421011.421120.526320.52635009.94739.947318.315818.31586009917.263217.26327006.05266.052611.210511.2105800337.315797.315799002.68352.68354.157894.157891000001.210531.21053图图3.4.5.2-1联合检测对小区容量的影响3.4.5.3 对比分析表3.4.5.2-1和图3.4.5.2-1的仿真结果表明，与同时采用上行和下行联合检测相比较而言，如果不采用上行联合检测，而只采用下行联合检测，则系统容量有较大的减少，在100米的小区覆盖半径下，小区容量由平均每个小区23个用户下降到平均每个小区只有14个左右的用户，用户数下降了40%；如果只采用上行联合检测，而不采用下行联合检测，系统容量没有任何变化。通过分别对每个