0 引言
隨著移動(dòng)通信用戶(hù)量的迅速發(fā)展,，以及從窄帶語(yǔ)音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢(shì)，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò)容量成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè),，尤其是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題,。單純地依靠增加基站使用微蜂窩增加頻率的復(fù)用度，無(wú)論從成本和性能表現(xiàn)方面都已經(jīng)不再是最好的選擇方案,。在這種情況下,，智能天線(xiàn)技術(shù)的引入，將通過(guò)增加系統(tǒng)在空間上的分辨能力,，從更高的層次上提高系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率,。
TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)即時(shí)分的同步碼分多址技術(shù)，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，與歐洲的WCDMA標(biāo)準(zhǔn),、美國(guó)的CDMA 2000標(biāo)準(zhǔn)并稱(chēng)為3G時(shí)代主流的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。TD—SCDMA集CDMA,、TDMA,、FDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體，系統(tǒng)容量大,、頻譜利用率高,、抗干擾能力強(qiáng)，智能天線(xiàn)技術(shù)是TD—SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一,，越來(lái)越多的研究者和工程技術(shù)人員將目光投向智能天線(xiàn)技術(shù)和TD—SCDMA的研究,。

1 TD-SCDMA系統(tǒng)
大唐電信集團(tuán)開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)采用時(shí)分雙工TDD，TDMA／CDMA多址方式工作,，基于同步CDMA,、智能天線(xiàn)、多用戶(hù)檢測(cè),、正交可變擴(kuò)頻因數(shù),、Turbo編碼技術(shù)、CDMA等新技術(shù),，工作于2 010～2 025 MHz,。我國(guó)為T(mén)D-SCDMA劃分了155 MHz非對(duì)稱(chēng)頻段，具體為1 880～1 920MHz，2 010～2 025 MHz和2 300～2 400MHz,。
1．1 TD—SCDMA標(biāo)準(zhǔn)概況
多址接入方式：DS-CDMA／CDMA／SDMA,；碼片速率：1．28 MCPS；雙工方式：TDD,；載頻寬度：1．6 MHz,；擴(kuò)頻技術(shù)：OVSF；調(diào)制方式：QPSK,，8PSK,；編碼方式：卷積編碼，Turbo編碼,；功率控制：200次／s,。
TD—SCDMA的主要優(yōu)勢(shì)有：
使用智能天線(xiàn)、多用戶(hù)檢測(cè)等新技術(shù),；可高效率地滿(mǎn)足不對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)需要,；簡(jiǎn)化硬件，可降低產(chǎn)品成本和價(jià)格,；便于利用不對(duì)稱(chēng)的頻譜資源,，頻譜利用率大大提高；可與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容,。
1．2 TD—SCDMA關(guān)鍵技術(shù)
(1)綜合的尋址(多址)方式
TD-SCDMA空中接口采用了四種多址技術(shù)：TDMA,，CDMA,，F(xiàn)DMA,，SDMA(智能天線(xiàn))。綜合利用四種技術(shù)資源分配時(shí)在不同角度上的自由度,，得到可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的最優(yōu)資源分配,。
(2)靈活的上下行時(shí)隙配置
靈活的時(shí)隙上下行配置可以隨時(shí)滿(mǎn)足您打電話(huà)，上網(wǎng)瀏覽,、下載文件,、視頻業(yè)務(wù)等的需求，保證您清晰,、暢通享受3G業(yè)務(wù),。
(3)TD克服呼吸效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)
呼吸效應(yīng)：在CDMA系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)很強(qiáng)時(shí),，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì)縮?。划?dāng)一個(gè)小區(qū)的干擾信號(hào)很弱時(shí),，基站的實(shí)際有效覆蓋面積就會(huì)增大,。簡(jiǎn)言之，呼吸效應(yīng)表現(xiàn)為覆蓋半徑隨用戶(hù)數(shù)目的增加而收縮。形成呼吸效應(yīng)的主要原因是CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng),，用戶(hù)增加導(dǎo)致干擾增加而影響覆蓋,。
對(duì)于TD—SCDMA而言，通過(guò)低帶寬FDMA和TDMA來(lái)抑制系統(tǒng)的主要干擾,，在單時(shí)隙中采用CDMA技術(shù)提高系統(tǒng)容量,，而通過(guò)聯(lián)合檢測(cè)和智能天線(xiàn)技術(shù) (SDMA技術(shù))克服單時(shí)隙中多個(gè)用戶(hù)之間的干擾，因而產(chǎn)生呼吸效應(yīng)的因素顯著降低,，故TD系統(tǒng)不再是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)(自干擾系統(tǒng)),，覆蓋半徑不像 CDMA那樣因用戶(hù)數(shù)的增加而顯著縮小，因而可認(rèn)為T(mén)D系統(tǒng)沒(méi)有呼吸效應(yīng),。
遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于手機(jī)用戶(hù)在一個(gè)小區(qū)內(nèi)是隨機(jī)分布的,，而且是經(jīng)常變化的，同一手機(jī)用戶(hù)可能有時(shí)處在小區(qū)的邊緣,，有時(shí)靠近基站,。如果手機(jī)的發(fā)射功率按照最大通信距離設(shè)計(jì)，則當(dāng)手機(jī)靠近基站時(shí),，功率必定有過(guò)剩,，而且形成有害的電磁輻射。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是根據(jù)通信距離的不同,，實(shí)時(shí)地調(diào)整手機(jī)的發(fā)射功率,，即功率控制。
功率控制的原則是,，當(dāng)信道的傳播條件突然變好時(shí),，功率控制單元應(yīng)在幾微妙內(nèi)快速響應(yīng)，以防止信號(hào)突然增強(qiáng)而對(duì)其他用戶(hù)產(chǎn)生附加干擾,；相反當(dāng)傳播條件突然變壞時(shí),，功率調(diào)整的速度可以相對(duì)慢一些。也就是說(shuō),，寧愿單個(gè)用戶(hù)的信號(hào)質(zhì)量短時(shí)間惡化,，也要防止對(duì)其他眾多用戶(hù)產(chǎn)生較大的背景干擾。
(4)動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)
動(dòng)態(tài)信道分配(Dynamic Channel Allocation,，DCA)就是根據(jù)用戶(hù)的需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的資源(頻率,、時(shí)隙、碼字等)分配,。動(dòng)態(tài)信道分配的優(yōu)點(diǎn)：頻帶利用率高,、無(wú)需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的信道預(yù)規(guī)劃、可以自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載和干擾的變化等,。
(5)智能天線(xiàn)技術(shù)
智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對(duì)稱(chēng)性(無(wú)線(xiàn)環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的,。此外,，智能天線(xiàn)可減少小區(qū)間干擾也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率,。

2 智能天線(xiàn)技術(shù)
智能天線(xiàn)又稱(chēng)為自適應(yīng)天線(xiàn)陣列,，技術(shù)核心是陣列信號(hào)處理。早期應(yīng)甩集中于雷達(dá)和聲納檢測(cè)領(lǐng)域,，主要用來(lái)完成空間濾波和定位,。20世紀(jì)70年代后期被引入軍事通信，智能天線(xiàn)真正的發(fā)展是90年代被應(yīng)用于民用蜂窩通信,，成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),。固定的天線(xiàn)陣列與數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)合，就構(gòu)成了可以動(dòng)態(tài)配置天線(xiàn)特性的智能天線(xiàn),，所以到90年代中期,，在美國(guó)和中國(guó)開(kāi)始考慮將智能天線(xiàn)技術(shù)使用于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。在1997年,，北京信威通信技術(shù)公司成功開(kāi)發(fā)使用智能天線(xiàn)技術(shù)的SCDMA無(wú)線(xiàn)用戶(hù)環(huán)路系統(tǒng),，美國(guó)Redcom公司則在時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線(xiàn)。以上是最先商用化的智能天線(xiàn)系統(tǒng),，同時(shí),，在國(guó)內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)內(nèi)也廣泛研究了多種智能天線(xiàn)的波束形成算法和實(shí)現(xiàn)方案。
2．1 智能天線(xiàn)在TD-SCDMA中的應(yīng)用
智能天線(xiàn)可以用于基站端,，也可用于移動(dòng)終端,。目前主要研究的是在基站端的智能無(wú)線(xiàn)收與發(fā)，即上行收與下行發(fā),，如圖1所示,。

TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線(xiàn)是由8個(gè)天線(xiàn)單元的同心陣列組成的，直徑為25 cm,。同全方向天線(xiàn)相比,，它可獲得較高的增益,。TD-SCDMA智能天線(xiàn)的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑的對(duì)稱(chēng)性而獲得的,。此外，智能天線(xiàn)可減少小區(qū)間干擾,，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾,。智能天線(xiàn)的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率。
由于每個(gè)用戶(hù)在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的,。這一方面要求天線(xiàn)具有多向性,，另一方面則要求在每一獨(dú)立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個(gè)別的用戶(hù),。通過(guò)DSP控制用戶(hù)的方向測(cè)量使上述要求可以實(shí)現(xiàn),。每用戶(hù)的跟蹤通過(guò)到達(dá)角進(jìn)行測(cè)量。在TD—SCDMA系統(tǒng)中，由于無(wú)線(xiàn)子幀的長(zhǎng)度是5 ms,，則至少每秒可測(cè)量200次,，每用戶(hù)的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過(guò)智能天線(xiàn)的方向性和跟蹤性,，可獲得其最佳的性能,。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與自適應(yīng)算法,，使智能天線(xiàn)動(dòng)態(tài)地在覆蓋空間中形成針對(duì)特定用戶(hù)的定向波束,，充分利用下行信號(hào)能量并最大程度的抑制干擾信號(hào)?；就ㄟ^(guò)智能天線(xiàn)可在整個(gè)小區(qū)內(nèi)跟蹤終端的移動(dòng),，這樣終端得到的信噪比得到了極大的改善，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量,。
WCDMA和CDMA 2000都允許在上行和下行鏈路為每個(gè)移動(dòng)用戶(hù)分配專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)頻信道,，但是要求使用智能天線(xiàn)系統(tǒng)。對(duì)于WCDMA和CDMA 2000系統(tǒng)而言,，智能天線(xiàn)雖然是推薦配置,，但是當(dāng)今的一些WCDMA和CDMA 2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始支持智能天線(xiàn)了。
2．2 TD—SCDMA中智能天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
智能天線(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位來(lái)改變陣列的方向圖形狀,，即自適應(yīng)或以預(yù)置方式控制波束幅度,、指向和零點(diǎn)位置，使波束總是指向期望方向,，而零點(diǎn)指向干擾方向,，實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶(hù)走，從而提高天線(xiàn)的增益和信干噪比,。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

由圖可見(jiàn)，智能天線(xiàn)系統(tǒng)由3部分組成：天線(xiàn)陣列,、波束形成網(wǎng)絡(luò),、控制算法。天線(xiàn)以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號(hào),，來(lái)自窄波束以外的信號(hào)被抑制,。但智能天線(xiàn)的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶(hù)的物理方向，事實(shí)上,，在隨機(jī)多徑信道上移動(dòng)用戶(hù)的物理方向是難以確定的,，特別是在發(fā)射臺(tái)至接收機(jī)的直射路徑上存在阻擋物時(shí)，用戶(hù)的物理方向并不一定是理想的波束方向,。
智能天線(xiàn)波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束,，并跟蹤最佳路徑的變化,。理想前景是空分多址(SDMA)，它不是信道復(fù)用的概念,，而是一種信道倍增方式,，可與FDMA，TDMA,，CDMA等系統(tǒng)完全兼容,，從而實(shí)現(xiàn)組合的多址方式。智能天線(xiàn)關(guān)鍵是自適應(yīng)波束形成算法,，常用的波束形成算法主要有兩種：非盲波束形成算法和盲波束形成算法,。智能天線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)如下：提高頻譜利用率；抗衰落,；改善鏈路質(zhì)量,，增加可靠性；減小多徑效應(yīng),；降低功率,，減小成本；提高通信的安全性,；實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位業(yè)務(wù),。

3 結(jié)語(yǔ)
美國(guó)、歐洲和日本非常重視未來(lái)移動(dòng)通信中智能天線(xiàn)的作用,，已經(jīng)開(kāi)展大量的理論分析和研究,。我國(guó)也已經(jīng)將研究智能天線(xiàn)技術(shù)列入國(guó)家863—317通信技術(shù)主題研究中。在ITU認(rèn)定的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向中,，包含了智能天線(xiàn)和TDD時(shí)分雙工技術(shù),，認(rèn)為這兩種技術(shù)都是以后技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，而智能天線(xiàn)和TDD時(shí)分雙工這兩項(xiàng)技術(shù),，在目前的TD—SCDMA標(biāo)準(zhǔn)體系中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)和應(yīng)用,，從這一點(diǎn)中，也能夠看到TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前途,。2