智能天線和空間分集接收技術(shù)

直接序列碼分多址技術(shù)日益成為現(xiàn)代移動通信的主要接入方式，但是它的系統(tǒng)性能受限于無線信道的多徑衰落、多址干擾（ＭＡＩ）和符號間干擾（ＩＳＩ），如何消除這些影響是提高無線通信系統(tǒng)性能的主要課題。

空時處理技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點之一，在空間域和時間域聯(lián)合處理接收信號可以充分利用空間信號處理技術(shù)和時間信號處理技術(shù)的優(yōu)勢，有效抵抗ＩＳＩ、減少ＭＡＩ、增加分集增益以及提高陣增益，達到的效果是單個天線的單時間處理方法無法實現(xiàn)的。

眾所周知，均衡技術(shù)和ＲＡＫＥ接收技術(shù)可以在時間域抑制信道衰落和抵抗ＩＳＩ。均衡技術(shù)是對信道傳播特性的均衡，用于抵消無線信道的時變多徑傳播特性造成的ＩＳＩ，適合多徑信號不可分離的情況。如果接收的多徑信號可以分離，則可以利用ＲＡＫＥ分集接收技術(shù)將分離的多徑信號合并起來，增加分集增益。所以空時處理技術(shù)的區(qū)別主要在于空間信號處理技術(shù)。當(dāng)前，描述空間處理技術(shù)的術(shù)語有智能天線、自適應(yīng)天線、切換波束天線和空間分集接收技術(shù)等。

本文中的智能天線技術(shù)定義為：具有波束成形能力的天線陣列，可以形成特定的天線波束，實現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線可以利用信號的空間特征分開用戶信號、ＭＡＩ以及多徑干擾信號。智能天線包括自適應(yīng)天線和切換波束天線：自適應(yīng)天線陣自適應(yīng)地識別用戶信號的到達方向，通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整自身的方向圖；而切換波束天線則是預(yù)先確定多個固定波束，隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇相應(yīng)的使接收信號最強的波束。空間分集接收則是利用分集合并技術(shù)在空間合并多個不相關(guān)的接收信號，可以有效對抗信號的空間選擇性衰落和改善系統(tǒng)性能。

智能天線和空間分集接收技術(shù)本質(zhì)上是不同的，但是迄今為止卻沒有文獻對這２種技術(shù)詳細地進行過比較，甚至有文獻說術(shù)語“優(yōu)化合并”和“自適應(yīng)波束形成”是可以互換的。所以這２種技術(shù)到底有何區(qū)別，以及如何根據(jù)通信環(huán)境選擇不同的空時處理技術(shù)一直困擾著人們。

本文在這方面做了一些工作，具體分析了空間分集接收技術(shù)和智能天線（主要是自適應(yīng)天線陣）的工作原理、兩者的區(qū)別以及適用場合。作者首先研究了移動臺和基站之間的無線傳播特性、空時信道模型以及不同環(huán)境的多徑特性，提出了ＣＤＭＡ通信系統(tǒng)存在的主要問題，在此基礎(chǔ)上分析對比了這２種空間處理技術(shù)解決問題的依據(jù)和區(qū)別，以及每種技術(shù)的適用場合。由于在移動臺放置多個天線不太實際，所以本文主要從基站角度出發(fā)分析上行鏈路的空時處理技術(shù)。

一、問題的提出

１．無線信道傳播特性

移動通信環(huán)境下的電波傳播具有自由空間傳播損耗、陰影衰落以及多徑衰落等特點，其中多徑衰落對無線信道上傳輸?shù)男盘栍泻車乐氐挠绊?，電波的反射、散射和衍射使接收信號產(chǎn)生了時延擴展、頻率（Ｄｏｐｐｌｅｒ）擴展和角度擴展。

（１）時延擴展

假設(shè)發(fā)射信號是一個時間寬度極窄的脈沖信號，經(jīng)過多徑信道后，由于各信道時延的不同，接收到的信號為一串脈沖，因此接收信號的波形比原脈沖展寬了，造成了ＩＳＩ。

（２）頻率擴展

由于移動用戶與基站的相對運動，每條多徑都會有一個明顯的頻率移動，引起時間選擇性衰落，即信號幅度隨著時間變化。

（３）角度擴展

角度擴展是多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬，產(chǎn)生了空間選擇性衰落，即信號幅值與天線的位置有關(guān)。

２．多址干擾

同時，在ＣＤＭＡ無線通信系統(tǒng)中，所有小區(qū)的用戶使用相同的時隙和頻帶，且用戶接入到基站的上行鏈路通常是異步的，即每個用戶碼字的到達時間都不相同。由于非正交的發(fā)送碼字以及多徑效應(yīng)的影響，接收機收到很多其他用戶的多址干擾信號，嚴重情況下會造成“遠近效應(yīng)”，使ＣＤＭＡ系統(tǒng)的容量受到限制或無法正常工作。

因此，由時延擴展引起的ＩＳＩ、角度擴展帶來的空間深衰落以及來自同小區(qū)和鄰近小區(qū)的ＭＡＩ是影響ＣＤＭＡ系統(tǒng)性能的極為重要的幾個問題。基于智能天線和空間分集接收技術(shù)的空時處理技術(shù)可用于減少ＩＳＩ、ＭＡＩ和抵抗空間選擇性衰落，這２種技術(shù)的區(qū)別也體現(xiàn)在它們是如何克服這些干擾的。

３．空時信道模型

經(jīng)典的信道模型只考慮了接收信號的功率和多普勒頻譜分布，并假設(shè)信號到達方向（ＤＯＡ）服從大于０，且小于或等于２π的均勻分布，這種信道模型并不能反映信號在無線信道中傳輸?shù)慕嵌葦U展特性。

但是智能天線和空間分集接收技術(shù)的實現(xiàn)方式完全依賴于天線接收信號之間的相關(guān)性，所以要具體分析信號通過無線通信信道傳輸后的空間特性是如何影響天線陣系統(tǒng)的性能的，就必須建立空時信道模型。圓盤散射模型（ＣＤＳＭ）說明了不同空間點上接收信號包絡(luò)的相關(guān)性與信號的空間特征有關(guān)。

４．不同環(huán)境的信道特性

信號在不同環(huán)境（鄉(xiāng)村和郊區(qū)、城市、購物中心或室內(nèi)環(huán)境等）中的時延擴展、頻率擴展和角度擴展都不相同，而接收信號的空間相關(guān)性是由到達接收機天線陣的信號的角度擴展決定的，所以可針對不同環(huán)境設(shè)計基于智能天線和空間分集接收技術(shù)的空時處理接收機。

（１）鄉(xiāng)村和郊區(qū)

基站天線通常位于非常高的塔或山頂，高于一般建筑物或其他結(jié)構(gòu)，可以提供視距傳輸。發(fā)射信號主要經(jīng)移動臺附近的物體和遠端散射體散射或反射之后到達基站。在這種環(huán)境中，有一定的時延擴展，并且基站處的多徑分量限制在一個很小的角度區(qū)域內(nèi)。

（２）城市

在密集的城市地區(qū)，無論是基站附近，還是移動臺周圍都會有很多建筑物或障礙物，通常不存在視距傳輸。發(fā)射信號通過多條路徑到達接收機，時延擴展和角度擴展都很嚴重。

（３）購物中心或室內(nèi)環(huán)境

基站天線一般設(shè)在建筑物內(nèi)，由于室內(nèi)有很多物體，所以基站接收的信號同時受到基站和移動臺附近物體的散射作用，接收信號的角度擴展很嚴重，但是沒有明顯的時延擴展。

二、智能天線和空間分集接收技術(shù)

根據(jù)以上的分析，本文從７個方面對智能天線和空間分集接收技術(shù)進行了比較。

１．基本原理

智能天線利用到達天線陣的信號之間的完全相關(guān)性形成天線方向圖。根據(jù)基站接收信號的ＤＯＡ密度，實時調(diào)整天線的方向圖，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號的到達方向，旁瓣和零陷對準(zhǔn)干擾信號的到達方向。由于多徑結(jié)構(gòu)以及移動用戶所處的物理環(huán)境等因素的差別，理想信號和干擾信號的ＤＯＡ通常都是不同的，智能天線就是利用這種空間相位特性分離頻率相近但ＤＯＡ不同的信號。

２．陣列結(jié)構(gòu)

智能天線通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線的方向圖，陣元間距一般?。?/font>２波長，因為陣元間距過大會減小接收信號彼此的相關(guān)程度，太小則會在方向圖上形成不必要的旁瓣。

在空間分集接收系統(tǒng)中，天線單元之間的間隔必須為多個波長，以確保到達天線陣各個單元的信號是互不相關(guān)的。

３．抑制干擾的方式

智能天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向，提供不同的空間信道。在有限的方向區(qū)域內(nèi)接收信號，可以有效地減少接收到的ＭＡＩ以及理想用戶和其他用戶的多徑信號數(shù)量，本質(zhì)上增加了接收機的輸入信干噪比（ＳＩＮＲ），從而提高了系統(tǒng)容量和接收質(zhì)量。
分集接收技術(shù)并不能象智能天線一樣明顯地減少ＭＡＩ的數(shù)目，它只是在空間上合并多個不相關(guān)的信號副本，利用各種合并準(zhǔn)則確定加權(quán)系數(shù)，使接收端的ＳＩＮＲ最大或均方誤差最小，從總體上抑制ＭＡＩ和ＩＳＩ。

４．抑制干擾的數(shù)目

在智能天線系統(tǒng)中，Ｍ個天線能夠形成（Ｍ－１）個零陷，最多可以消除（Ｍ－１）個干擾信號。并且當(dāng)干擾數(shù)目遠遠超過天線數(shù)目時，天線陣無法有效形成波束對準(zhǔn)有用信號。

天線接收分集則是通過分集合并技術(shù)從總體上抑制多徑干擾和ＭＡＩ，使系統(tǒng)的輸出ＳＩＮＲ最大。所以當(dāng)干擾數(shù)目遠大于天線數(shù)目時，也可以達到較好效果。

５．ＤＯＡ信息

在空間分集接收系統(tǒng)中，由于不需要形成方向圖對準(zhǔn)有用信號，所以不需要ＤＯＡ信息。但是，到達天線陣的信號的ＤＯＡ信息在智能天線技術(shù)中卻非常重要。因此，ＤＯＡ估計是非常關(guān)鍵的技術(shù)問題。

６．主要缺點

在密集的市區(qū)內(nèi)，存在大量的多徑傳輸，此時的天線陣會在不同方向接收到來自同一用戶的相干信號，ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法無法分辨接收信號的到達方向。所以采用ＭＵＳＩＣ和ＥＳＰＲＩＴ算法估計ＤＯＡ的智能天線系統(tǒng)不能用于多徑豐富的場合。
而分集接收其實是一種單用戶的接收技術(shù)，通過增加空間和時間分集階數(shù)來提高分集增益。但是當(dāng)功率控制誤差較大時，很可能接收機接收的是干擾信號，而不是有用信號，從而造成嚴重的“遠近效應(yīng)”。

７．適用場合

不同空間點上接收的信號包絡(luò)的相關(guān)性將決定使用的空時處理技術(shù)。通常，大的角度擴展和增加天線陣的單元間隔會使天線接收到的信號之間的相關(guān)性降低，此時宜采用天線陣的空間分集接收技術(shù)；當(dāng)角度擴展小、且用戶數(shù)較少時宜采用智能天線技術(shù)。
在平坦的效區(qū)和鄉(xiāng)村環(huán)境，多徑分量少，而且干擾用戶也不多，所以天線陣單元接收信號的相關(guān)性較強，此時可以利用智能天線技術(shù)形成主瓣對準(zhǔn)用戶，在干擾方向上形成零陷。而分集接收技術(shù)更適合多徑豐富的城市、購物中心或室內(nèi)環(huán)境。