-的相关技术

对于数字移动通信而言，双向通信可以以频率或时间分开，前者称为FDD（频分双工），后者称为TDD（时分双工）。对于FDD，上下行用不同的频带，一般上下行的带宽是一致的；而对于TDD，上下行用相同的频带，在一个频带内上下行占用的时间可根据需要进行调节，并且一般将上下行占用的时间按固定的间隔分为若干个时间段，称之为时隙。TD-SCDMA系统采用的双工方式是TDD。TDD技术相对于FDD方式来说，有如下优点：

（1）易于使用非对称频段，无须具有特定双工间隔的成对频段。

TDD技术不需要成对的频谱，可以利用FDD无法利用的不对称频谱，结合TD-SCDMA低码片速率的特点，在频谱利用上可以做到“见缝插针”。只要有一个载波的频段就可以使用，从而能够灵活地利用现有的频率资源。目前移动通信系统面临的一个重大问题就是频谱资源的极度紧张，在这种条件下，要找到符合要求的对称频段非常困难，因此TDD模式在频率资源紧张的今天受到特别的重视。

（2）适应用户业务需求，灵活配置时隙，优化频谱效率。

TDD技术通过调整上下行切换点来自适应调整系统资源，从而增加系统下行容量，使系统更适于开展不对称业务。

（3）上行和下行使用同个载频，故无线传播是对称的，有利于智能天线技术的实现。

时分双工TDD技术是指上下行在相同的频带内传输，也就是说具有上下行信道的互易性，即上下行信道的传播特性一致。因此可以利用通过上行信道估计的信道参数，使智能天线技术、联合检测技术更容易实现。通过上行信道估计参数用于下行波束赋形，有利于智能天线技术的实现。通过信道估计得出系统矩阵A，用于联合检测区分不同用户的干扰。

（4）无须笨重的射频双工器，基站小巧，降低成本。

由于TDD技术上下行的频带相同，无须进行收发隔离，可以使用单片IC实现收发信机，降低了系统成本。

1. 智能天线的作用

智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。

智能天线技术的核心是自适应天线波束赋形技术。自适应天线波束赋形技术在20世纪60年代开始发展，其研究对象是雷达天线阵，为提高雷达的性能和电子对抗的能力，90年代中期，各国开始考虑将智能天线技术应用于无线通信系统。美国Arraycom公司在时分多址的PHS系统中实现了智能天线；1997年，由我国信息产业部电信科学技术研究院控股的北京信威通信技术公司开发成功了使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统。另外，在国内外也开始有众多大学和研究机构广泛地开展对智能天线的波束赋形算法和实现方案的研究。1998年我国向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。

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，为使接收到的有用信号不至于低于门限值，可能增加移动台的发射功率，或者增加基站天线的接收增益。由于移动台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。

在移动通信发展的中晚期，为增加容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数来提高频率利用率，通常采用的是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，利用智能天线可在很大程度上抑制CCI和MAI干扰。

2. 智能天线的原理

智能天线技术的原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图。如果使用数字信号处理方法在基带进行处理，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，就能达到提高信号的载干比，降低发射功率，提高系统覆盖范围的目的。

设以M元直线等距天线阵列（第m个阵元）为例：

如图7-7-1所示，则空域上入射波距离相差为：d=m·x·cosθ。

图7-7-1　智能天线阵元波束接收示意图

时域上入射波相位差为：（2/λ）·d。

可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上接收信号相位的不同。经过加权后阵列输出端的信号为：

其中，A为增益常数；s（t）是复包络信号；wm是阵列的权因子。

根据正弦波的叠加效果，假设第m个阵元的加权因子为：

结论：选择不同的φ0，将改变波束所对的角度，所以可以通过改变权值来选择合适的方向。针对不同的阵元赋予不同权值，最后将所有阵元的信号进行同向合并，达到使天线辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向的目的。

这里涉及上行波束赋形（接收）和下行波束赋形（发射）两个概念。

上行波束赋形：借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异（DOA估计），选择恰当的合并权值（赋形权值计算），形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

下行波束赋形：在TDD方式的系统中，由于其上下行电波传播条件相同，则可以直接将此上行波束赋形用于下行波束赋形，形成正确的天线发射模式，即将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

3. 智能天线的分类

智能天线的天线阵是一列取向相同、同极化、低增益的天线，天线阵按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图。天线阵的排列方式包括等距直线排列、等距圆周排列、等距平面排列。智能天线的分类有线阵、圆阵；全向阵、定向阵。

4. 天馈系统实物图

（1）线阵，如图7-7-2所示。

图7-7-2　线阵

（2）圆阵，如图7-7-3所示。

图7-7-3　圆阵

5. 智能天线实现示意图

智能天线实现示意图，如图7-7-4所示。

图7-7-4　智能天线实现示意图

智能天线系统主要包含如下部分：智能天线阵列（圆阵，线阵）、多RF通道收发信机子系统（每根天线对应一个RF通道）、基带智能天线算法（基带实现，各用户单独赋形）。对于采用智能天线的TD-SCDMA系统，Node B端的处理分为上行链路和下行链路处理。上行链路处理主要包括如下部分：

（1）各个天线的射频（RF）单元对接收的信号进行下变频以及A/D转换，形成接收到的天线阵列基带信号。

（2）根据用户训练序列的循环偏移的形成特性，采用算法对各个天线上接收到的训练序列进行快速信道估计，得到各个用户的信道冲激响应。

（3）对于信道估计的结果，一方面用于形成联合检测的系统矩阵；另一方面用于用户的DOA估计，为下行链路的波束赋行选择方向。

（4）根据用户到各天线的信道冲激响应以及用户分配的码信息形成的系统矩阵进行联合检测，同时获取多用户的解扰和解扩，以及解调后的比特信息，然后经过译码，就可以得到用户的发送数据。

下行链路处理主要包括如下部分：

（1）首先对用户的下行链路的发送数据进行编码调制，然后根据用户分配的码信息和小区信息进行扩频加扰，形成用户的发送码片信息。

（2）然后根据上行链路中确定的用户DOA，选择下行波束赋形的权值，对用户进行下行波束赋形，以便形成用户的发射波束，达到空分的目的，并最终生成用户待发送的各个天线上的基带信号。

（3）对基带信号进行D/A转换和上变频操作，最终由天线单元发送出去。

6. 智能天线的优势

（1）提高了基站接收机的灵敏度。

基站所接收到的信号为来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。如采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的接收信号将增加10lgN（dB），其中，N为天线单元的数量。存在多径时，此接收灵敏度的改善将随多径传播条件及上行波束赋形算法而变，其结果也在10lgN（dB）上下。

（2）提高了基站发射机的等效发射功率。

同样，发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加20lgN（dB）。其中，10lgN（dB）是N个发射机的效果，与波束成形算法无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。

（3）降低了系统的干扰。

基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。如果使用最大功率合成算法，则可能将干扰降低10lgN（dB）。

（4）增加了CDMA系统的容量。

CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。降低干扰对CDMA系统极为重要，它可大大增加系统的容量。在CDMA系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性。

（5）改进了小区的覆盖。

对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。当然，天线的辐射方向图形可能是根据需要而设计的。但在现场安装后除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。但智能天线的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化。

（6）降低了无线基站的成本。

在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的部分是高功率放大器（HPA）。特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部分的成本。智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可能降低20lgN（dB）。这样，在智能天线系统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。

1. 联合检测的介绍

联合检测技术是多用户检测（Multi-user Detection）技术的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测和多用户检测技术两种。

CDMA系统中的主要干扰是同频干扰，它可以分为两部分，一种是小区内部干扰（Intracell Interference），指的是同小区内部其他用户信号造成的干扰，又称多址干扰（Multiple Access Interference，MAI）；另一种是小区间干扰（Intercell Interference），指的是其他同频小区信号造成的干扰，这部分干扰可以通过合理的小区配置来减小其影响。

传统的CDMA系统信号分离方法是把多址干扰（MAI）看作热噪声一样的干扰，当用户数量上升时，其他用户的干扰也会随着加重，导致检测到的信号刚刚大于MAI，使信噪比恶化，系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测（Single-user Detection）。

为了进一步提高CDMA系统容量，人们探索将其他用户的信息联合起来加以利用，也就是多个用户同时检测的技术，即多用户检测。多用户检测是利用MAI中包含的许多先验信息，如确知的用户信道码，各用户的信道估计等将所有用户信号统一分离的方法。

2. 联合检测的作用

联合检测用的作用包括：

• 降低干扰（MAI＆ISI）。

• 提高系统容量。

• 降低功控要求。

3. 联合检测回顾

单独采用联合检测会遇到以下问题：

（1）对小区间的干扰没有办法解决。

（2）信道估计的不准确性将影响到干扰消除的效果。

（3）当用户增多或信道增多时，算法的计算量会非常大，难于实时实现。

单独采用智能天线也存在下列问题：

（1）组成智能天线的阵元数有限，所形成的指向用户的波束有一定的宽度（副瓣），对其他用户而言仍然是干扰。

（2）在TDD模式下，上、下行波束赋形采用同样的空间参数，由于用户的移动，其传播环境是随机变化的，这样波束赋形有偏差，特别是用户高速移动时更为显著。

（3）当用户都在同一方向时，智能天线作用有限。

（4）对时延超过一个码片宽度的多径造成的ISI没有简单有效的办法。

这样，无论是智能天线还是联合检测技术，单独使用它们都难以满足第三代移动通信系统的要求，必须扬长避短，将这两种技术结合使用。

智能天线和联合检测两种技术相结合，不等于将两者简单地相加。TD-SCDMA系统中智能天线技术和联合检测技术相结合的方法使得在计算量未大幅增加的情况下，上行能获得分集接收的好处，下行能实现波束赋形。图7-7-5说明了TD-SCDMA系统智能天线和联合检测技术相结合的方法。

图7-7-5　智能天线和联合检测技术结合流程示意图

（1）智能天线的主要作用：

①降低多址干扰，提高CDMA系统容量。

②增加接收灵敏度和发射EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）。

（2）智能天线所不能解决的问题：

①时延超过码片宽度的多径干扰。

②多普勒效益（高速移动）。

（3）联合检测的主要作用：

①基于训练序列的信道估值。

②同时处理多码道的干扰抵消。

（4）联合检测的优点：降低干扰，扩大容量，降低功控要求，削弱远近效应。

（5）联合检测的缺点：大大增加系统复杂度、增加系统处理时延、需要消耗一定的资源。

1. 动态信道分配的方法

在无线通信系统中，为了将给定的无线频谱分割成一组彼此分开或者互不干扰的无线信道，使用诸如频分、时分、码分、空分等技术。对于无线通信系统来说，系统的资源包括频率、时隙、码道和空间方向四个方面，一条物理信道由频率、时隙、码道的组合来标志。无线信道数量有限，是极为珍贵的资源，要提高系统的容量，就要对信道资源进行合理的分配，由此产生了信道分配技术。如何有效地利用有限的信道资源，为尽可能多的用户提供满意的服务是信道分配技术的目的。信道分配技术通过寻找最优的信道资源配置，来提高资源利用率，从而提高系统容量。

TD-SCDMA系统中动态信道分配（DCA）的方法有如下几种：

1）时域动态信道分配

因为TD-SCDMA系统采用了TDMA技术，在一个TD-SCDMA载频上，使用7个常规时隙，减少了每个时隙中同时处于激活状态的用户数量。每载频多时隙，可以将受干扰最小的时隙动态分配给处于激活状态的用户。

2）频域动态信道分配

频域动态信道分配中每一小区使用多个无线信道（频道）。在给定频谱范围内，与5 MHz的带宽相比，TD-SCDMA的1.6 MHz带宽使其具有3倍以上的无线信道数（频道数），可以把激活用户分配在不同的载波上，从而减小小区内用户之间的干扰。

3）空域动态信道分配

因为TD-SCDMA系统采用智能天线的技术，可以通过用户定位、波束赋形来减小小区内用户之间的干扰、增加系统容量。

4）码域动态信道分配

在同一个时隙中，通过改变分配的码道来避免偶然出现的码道质量恶化。

2. 动态信道分配的分类

1）慢速动态信道分配

慢速动态信道分配主要解决两个问题：一是由于每个小区的业务量情况不同，所以不同的小区对上下行链路资源的需求不同；二是为了满足不对称数据业务的需求，不同的小区上下行时隙的划分是不一样的，相邻小区间由于上下行时隙划分不一致时会带来交叉时隙干扰。所以慢速动态信道分配主要有两个方面：一是将资源分配到小区，根据每个小区的业务量情况，分配和调整上下行链路的资源；二是测量网络端和用户端的干扰，并根据本地干扰情况为信道分配优先级，解决相邻小区间由于上下行时隙划分不一致所带来的交叉时隙干扰。具体的方法是可以在小区边界根据用户实测上下行干扰情况，决定该用户在该时隙进行哪个方向上的通信比较合适。

2）快速动态信道分配

快速动态信道分配主要解决以下问题：不同的业务对传输质量和上下行资源的要求不同，如何选择最优的时隙、码道资源分配给不同的业务，从而达到系统性能要求，并且尽可能地进行快速处理。快速动态信道分配包括信道分配和信道调整两个过程。信道分配是根据其需要资源单元的多少为承载业务分配一条或多条物理信道。信道调整（信道重分配）可以通过RNC对小区负荷情况、终端移动情况和信道质量的监测结果，动态地对资源单元（主要是时隙和码道）进行调配和切换。

3. 动态信道分配的优势

（1）能够较好地避免干扰，使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。

（2）适应3G业务的需要，尤其是高速率的上下行不对称的数据业务和多媒体业务。

4. 动态信道分配对TD-SCDMA的重要性

（1）有利于UL/DL转换点的动态调整。

（2）部分克服TDD系统特有的上/下行干扰问题。

（3）UL/DL的干扰受限条件需要根据链路负荷情况动态调整。

（4）通过小区内或波束间的信道切换，可以减小CDMA系统软容量的影响。

（5）动态信道分配可以提供组合信道方式。满足所需业务质量要求，具有优化多个时隙多个码道的组合能力。

（6）动态信道分配能尽量把相同方向上的用户分散到不同时隙中，把同一时隙内的用户分布在不同的方向上，充分发挥智能天线的空分功效，使多址干扰降至最小。

（7）可以克服因为不同小区间UL/DL切换点的不同而导致小区边缘移动终端间的信号阻塞问题。

（8）动态信道分配可以根据时隙内用户的位置（DOA）为新用户分配时隙，使用户波束内的多址干扰尽量小。

（9）快速动态信道分配中信道调整可以克服同码道干扰问题。

5. TD-SCDMA对动态信道分配的考虑

（1）为了组网规范，频率分配仍然采用FCA方式。

（2）时隙必须先于码道分配，在码道分配时，同一时隙内最好采用相同扩频因子。

（3）根据DOA信息，尽量把相同方向上的用户分散到不同时隙中。

（4）在CAC（接纳控制）时，首先搜索已接入用户数小于系统可形成波束数的时隙，然后针对该接入用户进行波束赋形，使波束的最大功率点指向该用户。

（5）系统测量最好以5 ms子帧为周期进行。

（6）在智能天线波束成形效果足够好的情况下，可以为不同方向上的用户分配相同的频率、时隙、扩频码，将使系统容量成倍地增长。

1. 切换方式

在现代无线通信系统中，为了在有限的频率范围内为尽可能多的用户终端提供服务，将系统服务的地区划分为多个小区或扇区，在不同的小区或扇区内放置一个或多个无线基站，各个基站使用不同或相同的载频或码，这样在小区之间或扇区之间进行频率和码的复用可以达到增加系统容量和频谱利用率的目的。工作在移动通信系统中的用户终端经常要在使用过程中不停地移动，当从一个小区或扇区的覆盖区域移动到另一个小区或扇区的覆盖区域时，要求用户终端的通信不能中断，这个过程称为越区切换。注意：这里的通信不中断可以理解为可能丢失部分信息但不致影响通信。越区切换有三种方式：硬切换、软切换和接力切换。

硬切换：在早期的频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）移动通信系统中采用这种越区切换方法。当用户终端从一个小区或扇区切换到另一个小区或扇区时，先中断与原基站的通信，然后再改变载波频率与新的基站建立通信。硬切换技术在其切换过程中有可能丢失信息。硬切换流程如图7-7-6所示。

图7-7-6　硬切换流程

软切换：在美国Qualcomm公司于20世纪90年代发明的码分多址（CDMA）移动通信系统中采用软切换越区切换方法。当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个具有相同载频的小区或扇区时，在保持与原基站通信的同时，和新基站也建立起通信连接，与两个基站之间传输相同的信息，完成切换之后才中断与原基站的通信。软切换流程如图7-7-7所示。优点：软切换过程不丢失信息，不中断通信，还可增加系统容量。缺点：软切换的基础是宏分集，但在IS-95中宏分集占用了50％的下行容量，因此软切换实现所增加的系统容量被它本身所占用的系统容量所抵消。

图7-7-7　软切换流程

2. 接力切换过程

接力切换是一种应用于同步码分多址（SCDMA）通信系统中的切换方法。该接力切换方式不仅具有上述“软切换”功能，而且可以在使用不同载波频率的SCDMA基站之间，甚至在SCDMA系统与其他移动通信系统，如GSM或IS-95 CDMA系统的基站之间实现不丢失信息、不中断通信的理想的越区切换。接力切换适用于同步CDMA移动通信系统，是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。

设计思想：当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个小区或扇区时，利用智能天线和上行同步等技术对UE的距离和方位进行定位，根据UE方位和距离信息作为切换的辅助信息，如果UE进入切换区，则RNC通知另一基站做好切换的准备，从而达到快速、可靠和高效切换的目的。这个过程就像田径比赛中的接力赛跑传递接力棒一样，因而我们形象地称之为接力切换。优点：将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率综合到接力切换中，使用该方法可以在使用不同载频的SCDMA基站之间，甚至在SCDMA系统与其他移动通信系统如GSM、IS-95的基站之间实现不中断通信、不丢失信息的越区切换。

SCDMA通信系统中的接力切换基本过程如图7-7-8所示，可描述如下：

图7-7-8　接力切换示意图

（1）MS和BS0通信。

（2）BS0通知邻近基站，并提供用户位置信息（基站类型、工作载频、定时偏差、忙闲等）。

（3）BS或MS发起切换请求。

（4）切换准备（MS搜索基站，建立同步）。

（5）系统决定切换执行。

（6）MS同时接收来自两个基站的相同信号。

（7）完成切换。

接力切换流程如图7-7-9所示。

图7-7-9　接力切换流程

基站的接力切换过程如图7-7-10所示。

3. 接力切换的优点

与通常的硬切换相比，接力切换除了要进行硬切换所进行的测量外，还要对符合切换条件的相邻小区的同步时间参数进行测量、计算和保持。接力切换使用上行预同步技术，在切换过程中，UE从源小区接收下行数据，向目标小区发送上行数据，即上下行通信链路先后转移到目标小区。上行预同步的技术在移动台与原小区通信保持不变的情况下与目标小区建立起开环同步关系，提前获取切换后的上行信道发送时间，从而达到减少切换时间，提高切换成功率、降低切换掉话率的目的。接力切换是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法。

与软切换相比，都具有较高的切换成功率、较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。不同之处在于接力切换不需要同时有多个基站为一个移动台提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源多、信令复杂、增加下行链路干扰等缺点。

与硬切换相比，两者具有较高的资源利用率、简单的算法，以及较轻的信令负荷等优点。不同之处在于接力切换断开原基站和与目标基站建立通信链路几乎是同时进行的，因而克服了传统硬切换掉话率高、切换成功率低的缺点。

传统的软切换、硬切换都是在不知道UE的准确位置下进行的，因而需要对所有邻小区进行测量，而接力切换只对UE移动方向的少数小区进行测量。

图7-7-10　基站的接力切换过程