最近幾年，移動(dòng)通信已經(jīng)成為一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域。使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、時(shí)分多址接入和頻分多址接入技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，例如GSM和IS54系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在世界各地。與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，對(duì)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最大的挑戰(zhàn)之一是不僅要能夠提供像話音和圖像等對(duì)稱的電路交換業(yè)務(wù)，而且要能夠提供例如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入等非對(duì)稱的數(shù)據(jù)包交換業(yè)務(wù)。同時(shí)，未來(lái)的用于第三代移動(dòng)通信的頻帶中的部分可能是非對(duì)稱的。這樣，使得TDD 模式在未來(lái)的移動(dòng)通信的發(fā)展中顯得非常重要。

　　為了解決這些問(wèn)題，TD-SCDMA系統(tǒng)融合了兩種先進(jìn)的技術(shù)，它是一種在同步模式下工作的具有自適應(yīng)CDMA特點(diǎn)的先進(jìn)的TDMA系統(tǒng)。隨著移動(dòng)通信市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，作為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的TD-SCDMA必須能夠滿足各種類型的業(yè)務(wù)需求。中國(guó)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)組織(CWTS)提出TD-SCDMA并使其成為了全球第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IMT2000)之一。作為TD-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的容量，擴(kuò)大小區(qū)的最大覆蓋范圍，減小移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，提高信號(hào)的質(zhì)量并增大了數(shù)據(jù)傳輸速率。這些優(yōu)點(diǎn)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了很大的靈活性。

2 系統(tǒng)模型

　　在這一部分，我們介紹包括前向糾錯(cuò)編碼在內(nèi)的使用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的低通等效模型。在圖1和圖2中，我們給出了上行鏈路中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

　　在系統(tǒng)中的同一個(gè)小區(qū)中，在帶寬為B的同一個(gè)頻帶上可以有K個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信，用戶間通過(guò)不同的用戶擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行區(qū)分。我們假設(shè)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)只有一個(gè)發(fā)射天線。在基站部分的上行接收機(jī)有M個(gè)天線可以接收移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)。在我們的驗(yàn)證系統(tǒng)中使用的是Ray Tracing信道模型。這種信道模型是基于幾何理論以及反射、折射、和散射傳播模型的。通過(guò)利用指定場(chǎng)所的位置信息，例如建筑圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)，這種技術(shù)能夠確定地對(duì)傳播信道進(jìn)行建模，包括路徑損耗、入射角和時(shí)延等。它非常適合應(yīng)用在驗(yàn)證智能天線系統(tǒng)的有效性的仿真中，通過(guò)它得到的性能結(jié)果具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。

圖 2 基站中使用智能天線技術(shù)的接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 TD-SCDMA系統(tǒng)的基本幀結(jié)構(gòu)

　　TD_SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)[2]與GSM的非常類似（見(jiàn)圖3），它們都利用Midamble來(lái)做脈沖檢測(cè)。
超幀的持續(xù)時(shí)間為320 ms，一個(gè)超幀能夠分成32個(gè)無(wú)線幀。一個(gè)無(wú)線幀又可以分成2個(gè)持續(xù)時(shí)間為5 ms的無(wú)線子幀。每個(gè)無(wú)線子幀由7個(gè)持續(xù)時(shí)間為675 μs的業(yè)務(wù)時(shí)隙和3個(gè)特殊的時(shí)隙： DwPTS (下行導(dǎo)頻時(shí)隙)、GP (保護(hù)時(shí)隙) 和UpPTS(上行導(dǎo)頻時(shí)隙)組成。

　　TS0總是用于下行鏈路，TS1總是用于上行鏈路，其他的時(shí)隙則根據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的靈活配置來(lái)確定是用于上行或是下行鏈路。每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙的脈沖結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)區(qū)和一個(gè)長(zhǎng)度為144個(gè)碼片的Midamble及長(zhǎng)度為16個(gè)碼片的保護(hù)區(qū)組成。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，在每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙中最多同時(shí)有16個(gè)不同的擴(kuò)頻用戶單元。我們利用midamble訓(xùn)練序列來(lái)做解相關(guān)運(yùn)算得到對(duì)移動(dòng)信道的估測(cè)，然后對(duì)每個(gè)時(shí)隙中的所有信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。通過(guò)消除多址干擾的方式，使接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了大約20 dB。聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)是一種在其他較強(qiáng)信號(hào)存在的情況下使較弱的信號(hào)能夠解調(diào)出來(lái)的算法。所以，采用這種技術(shù)后可以降低對(duì)功率控制的要求，也就是說(shuō)可以消除由于慢衰落引起的平均功率波動(dòng)的影響。

3 智能天線

　　在這一部分，我們解釋智能天線技術(shù)的基本概念[3]以及在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下使用該技術(shù)的可行性。

3．1 智能天線技術(shù)概念

　　如圖4所示，由一些空分的獨(dú)立的天線元素組成一個(gè)天線陣列系統(tǒng)，這個(gè)陣列的輸出與收發(fā)信機(jī)的一組多個(gè)輸入相組合。這多個(gè)天線元素結(jié)合在一起提供一個(gè)綜合的時(shí)空信號(hào)。與使用單個(gè)天線采用固定方式組合天線口信號(hào)的接收機(jī)相比較，天線陣列系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整信號(hào)的結(jié)合方式以提高系統(tǒng)的性能。正由于這個(gè)原因，天線陣列經(jīng)常被稱為智能天線，它被視為相當(dāng)于一個(gè)特性能夠根據(jù)需要自動(dòng)地調(diào)整的天線。

圖4 M個(gè)空間分集的天線元素的天線陣列

　　人們經(jīng)常使用的是環(huán)狀或線性天線陣列。在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我們用8個(gè)完全相同的天線元素均勻地放置在一個(gè)半徑為R的圓形上，組成我們所需的環(huán)形天線陣列。這種陣列對(duì)于消除干擾特別有效[4]。每?jī)蓚€(gè)天線之間的距離是載波波長(zhǎng)的一半。由于每個(gè)天線在空間上處于不同的位置，所以不同天線元素的信號(hào)的幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時(shí)可以產(chǎn)生很多個(gè)獨(dú)立的有方向性的高增益的波束。不同的波束分配給不同的用戶，保證了所有鏈路上的最大增益。利用自適應(yīng)波束成形可以有效地消除干擾，提高系統(tǒng)的容量。各種能夠用數(shù)學(xué)公式表示的算法都能夠得到實(shí)現(xiàn)。

3．2 TDD模式下高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境中 使用智能天線技術(shù)的可行性

　　隨著交通和通信的發(fā)展，對(duì)在高速運(yùn)動(dòng)中的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求顯得越來(lái)越緊要了。在車速環(huán)境中，一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有直線視距信號(hào)存在，這就意味著接收到的信號(hào)是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號(hào)的平均功率隨著距離的增大而減小。采用智能天線技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅適用于室內(nèi)環(huán)境，而且也適用于室外的車速環(huán)境。根據(jù)我們的分析與仿真，在移動(dòng)臺(tái)速度很高的情況下，該系統(tǒng)同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地確定接收到信號(hào)的波束結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，不需要任何存儲(chǔ)單元存放過(guò)去幀的波束信息。所以無(wú)論移動(dòng)臺(tái)的速度多高，上行鏈路的接收機(jī)都可以迅速地在每一幀適應(yīng)新的波束特點(diǎn)。在TDD 模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個(gè)頻帶，基站端的發(fā)射機(jī)可以根據(jù)在上行鏈路上得到的接收信號(hào)來(lái)了解下行鏈路的多徑信道的快衰落特性。這樣，基站的收發(fā)信機(jī)就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測(cè)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)下行的波束成形。只有在像TD-SCDMA這樣的TDD 系統(tǒng)中，上行、下行鏈路的配合才能達(dá)到這樣好程度。在TD-SCDMA系統(tǒng)中由于無(wú)線子幀的長(zhǎng)度是5 ms，所以容許的下行對(duì)上行的最大的反應(yīng)時(shí)間為5 ms。根據(jù)無(wú)線幀中上行和下行的信道分配，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間可以更短。隨著移動(dòng)臺(tái)速度的增加，上行鏈路的信道特性與下行鏈路的信道特性的相關(guān)性越來(lái)越強(qiáng)。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個(gè)偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來(lái)做下行的波束成形仍然能夠正常工作。

　　舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)的速度是250 km/h,采用下行波束成形的反應(yīng)時(shí)間是2.5 ms；這樣，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與基站的最小距離為10 m時(shí)，如圖5所示，下行采用的波束成形與實(shí)際的偏差角度約為2。

圖5 高速下下行鏈路采用波束成形的偏差舉例示意

4 仿真結(jié)果

　　在這部分中給出了鏈路級(jí)仿真的結(jié)果。仿真環(huán)境的主要特點(diǎn)如下：

　　· 使用了智能天線技術(shù)；

　　· 在上行鏈路上使用了聯(lián)合時(shí)空處理；

　　· 具有空間信息的信道模型( Ray Tracing 信道模型)。

　　根據(jù)CWTS的提案我們選用了12.2 kbit/s和2.4 bit/s的映射方式。在表1中我們列出了基本的仿真參數(shù)。在基站端使用8個(gè)天線組成的環(huán)形天線陣列，而移動(dòng)臺(tái)只用了單個(gè)天線。

　　我們使用COSSAP仿真平臺(tái)得到了不同車速下的不同的仿真結(jié)果如下圖所示：

(a)1 個(gè)用戶/時(shí)隙 (b) 8個(gè)用戶/時(shí)隙
圖6 120 km/h車速下誤碼率性能

(a)1 個(gè)用戶/時(shí)隙 (b) 8個(gè)用戶/時(shí)隙
圖7 250 km/h車速下誤碼率性能

　　通過(guò)認(rèn)真細(xì)致的仿真工作，可以看到TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下有效地工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　在本文中，我們提出了結(jié)合TDMA和CDMA多址接入方式并使用了聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且探討了在該系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下的性能。在基站部分使用了智能天線技術(shù)不僅帶來(lái)了分集增益，而且可以進(jìn)行干擾消除。目前的仿真工作說(shuō)明了TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境下有效地工作。

　　如果移動(dòng)臺(tái)的速度非常高，在上行鏈路上的傳統(tǒng)的信道估測(cè)信息就不能精確地使用在下行的波束成形中了。這不是因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)位置的改變，而是因?yàn)闊o(wú)線信道本身的時(shí)變特性造成的。就高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境而言，TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景依然是很樂(lè)觀的。目前，我們沒(méi)有使用自適應(yīng)信道估測(cè)技術(shù)，采用這種技術(shù)會(huì)得到更好的性能結(jié)果。今后，我們將研究在高速運(yùn)動(dòng)信道環(huán)境中如何使用自適應(yīng)的信道估測(cè)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 3GPP TSG RAN WG1. 1.28 Mcps Functionality for UTRA TDD Physical Layer . meeting AH213G TR 25.928 V0.3.0, June 2000

　　[2] Mr. Kammerlander. Benefits and Implementation of TD-SCDMA. ICCT 2000,Beijing

　　[3] Liberti Joseph C, Theodore J R, Rappaport S. Smart Antennas for Wireless Communications.Prentice Hall,1999