摘要：从智能天线工作原理的角度分析智能天线技术的使用对TD-SCDMA网络系统性能的影响，提出TD-SCDMA系统的无线资源管理在使用智能天线技术后所得到的优化。
关键词：时分同步码分多址接入；智能天线；干扰分析；性能优化
中图分类号：TP311 文献标识码：A
TD-SCDMA (Time Division、synchronous Cede Division Multiple Access)，即“时分同步码分多址接入”。TD-SCDMA作为我国提出的第三代移动通信系统标准被ITU接受并最终成为主流标准之一，使得在通信标准领域，我国首次取得了与美、日、欧等国家和地区平起平坐的地位。该系统充分利用了CDMA，TDMA，FDMA和SDMA这四种多址方式的优势，综合采用了智能天线、同步CDMA、联合检测、软件无线电等无线通信中的先进技术，解决了这些技术在应用中的各种问题，使得系统具有较高的性能和频谱利用率。
智能天线(smart Antenna，SA)技术是TD-SCDMA系统采用的核心技术之一，TD-SCDMA系统也是一个以智能天线为中心的3G网络系统。智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址(SDMA)性能来提高系统的容量和频谱利用率。因此，智能天线能够提高系统性能，扩大小区的最大覆盖范围，减小移动台的发射功率，提高信号质量并增大了数据传输速率，在高速运动的信道环境中达到较好的性能。诸多技术优势使其在3G标准中占有非常重要的位置，TD-SCDMA标准把它作为关键技术之一，其他3G标准也把智能天线作为提高系统性能的重要选择方案。
1 智能天线技术的特点和工作原理
1.1 智能天线技术概述
智能天线技术已成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时间、同码道的信号区分开来，最大限度的利用有限的信道资源。与全方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其他用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率和干扰受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。
TD-SCDMA系统采用智能天线技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括的讲主要有：显著提高了Node B的接收灵敏度和等效发射功率，大大降低了系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；改进了小区的覆盖，可以使业务高密度的市区和郊区所要求的Node B数目减少，从而降低网络建设成本；在业务稀少的乡村，无线覆盖范围将增加一倍，这意味着在所覆盖区域的Node B数目降至通常情况的1／4；天线增益的提高能够降低高频功率放大器的线性输出功率，弥补TD-SCDMA系统由于TDD方式造成扩频调制信号PARR值较高，对高频功率放大器的线性输出要求较高的不足；高频功率放大器的费用是收发信机成本的主要部分，天线增益的提高意味着降低对高频功率放大器的性能要求和成本。总之，TD-SCDMA系统采用智能天线技术，可以降低网络系统建设和运营成本，提高运营商的经济效益和通信服务质量。
1.2 TD-SCDMA系统智能天线原理
智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络(结构上与时域FIR均衡器相同)。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。
其原理是基带对信号进行数字处理、判决，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，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，并使辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向。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。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(cDMA)，智能天线引入第4种多址方式：空分多址(SDMA)。即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分—码分多址方式(SD-CDMA)。
TD-SCDMA的智能天线可以使用一个环形天线阵列，由8个完全相同的天线阵元均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成，各阵元间距d=λ／2(λ为载波波长)，每个扇区有一个天线阵元，负责收发信号。智能天线的基本结构如图1所示。
该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线阵元相同，方位角的方向图由基带处理器控制，可以按照通信用户的分布，同时产生多个独立有方向性的高增益波束，在360。的范围内任意赋形，如果不同的波束分配给不同的用户，就可以有效地消除用户间的干扰，扩大小区的最大覆盖范围，大大提高系统容量。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平可能比最大辐射方向低约40dB。另外，它的波束很窄。既可以有效地解决下行链路的多径问题，又可以降低Node B的发射功率，从而降低设备和运营成本。TD-SCDMA系统使用的智能天线当阵元数N=8时，比无方向的单振子天线的增益分别大9dB(对接收)和18dB(对发射)。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，所以对传输非对称的口等数据、下载较大业务信息是非常合适的。
1.3 智能天线的处理过程
TD-SCDMA系统智能天线的处理过程如图2所示。
智能天线的目标是根据实际信道情况实时调整自身参数，有效追踪多个用户，在系统中实现空分多址(SDMA)。一般由射频部分的无线信号接收、发射、MD转换、D／A转换以及基带部分的数字信号处理模块组成。其功能是由天线阵列及与其相连的基带数字信号处理部分共同完成的。在图2中，从上行链路来看，天线阵元RF前端接收到在第一个时隙来自各个UE的上行信号，这个组合信号被放大、滤波、下变频、A／D转换后，数字分路器完成上行同步、解扩等处理，然后提取每个用户的空间参数，并进行上行波束成形(空间滤波)。下行链路基本是上行链路的
逆过程，下行波束成形使用上行链路提取的空间参数，并在第二个时隙将要发送的信号进行波束成形。
TD-SCDMA系统采用最大功率合成算法，认为来自各个UE的上行信号是上行同步的。最大功率合成算法是一种快速算法，它几乎不需要什么附加运算就可以计算出波束成形所需的空间参数，所以每个TDD周期都可以对所有用户进行空间参数估计，实时跟踪每个用户，特别适合工作在快速变化的环境中。最大功率合成算法是以信号最大功率方向作为上行和下行波速成形方向，因此不存在计算空间参数时的参数发散问题；在多径干扰不太严重的情况下，波束成形的方向图不会产生大的副瓣，功率集中在主瓣发射。但是，最大功率合成算法必须应用于同步CDMA系统，因为在提出空间参数前先必须解扩，解扩信号的好坏直接影响空间参数的正确性。
2 TD—SCDMA系统智能天线技术对网络性能的影响
TD-SCDMA系统采用智能天线后，引入空间方位资源，必将影响到网络的许多性能，如无线资源管理和移动性管理等。由于空间方位成为可利用的资源。所以在对系统资源进行分配和管理时，既要考虑最大限度地利用系统容量，又要协调好各种资源之间的相互关系，以便尽可能降低用户之间的干扰，只有这样才能保证系统的整体性能达到最优状态。
2.1 智能天线技术对动态信道分配(DCA)的影响
智能天线技术的引入可以极大地提升系统性能，但给动态信道分配(DCA)的策略和方案带来较大的影响。
在TD-SCDMA系统中如果不采用智能天线技术，对一个用户来说，在同一时隙内，除有用信号外，其他信号功率都是影响其通信质量的干扰和噪声。而智能天线可以去除小区内干扰和部分小区间干扰。智能天线波束具有方向性，可以区别不同入射角的无线电波，调整控制天线阵单元的激励“权值”，自适应电波传播环境的变化，优化天线阵列方向图，并将其“零点”自动对准干扰方向。这样，接收方向以外的干扰会得到强有力的抑制，从而可以提高阵列的输出信噪比，去除小区内干扰和部分小区间干扰。采用智能天线进行波束赋形之后，只有来自主瓣和较大副瓣方向的干扰才会给用户带来影响。
智能天线的波束赋形有效地降低了用户间干扰，其实质是对不同用户的信号在空间上进行区分。如果在进行动态信道分配(DCA)时能够尽量把相同方向上的用户分散到不同时隙中，即让在同一个时隙内的用户分布在不同的方向上，这样可以充分发挥智能天线的空分功效，使多址干扰降到最小。要达到这一目的，需要增加DCA对用户空间信息的获取和处理能力。智能天线能够对信号的到达方向进行估计，DCA可以根据各时隙内用户的位置为新用户分配时隙，使用户波束内的多址干扰尽量减小。如图3所示为按照时隙干扰大小分配用户位置的原理示意图。新用户在时隙1波束有重叠，而在时隙2波束无重叠，应优先分配时隙2给新用户。
为DCA算法增加分配空间资源的能力，首先要获得用户的位置信息，并根据用户所在位置进行定向波束的干扰测量。这样在DCA算法中依然可以按照新用户在不同时隙中所受干扰的大小来选择时隙，这里是指用户方向上干扰，而不是整个小区用户在该时隙产生的干扰。智能天线与联合检测技术结合的基带处理原理如图4所示。
图4中生成总系统矩阵A输出的数据经过了空域的滤波，可以计算波束内的干扰大小，作为DCA中时隙分配的依据。
智能天线的一个理想目标就是实现空分多址(SDMA)。在波束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系统资源(载波、时隙、扩频码等)，将使系统容量成倍的增长。考虑到用户的移动性，用户间相对位置的改变有可能使用户接入时的SDMA方案失效。即出现较大的同码道干扰，而快速DCA的信道调整能够克服这一问题。当DCA获知用户的同码道干扰大于门限值时，就启动信道调整，为同码道干扰严重的用户分配新的码道资源，以消除干扰。智能天线结合DCA是实现SDMA的有效途径。
2.2 智能天线技术对功率控制的影响
智能天线对功率控制的影响表现在以下几个方面：
(1)使功率控制的流程发生变化。无智能天线时，功率控制根据SIR测量值和目标值周期性的进行调整。有智能天线时，首先将主波束对准要调整的用户，然后在进行相关的测量。
(2)对功率控制的要求降低了。在有智能天线的情况下，当主波束对准该用户时，由于天线增益较高，相对于没有智能天线时可以大大降低用户功率。如果波束赋形的速度跟上用户移动的速度，则对功率控制的速度要求也低。这也是TD-SCDMA系统对功率控制速度要求不高的原因。
(3)在有智能天线的情况下，功率控制的平衡点方程变得复杂。传统的功率控制建模方法已不再适用，这种情况下的功率控制算法与具体的智能天线技术算法有关。
2.3 智能天线技术对分组调度的影响
分组调度算法的功能是在分组用户之间分配分组数据业务时提高用户利用空中接口资源的能力。在传统的CDMA系统中，分组调度方式主要有码分和时分两种。
码分方式即大量用户同时占用有限的信道资源，因此对Eb／NO要求较高，传输速率低，传输时延长，但是空中接口的干扰水平比较稳定，对UE的要求也比较低。
时分方式是在每个调度周期将空中接口的可利用资源只分配给一个或少数用户，对Eb／NO要求低。用户在很短的时间内以很高的速率进行传输，因此平均时延比码分方式小，但随着用户数的增加，每个用户需要等待更长的时间进行传输。
采用智能天线之后，引入了波束资源，空中接口可利用资源的模型发生了变化，因而算法模型也要进行改变，并且在分组调度的方式中增加了空分方式，那么新的调度方式将包括时分与空分相结合的方式、码分与空分相结合的方式，以及时分、码分与空分三者相结合的混合方式。智能天线技术的引入将使系统能够同时对更多的分组用户进行服务，减少时延，利用波束资源，通过空分降低用户间的多址干扰，能够增加分组用户的传输速率。同时，利用智能天线技术对UE的定位功能，还可以根据位置信息优化用户的调度速率，从而更加有效地利用系统资源。
2.4 智能天线技术对切换控制的影响
由于智能天线相对于全方向性天线而言，在同样的发射功率下覆盖范围将增加。因此，在网络规划和优化设计时，其Node B的布局与未使用智能天线的移动通信系统有所不同。使用智能天线技术，用户的空间位置成为移动通信系统中一种新的可利用的物理资源，那么无线资源的内涵将包括频率、时隙、码道和空间角度四维元素。这就给切换过程中所要进行的接纳控制和资源预留带来了许多灵活性。智能天线可以为切换提供一些有用的位置参考信息，提高系统的资源利用率，缩短切换时间，降低掉话率，减少信令交互，提高切换成功率，另外还可以采用接力切换技术。当然，智能天线在给系统切换带来上述好处的同时，也增加了切换的复杂性和切换性能的不确定性及不稳定性。如在物理信道分配的过程中，当发生冲突需要进行信道调整和切换时，由于判决维数增加，使用的切换算法就要比只有三种资源的情况下更复杂，移动用户的切换管理也要复杂得多。
3 结束语
本文从智能天线技术应用的角度研究智能天线的使用对TD-SCDMA系统的影响，从而得到TD-SCDMA系统是码道受限系统，最后分析了TD-SCDMA系统中使用智能天线技术对无线资源管理的重要性并提出一些初步的优化方案。