《3G移动通信理论及应用》课件第9章.pptx
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- 3G移动通信理论及应用 3G 移动 通信 理论 应用 课件
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1、第9章 TD SCDMA关键技术9.1 TDD技术技术9.2 智能天线智能天线技术技术9.3 联合检测联合检测技术技术9.4 动态信道分配动态信道分配技术技术9.5 接力切换接力切换技术技术9.6 功率控制功率控制9.1 TDD 技技 术术 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
2、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,无需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 TDSCDMA 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
3、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 相 同 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。通过上行信道估计的参数用于下行波束赋形,有利于智能天线技术的实现;通过信道估计得出的系统矩阵用于联合检测和区分不同用户的干扰。(4)无需笨重的射频双工器,基站小巧,成本低。由于 TDD技术上、下行的频带
4、相同,无需进行收发隔离,可以使用单片IC实现收发信机,降低了系统成本。9.2 智能天线智能天线技术技术9.2.1 概述概述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,在系统中实现空分多址(SDMA)。在接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制;在发射模式下,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,目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。20世 纪 90 年 代 中 期,各 国 开 始 考 虑 将 智 能 天 线
5、技 术 应 用 于 无 线 通 信 系 统。美 国Arraycom 公司在时分多址的 PHS系统中使用了智能天线技术;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-SCDMARTT 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。移动通信传输环境比较恶劣,由于多径衰落、时延造成的符号间干扰(ISI,InterSymb
6、olInterference)、FDMA 和 TDMA 系统由于频率复用引入的共信道干扰(CCI,CoChannelInterference)、CDMA 系统中的多址干扰(MAI,MultipleAccessInterference)等都使链路性能变差、系统容量下降,而我们所熟知的技术如滤波、编码等都是为了对抗或减小这些干扰的影响。这些技术利用的都是时域、频域信息,但实际上有用的信号,其干扰信号在时域和频域存在差异的同时,在空域上也存在差异。分集天线,特别是扇区天线可看做是对这部分区域资源的初步利用,而要更充分地利用它,只有采用智能天线技术。图91 使用智能天线与不使用智能天线的比较9.2.2
7、 智能天线的基本概念和原理智能天线的基本概念和原理智能天线原名自适应天线阵列,它是由多个空间分隔的天线阵元组成的,不同天线阵元对信号施以不同的权值,然后相加,产生一个输出信号。每个天线的输出通过接收端的多输入接收机合并在一起,如图92所示。原来传统的天线是360全向角度,接收天线只能以固定的方式处理信号。天线阵列是空间到达角度的函数,接收机可以在这个角度的范围内对接收的信号进行检测处理,可以动态地调整一些接收机制来提高接收性能,这也是人们称之为“智能天线”的原因。图92 天线阵列示意图这里涉及到上行波束赋形(接收)和下行波束赋形(发射)两个概念。(1)上行波束赋形:借助有用信号和干扰信号在入射
8、角度上的差异(DOA,Direction Of Arrival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。(2)下行波束赋形:在 TDD方式作用的系统中,由于其上、下行电波传播条件相同,所以可以直接将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。9.2.3 智能天线实现示意图智能天线实现示意图智能天线实现示意图如图9-3所示。智能天线系统主要包含如下部分:智能天线阵列(圆阵、线阵)、多射频(RF,RadioFrequency)通道收/发信机子系统(每根天线对应一个 RF通道
9、)、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 系统来说,NodeB端的处理分为上行链路处理和下行链路处理。图93 智能天线实现示意图9.2.4 智能天线的分类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。9.2.5 天馈系统实物图天馈系统实物图图94 天馈系统线阵实物图图95 天馈系统圆阵实物图9.2.6 智能天线优势智能天线优势智能天线优势如下:(1)提高
10、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,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。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
11、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,对接收方向以外的干扰有强的抑制。(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来说,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是可以根据需要而设计的。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。而智能天线的辐射图形则完全可以用软件
12、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的情况下,均可以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,还带来了降低对电源的要求和增加可靠性等好处。9.3 联合检测联合检测技术技术9.3.1 联合检测的介绍联合检测的介绍CDMA 系统中的主
13、要干扰是同频干扰,它可以分为两部分:一部分是小区内部干扰(IntracellInterference),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(MAI,MultipleAccessInterference);另一部分是小区间干扰(IntercellInterference),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。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。传统的 CDMA 系统信号分离方法是把多址干扰(MAI)看做热噪
14、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 做 是 各 自 独 立 过 程 的 信 号 分 离 技 术 称 为 单 用 户 检 测(Single userDetection)。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。联合检测技术是多用户检测(Multi-userDetection)技术的一
15、种。单用户检测和多用户检测比较如图96所示。图96 单用户检测和多用户检测比较9.3.2 联合检测的原理联合检测的原理一个 CDMA 系统的离散模型可以用下式来表示:图97 联合检测原理示意图9.3.3 联合检测联合检测+智能天线智能天线智能天线和联合检测两种技术相合,不等于将两者简单地相加。1.智能天线的主要作用智能天线的主要作用(1)降低多址干扰,提高 CDMA 系统容量。(2)增加基站接收机的灵敏度和基站发射机的等效发射功率。2.单独采用智能天线存在的问题单独采用智能天线存在的问题(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)
16、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,从而使波束赋形产生偏差,特别是在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干扰没有简单有效的办法。3.联合检测的主要作用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.单独采用联合检测会遇到的问题单独采用联合检测会遇到的问题(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。图98 智能天线和联合检测技术结合流程
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