TD-SCDMA智能天线技术介绍
第6章 TD-SCDMA智能天线技术
图6-2 不同几何形状的天线阵列
2.平面波传播
空时信号可以表示为),,,(t z y x s ，
这其中x ，y 和z 分别代表三维空间坐标系的三个变代表时间。
根据电磁场领域的麦克思维方程，自由空间中信号源的电场E r
满足下式：
012222
=∂∂⋅−∇t
E c E r r （6.1.1）
是光速。
对上式求解得到
图6-7 TD-SCDMA 系统下行信号传输模型
北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN) 作者：彭木根 （pmg@）
版权所有，翻印必究
图6-10 孔径扩展示意图
)()(t s t r = )exp()()(x d jk t s t x r
−= )exp()()(y d jk t s t y r
−=
图6-11 EVESPA估计结果（4个线阵，6个信号)
个阵元组成，其中4个阵元组成均匀线阵。
有三组相干信号（， [800, 1000]和[1200, 1400], 对应的幅度分别为[1, 0.7-0.4i] [ 0.4+0.5i, -0.6+0.4i]。
噪声为高斯噪声，信噪比SNR＝15。
10。
TD-SCDMA的智能天线技术
智能天线分为两大类:多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。自适应天线阵列一般采用4 ～16 天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。
按实现形式智能天线可分为3 类。
(1)自适应调零智能天线
它是以自适应天线技术为基础，采用自适应算法形成方向图，根据天线的输入、输出特性，按一定的算法自动地调节天线阵元的幅度和相位加权，在干扰方向上形成零陷，从而大幅度降低干扰电平，提高系统的信噪比。从空间响应看，其自适应天线阵列是一个空间滤波器，天线的物理位置不作改变，由信号检测与处理系统判断出干扰与信号的来向，自适应地改变天线的方向图，并将零陷方向对准干扰，主瓣对准要接收的信号。但自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
TD-SCDMA的智能天线技术
TD-SCDMA(Time DivisiON Synchronous CodeDivision Multiple Access )，即时分同步的码分多址技术，已正式成为国际电信联盟(ITU)第三代移动通信标准IMT2000 建议的一个组成部分，我国具有自主知识产权的TD-SCDMA、欧洲WCDMA 和美国CDMA2000成为3G 时代最主流的技术。TD-SCDMA集码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)等技术优势于一体，采用智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术，具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强等优点的移动通信技术。
智能天线技术及其在TD-SCDMA中的应用
智能天线技术及其在TD-SCDMA中的应用摘要智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵、波束形成网络、波未形成算法三部分组成。
它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位。
从而调节天线阵列的方向图形状。
达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。
智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰提高系统容量。
智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。
本文主要从以下几个大的方面讲述：（1）智能天线的简介；（2）工作原理；（3）智能天线的优势；（4）智能天线与若干空域处理技术的比较；（5）智能天线技术的一些问题和研究动向；（6）移动通信采用智能天线的好处；（7）智能天线在TD-SCDMA中的应用；关键词智能天线；空域处理技术；移动通信；TD-SCDMA；TD-SCDMA智能天线目录1 智能天线的简介 (1)1.1基本概念 (1)1.2智能天线的分类 (1)1.2.1按实现形式智能天线分类 (1)1.2.2根据采用的天线方向图形状分类 (2)2 工作原理 (3)3 智能天线的优势 (4)4 智能天线与若干空域处理技术的比较 (5)4.1智能天线与自适应天线的比较 (5)4.2智能天线与空间分集技术的比较 (5)4.3智能天线与小区扇区化的比较 (6)5 智能天线技术的一些问题和研究动向 (6)5.1智能天线技术存在的问题 (6)5.2智能天线技术的研究动向 (6)6 移动通信采用智能天线的好处 (7)7 智能天线在TD-SCDMA中的应用 (9)7.1 TD-SCDMA中采用智能天线技术 (9)7.2 TD-SCDMA智能天线的工作原理 (10)7.3 TD-SCDMA智能天线技术的实现 (11)7.4 TD-SCDMA智能天线技术的优势 (11)7.5 TD-SCDMA智能天线的发展趋势 (12)8 结论 (14)1 智能天线的简介1.1 基本概念智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵（如图1-1所示）、波束形成网络、波未形成算法三部分组成。
TD智能天线原理和优势
作为第三代移动通信系统标准之一的TD-SCDMA，采用了两项最为关键的技术，即智能天线技术和联合检测技术。
其中智能天线对于系统的作用主要包括：（1）通过多个天线通道功率的最大比合并以及阵列信号处理，明显提高了接收灵敏度；（2）波束赋形算法使得基站针对不同用户的接收和发射很高的指向性，因此用户间的干扰在空间上能够得到很好的隔离；（3）波束赋形对用户间干扰的空间隔离，明显增加了CDMA的容量，结合联合检测技术，使得TD-SCDMA 能够实现满码道配置；（4）通过波束赋形算法能够实现广播波束宽度的灵活调整，这使得TD-SCDMA在网络优化过程中小区广播覆盖范围的调整可以通过软件算法实现（常规基站天线的广播波束是固定不可变的，若想调整覆盖范围必须要更换天线），从而明显提高了网优效率；（5）通过对天线阵进行波束赋形使得下行信号能够对准一个（或若干个不同位置的用户）用户，这等效于提高了发射机的有效发射功率（EIRP）。
CDMA系统中采用了大功率线性功放，价格比较昂贵；采用智能天线技术的TD系统可以采用多个小功率功放，从而降低了制造成本。
基本工作机理根据波束成形的实现方式以及目前的应用情况，智能天线通常可分为多波束智能天线和自适应智能天线。
多波束智能天线采用准动态预多波束的波束切换方式，利用多个不同固定指向的波束覆盖整个小区，随着用户在小区中的移动，基站选择其中最合适的波束，从而增强接收信号的强度。
多波束智能天线的优点是复杂度低、可靠性高，但缺点是它受天线波束宽度等参数影响较大，性能差于自适应智能天线。
自适应智能天线采用全自适应阵列自动跟踪方式，通过不同自适应调整各个天线单元的加权值，达到形成若干自适应波束，同时跟踪若干个用户，从而能够对当前的传播环境进行最大程度上的匹配。
自适应智能天线在理论上性能可以达到最优，但是其实现结构和算法复杂度均明显高于多波束智能天线。
TD-SCDMA系统采用的是自适应智能天线阵，天线阵列单元的设计、下行波束赋形算法和上行DOA预估是智能天线的核心技术。
TD-SCDMA中的智能天线技术及其优势
显著地扩大了系统容量
有效地提高 了有限频谱
１ 智能天线的基本概念 ．
智能天线是一个天线砗别 最初应用于雷达 声纳 军 事方面 ．主要月来完成空间滤波和定位 。智能天线采用空
分 多址 ｃＤ Ｓ ＭＡ） 技术 币 用信号在传输方向上的差别 ． Ｌ 将
同频塞或同时隙 同码 道占信号 区分开来 哿 最大限度地利 下行 用有限白 信道资源 与无方向性天线相比鞍 ．其上 穹
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析一
２ 智能天 线的分类 ．
智能 天 线 是 一个 天线 阵列 ， 由 Ｎ个 天线 单 元组 成 。 它 每 个 天 线 单 元 有 Ｍ 套 加 权 器 ．可 以形 成 Ｍ 个 不 同方 向 的 波 束 ，用户 数 Ｍ 可 以大 于 天 线 单 元 数 Ｎ。根 据 采 用 的 天 线 方 向 图 形 状 ．可 以将 智 能 天 线 分 为两 类 ：多 波 束 智 能 天 线和
方 向． 就可达到提高信号的载 干比．降低发射功率等 目的。 智能天线的上述性能允许更 为密集的频率复用 ．使频谱效
率 得 以显 著 地 提 高 。
基于智能天线的TD-SCDMA系统
TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)即时分的同步码分多址技术，是我国具有自主知识产权的通信技术标准，与欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA 2000标准并称为3G时代主流的移动通信标准。
TD—SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体，系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强，智能天线技术是TD—SCDMA的关键技术之一，越来越多的研究者和工程技术人员将目光投向智能天线技术和TD—SCDMA的研究。
1 TD-SCDMA系统大唐电信集团开发的TD-SCDMA系统采用时分双工TDD，TDMA/CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、智能天线、多用户检测、正交可变扩频因数、Turbo编码技术、CDMA等新技术，工作于2 010～2 025 MHz。
我国为TD-SCDMA划分了155 MHz非对称频段，具体为1 880～1 920MHz，2 010～2 025 MHz和2 300～2 400MHz。
1.1 TD—SCDMA标准概况多址接入方式：DS-CDMA/CDMA/SDMA;码片速率：1.28 MCPS;双工方式：TDD;载频宽度：1.6 MHz;扩频技术：OVSF;调制方式：QPSK，8PSK;编码方式：卷积编码，Turbo编码;功率控制：200次/s。
TD—SCDMA的主要优势有：使用智能天线、多用户检测等新技术;可高效率地满足不对称业务需要;简化硬件，可降低产品成本和价格;便于利用不对称的频谱资源，频谱利用率大大提高;可与第二代移动通信系统兼容。
1.2 TD—SCDMA关键技术(1)综合的寻址(多址)方式TD-SCDMA空中接口采用了四种多址技术：TDMA，CDMA，FDMA，SDMA(智能天线)。
综合利用四种技术资源分配时在不同角度上的自由度，得到可以动态调整的最优资源分配。
(2)灵活的上下行时隙配置灵活的时隙上下行配置可以随时满足您打电话，上网浏览、下载文件、视频业务等的需求，保证您清晰、畅通享受3G业务。
TD-SCDMA智能天线简介-005
波束宽度（也叫半功率角） 波束宽度（也叫半功率角）包括水平波束宽度与垂直波束宽度。分别定义为在水 平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束 宽度。常用的基站天线水平波束宽度有 360°、90°、65°、60°、33° 等， 垂直波束宽度有6.5°、7°、10°、13°、16° 等。 前后抑制比，天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向 180 ± 前后抑制比 30° 以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一般天线的前后比在18 ~ 45dB 45dB之间。对于密集城区要优先选用前后抑制比大的天线。 零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平 零点填充 更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。高增益天线由于其垂直 波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。通常零深相对 于主波束大于 -26dB即表示天线有零点填充 天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式 WCDMA 天线的极化方式 。WCDMA 中的单极化天线通常使用垂直极化方式。双极化天线利用极化分集来减 少移动通信系统中多径衰落的影响，以提高基站接收信号的质量，WCDMA 中的双 极化天线通常使用 ± 45° 交叉极化方式。
( ( w21) (t ) L wN1) (t ) x1 (t ) ( ( x2 (t ) w22) (t ) L wN2) (t ) , X (t ) = M M M M (M ) (M ) x (t ) w2 (t ) L wN (t ) M × N N N ×1
TD-SCDMA智能天线技术介绍V3概要
TD-SCDMA智能天线技术介绍3G建设办公室2009年10月前言•TD-SCDMA是中国主导的第一个国际移动通信标准，它采用了智能天线、联合检测、软件无线电、接力切换、上行同步、动态信道配置等一系列新技术，大大提升了频率利用率和系统容量。
•智能天线是TD-SCDMA标准的关键技术之一，也是TD-SCDMA区别于其他标准的特点之一。
它的应用大大提高了系统抗干扰能力，提升了系统容量。
本文将从智能天线的技术特点、智能天线的发展和革新、智能天线广播波速权值赋形和智能天线在LTE中的应用等四个方面，对智能天线进行介绍。
内容概要••••智能天线技术简介智能天线的新发展智能天线广播波速权值赋形技术智能天线在LTE的应用什么是智能天线技术• 智能天线是由多根天线阵元组成天线阵列• 天线陈列因基带算法而智能• 实现天线和传播环境与用户和基站之间的最佳匹配智能天线基本原理•智能天线下行发送是基于波束形成的思想，其目的是利用用户的空间方位信息对多用户信号实现空分或抑制干扰，即在同一时间同一载频上只用同一副阵列天线在空间中形成多个波束并把它们分配给多个用户，不同用户的波束中承载的用户信息不同。
TD系统中使用智能天线的物理基础 TDD的工作方式，的工作方式，便于权值的应用•TDD方式：上、下行链路权值相同–上、下行链路传输频率相同–时间间隔短TDD FDD方式：上、下行链路权值不同上、下行链路传输频率不同受频率选择性衰落影响不同FDD上行下行智能天线的算法•智能天线之所以能够识别和利用空间方位信息，是因为它的阵列天线中，各个天线阵元位于不同的空间位置上，在接收的上行信号时，信号到达各个天线阵元的时间不同，在已知天线阵元的空间分布情况的前提下，可根据各个天线阵元接收到的信号之间的时间差推算出信号的来波方向DOA。
同理，在下行发送时，在波束方向（以上行DOA作为下行波束方向）可推算出信号从各个天线阵元到达用户的波程差，以及因波程差造成的信号时差，通过控制各个天线阵元上激励信号的时延，可以抵消波程差造成的时差，使得在指定的DOA 方向上各路信号同相叠加，形成预期的波束。
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TD-SCDMA智能天线技术发展
TD-SCDMA智能天线技术发展
智能天线的改进
LTE技术原理——多天线技术
• 通常提到的多天线技术是指MIMO，但实际上 严格的多天线技术是指以下3种主要技术类型 ：diversity、MIMO和beamforming。下ห้องสมุดไป่ตู้各 种多天线技术下的无线信道接入模式：
智能天线在TD-SCDMA中重要作用
• 增强有用信号，降低干扰信号，主要功能如 下： a) 业务信道波束赋形，提高接收信号功率，降 低同频干扰； b) 广播信道提供灵活的广播波束设计； c) 提高上行同步信号的检测能力； d) 与联合检测结合，提高同频多码道信号的检 测性能； e) 提供波达方向（DOA）估计功能，可以协助 定位和资源分配。
LTE技术原理——多天线技术
8天线应用 8天线BF，单流； 8天线实现2×2MIMO，双流方式； 4天线应用 4天线BF，单流； 4天线实现2×2MIMO，双流； 2天线应用 2天线收发分集应用； 2天线实现2×2MIMO，双流； 手机接收1、2天线配置 手机单天线配置时，下行只能实现分集发送或者下行波束赋 形 手机双天线，实现上下行2×2MIMO
• 天线阵： • 是一列取向相同、同极化、低增益的天线按照一定的方式排 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： • 一般等距，主要有等距直线排列、等距圆周排列，等距平面 排列 • 智能天线的分类： • 线阵、圆阵：全向阵、定向阵
智能天线的算法
智能天线系统
智能天线的分类
• 双极化8天线中Ant1/A nt4/Ant5/Ant8为间距 最大的交叉极化4天线 • 4天线实现MIMO
相关性弱有利于实现 MIMO
谢谢
内容概要
• • • • 智能天线技术简介 智能天线的新发展 智能天线广播波速权值赋形技术 智能天线在LTE的应用
智能天线历史
• 智能天线最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。 • 近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片 处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得 利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使 智能天线技术开始在无线通信中开始应用。
TD-SCDMA智能天线技术介绍
前言
• TD-SCDMA是中国主导的第一个国际移动通信标准， 它采用了智能天线、联合检测、软件无线电、接力 切换、上行同步、动态信道配置等一系列新技术， 大大提升了频率利用率和系统容量。 • 智能天线是TD-SCDMA标准的关键技术之一，也是TDSCDMA区别于其他标准的特点之一。它的应用大大提 高了系统抗干扰能力，提升了系统容量。本文将从 智能天线的技术特点、智能天线的发展和革新、智 能天线广播波速权值赋形和智能天线在LTE中的应用 等四个方面对智能天线进行介绍。
双极性智能天线在LTE的应用方案
方案三 4×2 MIMO 方案四 Adaptive MIMO/BF • 自适应切换准则：基于吞 吐率最大原则 • 根据信道相关性瞬时值、 信干比等信息，分别估算B F和多流MIMO传输方式下各 自的瞬时吞吐量，并采用 瞬时吞吐量较高的一种方 式 自适应选择，有利于发挥 MIMO/BF性能优势
智能天线基础原理
• 智能天线下行发送是基于波束形成的思想，其目的 是利用用户的空间方位信息对多用户信号实现空分 或抑制干扰，即在同一时间同一载频上只用同一副 阵列天线在空间中形成多个波束并把它们分配给多 个用户，不同用户的波束中承载的用户信息不同。
TD系统中使用智能天线的物理基础
智能天线的工作过程
双极性智能天线在LTE的应用方案
方案一 8×2 Beamforming 方案二 8×2 MIMO
• eNB采用双极化8天线 阵列 • 单流 • 下行UE 2天线接收， 上行轮流发射 • 上行eNB 8天线接收， 下行采用EBB算法实现 波束赋形 抗干扰能力强边缘用户 速率有保障
• 同极化的4天线组成某 一子阵，即Ant1~Ant4 和Ant5~Ant8分别构成 两个子阵 • 子阵内采用广播波束 赋形 • 两个子阵间实现MIMO BF与MIMO结合