智能天线和空间分集接收技术

陈国安王有正

直接序列码分多址技术正日益成为现代移动通信的主要接入方法，但其系统性能受到无线信道的多径衰落，多址干扰（MAI）和符号间干扰（ISI）的限制. 如何消除这些影响是提高无线通信系统性能的主要问题.

时空处理技术是当前的研究热点之一. 在空域和时域中对接收信号进行联合处理，可以充分利用空间信号处理技术和时间信号处理技术的优势，有效抵抗ISI，降低MAI，增加分集增益以及增加阵列增益. 单一天线的一次性处理方法无法实现.

众所周知，均衡技术和RAKE接收技术可以在时域中抑制信道衰落并抵抗ISI. 均衡技术是均衡信道的传播特性. 它用于消除由无线信道的时变多径传播特性引起的ISI. 适用于多径信号不可分离的情况. 如果可以分离接收到的多径信号，则可以使用RAKE分集接收技术来组合分离出的多径信号，以提高分集增益.

因此，时空处理技术之间的差异主要在于空间信号处理技术. 当前，用于描述空间处理技术的术语包括智能天线，自适应天线，切换波束天线和空间分集接收技术.

本文中的智能天线技术定义为: 具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束以实现定向发送和接收. 智能天线可以利用信号的空间特性来分离用户信号，MAI和多径干扰信号. 智能天线包括自适应天线和开关波束天线: 自适应天线阵列自适应地识别用户信号的到达方向，并通过反馈控制不断调整其自身的方向图；切换波束天线会预先确定多个固定波束，然后随着用户在小区中移动，基站会选择使接收信号最大化的相应波束. 空间分集接收采用分集合并技术，将空间中多个不相关的接收信号进行合并，可以有效抵抗信号的空间选择性衰落，提高系统性能.

智能天线和空间分集接收技术本质上是不同的，但是到目前为止，没有文献详细比较这两种技术. 甚至有文献认为，术语“优化组合”和“自适应波束形成”是可以互换的. 那么，这两种技术之间的区别是什么？如何根据通信环境选择不同的时空处理技术一直困扰着人们.

本文在这方面做了一些工作，专门分析了空间分集接收技术和智能天线（主要是自适应天线阵列）的工作原理，两者的区别以及适用场合. 作者首先研究了移动台与基站之间的无线传播特性，时空信道模型和不同环境下的多径特性，提出了CDMA通信系统的主要问题，并对这两种空间处理技术进行了分析和比较. 解决问题的差异以及每种技术的适用场合. 由于在移动站中放置多个天线不切实际多天线分集接收技术，因此本文主要从基站的角度分析上行链路时空处理技术.

首先，提出的问题

1. 无线信道传播特性

移动通信环境中的波传播具有自由空间传播损耗，阴影衰落和多径衰落的特征. 其中，多径衰落严重影响了无线信道上传输的信号. 波的反射，散射和衍射接收到的信号会产生时延扩展，频率扩展和角度扩展.

（1）延迟扩展

假设发送的信号是一个时间宽度很窄的脉冲信号，在多径信道之后，由于每个信道的延迟不同，接收到的信号是一系列脉冲，因此接收到的信号波形更宽比原始脉冲导致ISI.

（2）频率扩展

由于移动用户和基站的相对运动，每个多径都会发生明显的频率运动，从而导致时间选择衰落，即信号幅度随时间变化.

（3）角度扩展

角度扩展是指多径信号到达天线阵列的入射角的扩大，导致空间选择性衰落，即信号幅度与天线的位置有关.

2. 多址干扰

同时，在CDMA无线通信系统中，所有小区的用户使用相同的时隙和频带，用户接入基站的上行链路通常是异步的，即每个基站的到达时间用户代码字不一样. 由于非正交传输码字和多径效应的影响，接收机从其他用户接收到多个接入干扰信号. 在严重的情况下，它将导致“远近效应”，从而限制CDMA系统的容量或无法正常工作.

因此，由延迟扩展引起的ISI，由角度扩展引起的深空衰落以及来自同一小区和相邻小区的MAI是影响CDMA系统性能的极其重要的问题. 基于智能天线的时空处理技术和空间分集接收技术可用于减少ISI，MAI并抵抗空间选择性衰落. 这两种技术之间的差异还体现在它们如何克服这些干扰.

3. 时空通道模型

经典信道模型仅考虑接收信号的功率和多普勒频谱分布，并假设信号到达方向（DOA）遵循大于0且小于或等于2π的均匀分布. 该信道模型不能反映无线信道中传输信号的角度扩展特性.

但是，智能天线和空间分集接收技术的实现完全取决于天线接收到的信号之间的相关性，因此有必要专门分析通过无线通信信道发送的信号的空间特性如何影响天线的性能. 天线阵列系统的性能. 有必要建立一个时空信道模型. 圆盘散射模型表明，接收信号在不同空间点的包络线的相关性与信号的空间特性有关.

4. 不同环境下的频道特征

信号在不同环境（农村和郊区，城市，购物中心或室内环境等）中具有不同的延迟扩展，频率扩展和角度扩展，并且接收信号的空间相关性由天线阵列确定. 确定信号的角度扩展，可以设计基于智能天线和空间分集接收技术的时空处理接收机.

（1）农村和郊区

基站天线通常位于非常高的塔或山顶上，比一般建筑物或其他建筑物高，并且可以提供视线传输. 发射的信号在被移动站和远程散射体附近的物体散射或反射后，主要到达基站. 在这种环境下，存在一定的时延扩展，并且基站的多径分量被限制在较小的角度区域.

（2）城市

在人口稠密的市区中，无论是在基站附近还是在移动站附近，都有许多建筑物或障碍物，并且通常没有视线传输. 发射信号通过多条路径到达，延迟扩展和角度扩展非常严重.

（3）购物中心或室内环境

基站天线通常安装在建筑物中. 因为室内有很多物体，所以基站接收的信号同时被基站和移动站附近的物体散射. 接收信号的角度扩展非常严重多天线分集接收技术，但没有明显的延迟扩展.

第二，智能天线和空间分集接收技术

基于以上分析，本文从七个方面对智能天线和空间分集接收技术进行了比较.

1. 基本原则

智能天线使用到达天线阵列的信号之间的完全相关性来形成天线方向图. 根据基站接收到的信号的DOA密度，实时调整天线方向图，以使天线的主波束与用户信号的到达方向对齐，旁瓣和零点对齐与干扰信号的到达方向有关. 由于诸如多径结构和移动用户所处的物理环境等因素的差异，理想信号和干扰信号通常具有不同的DOA. 智能天线利用这种空间相位特性来分离具有相似频率但具有不同DOA的信号.

2. 数组结构

智能天线通过反馈控制连续调整天线方向图. 阵列元件的间距通常为12波长，因为太大的阵列元件间距会降低接收信号之间的相关性，因此在方向图不必要的旁瓣上会形成太小的间距.

在空间分集接收系统中，天线元件之间的间隔必须为多个波长，以确保到达天线阵列每个元件的信号不相关.

3. 抑制干扰的方法

智能天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道. 在有限的方向区域内接收信号可以有效地减少MAI和理想用户以及其他用户接收的多径信号的数量，从而实质上增加了的输入信号的干扰噪声比（SINR），从而提高了系统容量和接收质量.

多样性接收技术并未显着减少作为智能天线的MAI的数量. 它只是在空间中组合多个不相关的信号副本，使用各种组合标准来确定加权系数，并使接收端的SINR最大化. 该错误是最小的，总体上抑制了MI和ISI.

4. 抑制干扰数量

在智能天线系统中，M个天线可以形成（M-1）个零位，这可以消除多达（M-1）个干扰信号. 而且，当干扰数量远远超过天线数量时，天线阵列将无法有效地形成波束对准有用信号.

天线接收分集是通过分集组合技术来抑制多径干扰和MAI的整体，以最大程度地提高系统的输出SINR. 因此，当干扰数量远大于天线数量时，也可以获得更好的结果.

5. DOA信息

在空间分集接收系统中，由于不需要形成定向模式来对准有用信号，因此不需要DOA信息. 但是，到达天线阵列的信号的DOA信息在智能天线技术中非常重要. 因此，DOA估算是非常关键的技术问题.

6. 主要缺点

在人口稠密的城市地区，存在大量的多径传输. 这时，天线阵列将从同一用户的不同方向接收相干信号. MUSC和ESPRIT算法无法区分接收信号的到达方向. 因此，在多径丰富的情况下，不能使用MUSIC和ESPRIT算法来估算DOA智能天线系统.

分集接收实际上是一种单用户接收技术，它通过增加空间和时间分集的顺序来增加分集增益. 但是，当功率控制误差很大时，接收机可能正在接收干扰信号而不是有用信号，从而导致严重的“远近效应”.

7. 适用场合

在不同空间点接收到的信号包络的相关性将决定所使用的时空处理技术. 通常，大角度扩展和增加天线阵列的单位间隔将减小天线接收的信号之间的相关性. 在这种情况下，应使用天线阵列的空间分集接收技术. 当角度扩展较小且用户数量较少时，应使用它. 智能天线技术.

在平坦的有效区域和乡村环境中，多径分量很少，干扰用户也不多，因此天线阵列单元与接收信号具有很强的相关性. 此时，可以使用智能天线技术来形成主瓣以对准用户，从而在干扰方向上形成零点. 分集接收技术更适合多路径的城市，购物中心或室内环境.

三，结论

本文分析了信道的时空传输特性以及CDMA系统的主要问题，给出了智能天线的工作原理和空间分集接收技术以及两者之间的区别. 智能天线技术主要用于干扰用户少，角度扩展不大的场合. 它利用接收信号之间的相关性来自适应地形成波束以在有限的方向上接收信号，从而减少了干扰和多径信号，从而抑制了MAI和ISI；使用MUSIC和ESPRIT方法进行DOA估计的智能天线不能在具有丰富多径的应用中使用. 空间接收分集技术适用于角度扩展较大的场合. 合并不相关的接收信号以抑制空间选择性衰落不会减少MAI和多径信号的数量. 系统的SINR.

----《通讯世界新闻》

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