智能天线对SCDMA无线接入系统性能的影响
|
摘要
近年来，无线接入系统得到了迅速的发展，用户数目极快的增长起来，同时用户对无线服务的质量、业务种类以及数据传输速率的要求也越来越高，如何更加有效的使用有限的频谱资源成为一个亟待解决的难题。SCDMA无线接入系统是一种全新的无线接入系统，它采用智能天线等新技术作为解决上述难题的有效手段。由于国际电信联盟(ITU)采用TD-SCDMA标准作为第三代移动通信的国际三大标准之一，因此以TDD模式工作的SCDMA无线接入系统代表着未来通信技术发展的方向。
本文基于SCDMA无线接入系统，对智能天线技术做了详细的介绍，并且着重讨论了智能天线系统对SCDMA无线接入系统容量的影响。
在对两大类智能天线系统的介绍中，本文首先讨论了一种以改进的Butler网络实现波束赋形的多波束切换系统，推导了该天线阵的馈电模型并给出了仿真结果；然后，本文对智能天线波束形成算法进行了比较，总结了不同算法的优缺点，并给出具有代表性的算法描述与仿真。
为了具体计算智能天线对系统容量的提高，本文建立了一个系统分析模型分别对无线传播模型、干扰模型等进行了假设，并详细推导和计算了在该模型下SCDMA无线接入系统的容量。分析结果符合SCDMA无线接入系统的实际工作情况。同时为了表述智能天线系统的优越性，本文还给出了当基站使用其它天线系统时，系统容量的变化，并给出了比较结果。
鉴于目前有关SCDMA无线接入系统性能分析的文献资料并不多，因此本文所做的工作十分有意义。
During the past years, Wireless Access Network has made a great progress. The number of the subscribers has been increasing rapidly, at the same time, there is a great demand for higher quality service, more kinds of wireless services and much higher data rate service. Therefore, how to use the precious wireless resources efficiently has become an urgent problem. SCDMA Wireless Access Network, the newborn wireless communication system, uses many up-to-date techniques, such as Smart Antennas, to solve the problem. Since TD-SCDMA proposal is one of third-generation telecommunication standard in the world, so the SCDMA access system which working at TDD mode represents the future communication business development.
In this thesis, we introduce the Smart Antennas and mainly examine the performance enhancements that can be achieved by employing SA in SCDMA wireless access system.
In the part of introduction of Smart Antennas, we discuss the Switched-Beam Arrays realizing by mending Butler Network at first. Then we compare the different beam forming algorithms in SA. Simulations of the beam forming are given in each discuss.
In order to examine the enhancements of capacity by employing Smart Antennas, we set up a system-analyzing model, which includes the propagation waste model and interference model. According to the models, we study the capacity of SCDMA system. The simulations and analytical results are reasonable. In the paper, we also discuss the performances by employing different antenna systems. The conclusion shows that the Smart Antennas at the base station can dramatically improve the system performance.
Since there is a lack of the researches on performance in SCDMA wireless access network, so the study of the paper is very necessary.
本文基于SCDMA无线接入系统，对智能天线技术做了详细的介绍，并且着重讨论了智能天线系统对SCDMA无线接入系统容量的影响。
在对两大类智能天线系统的介绍中，本文首先讨论了一种以改进的Butler网络实现波束赋形的多波束切换系统，推导了该天线阵的馈电模型并给出了仿真结果；然后，本文对智能天线波束形成算法进行了比较，总结了不同算法的优缺点，并给出具有代表性的算法描述与仿真。
为了具体计算智能天线对系统容量的提高，本文建立了一个系统分析模型分别对无线传播模型、干扰模型等进行了假设，并详细推导和计算了在该模型下SCDMA无线接入系统的容量。分析结果符合SCDMA无线接入系统的实际工作情况。同时为了表述智能天线系统的优越性，本文还给出了当基站使用其它天线系统时，系统容量的变化，并给出了比较结果。
鉴于目前有关SCDMA无线接入系统性能分析的文献资料并不多，因此本文所做的工作十分有意义。
During the past years, Wireless Access Network has made a great progress. The number of the subscribers has been increasing rapidly, at the same time, there is a great demand for higher quality service, more kinds of wireless services and much higher data rate service. Therefore, how to use the precious wireless resources efficiently has become an urgent problem. SCDMA Wireless Access Network, the newborn wireless communication system, uses many up-to-date techniques, such as Smart Antennas, to solve the problem. Since TD-SCDMA proposal is one of third-generation telecommunication standard in the world, so the SCDMA access system which working at TDD mode represents the future communication business development.
In this thesis, we introduce the Smart Antennas and mainly examine the performance enhancements that can be achieved by employing SA in SCDMA wireless access system.
In the part of introduction of Smart Antennas, we discuss the Switched-Beam Arrays realizing by mending Butler Network at first. Then we compare the different beam forming algorithms in SA. Simulations of the beam forming are given in each discuss.
In order to examine the enhancements of capacity by employing Smart Antennas, we set up a system-analyzing model, which includes the propagation waste model and interference model. According to the models, we study the capacity of SCDMA system. The simulations and analytical results are reasonable. In the paper, we also discuss the performances by employing different antenna systems. The conclusion shows that the Smart Antennas at the base station can dramatically improve the system performance.
Since there is a lack of the researches on performance in SCDMA wireless access network, so the study of the paper is very necessary.
引文
[1]Khurram Sheikh, Dhananjay Gore, "Smart Antennas for Broadband Wireless Access Networks," IEEE Communications Magazine, November 1999, 100～105
[2]Helmut Bolcskei, Arogyaswami J. Paulraj, K. V. S. Hari, and Rohit U. Nabar, "Fixed Broadband Wireless Access: State of the Art, Challenges, and Future Directions," IEEE Communication Magazine, January 2001, 100～108
[3]Carl B. Dietrich, Jr., Warren L. Stutzman, Byung-Ki Kim, and Kai Dietze, "Smart Antennas in Wireless Communications: Base-Station Diversity and Handset Beamforming," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 42, No. 5, October 2000, 142～151
[4]刘元安，翟明岳等编著《宽带无线接入和无线局域网》，北京邮电大学出版社，2000年11月第一版
[5]吴文昱，宋俊德，王文野，续大我编著《无线接入技术原理与应用》，人民邮电出版社，1996年9月第一版
[6]谢显中，李世鹤，陈卫，“SCDMA无线接，入系统”，数字通信，1998年第4期，28～30
[7]傅炳芳，“SCDMA技术在无线接入系统中的应用”，黑龙江通信技术，1998年9月第3期，19～21
[8]Xiong P."The Development of Mobile Communication in China Present and Future"
[9]向卫东，姚彦，“智能天线及其在无线通信中的应用”微波与卫星通信，1999年第2期，7～11
[10]肖炜丹，楼喆，张曙，“智能天线综述”哈尔滨工程大学学报，2000年12月，第21卷第6期，51～56
[11]张洪达，“GSM系统的基站分系统”电信科学，1994年8月，第10卷第8期，32～40
[12]翟文军，“IS-95A CDMA移动通信基站子系统”电信科学，2002年第2期，34～36
[13]John Litva, Titus Kwok-Yeung Lo, "Digital Beamforming In Wireless Communications", 1996 ARTECH HOUSE, INC
[14] (美)Joseph C.Liberti,Theodore S.Rappaort著，马凉等译《无线通信中的智能天线——IS-95和第3代CDMA应用》 机械工业出版社，2002年8月第一版
[15] 吴伟陵，《移动通信中的关键技术》，北京邮电大学出版社，2000年11月第一版
[16] 曹志刚，钱亚生．《现代通信原理[M]．》北京：清华大学出版社．1992
[17] Widrow B, Mantey P E. "Adaptive Antenna Systems[J]. "Proceeding of IEEE,1967, 55(12): 2143～2159.
[18] Naguib A F, Paulraj A, Kailath T. "Capacity Improvement with Base-Station Antenna Arrays in Cellular CDMA[J]." IEEE Transaction on Vehicle Technology,1994, 43(3): 691～697.
[19] 郭梯云，邬国扬，李建东 《移动通信(修订版)》，西安电子科技大学出版社，2000年5月修订版
[20] 沈福民．《自适应信号处理[M]．》 西安：西安电子科技大学出版社，2001．
[21] Haykin S. "Adaptive Filter Theory[M]." NewYork: Prentice Hall PTR, 1991.
[22] Horowitz L J, Blatt H, Brodsky W G, et al. "Controlling adaptive antenna arrays with the sample matrix inversion algorithm[J]. "IEEE Transaction on Aerospace Electronic System. 1979, AES-15.
[23] 康行健，《天线原理与设计》，国防工业出版社，1995年11月第1版
[24] 杨煜，冯正和，“用改进的Bulter矩阵实现固定多波束面天线”微波学报，2000年9月，第16卷第3期，237～241
[25] 张熙瑜，杨峰，聂在平，“一种八单元圆环阵实现多波束的方法” 电子科技大学学报，2002年10月，第31卷第五期，465～469
[26] 朱明华，刘元安，吴惠兰，“基于不同天线阵列的移动通信系统下行波束设计” 北京邮电大学学报，2002年6月，第25卷第21期，57～62
[27] (韩)Man Young Rhee著，袁超伟等译 《CDMA蜂窝移动通信与网络安全》，电子工业出版社，2002年5月第1版
[28] 王文博等编著 《时分双工CDMA移动通信技术》，北京邮电大学出版社，2001年3月第1版
[29] (美)Kyoung Il Kim编著，刘晓宇，杜志敏译《CDMA系统设计与优化》，人民邮电出版社，2000年12月第1版
[30] (美)Henry L.Bertoni著，顾金星，南亲良，王尔为等译，徐承和 审校 《现代无线通信系统电波传播》 电子工业出版社，2002年8月第1版
[31] A.Mawira, "Models for the spatial correlation functions of the (Log)-Normal component of the variability of VHF\UHF field strength in Urban environment," IEEE Press, New York, 1992, 436～440
[32] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort, "Reverse Channel Performance Improvements in CDMA Cellular Communication Systems Employing Adaptive Antennas, " 4th WINLAB Workshop on Third Generation Wireless Information Networks, East Brunswick, NJ, Oct. 1993, 42～47
[33] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort, "Analytical Result for Capacity Improvements in CDMA," IEEE Transactions On Vehicular Technology, Vol.43, No.3, August 1994, 680～690
[34] 王大庆，张惠民，吴伟陵，“CDMA系统采用自适应天线阵列技术——接收准则及容量的研究” 北京邮电大学学报，1997年6月第20卷第2期，36～41
[35] 朱明华，刘安元，“基于智能天线的移动通信系统容量分析”北京邮电大学学报，2002年3月，第25卷第1期，48～52
[36] 杨光，杨大成，马亚宁，“CDMA系统下行链路容量研究”电子学报，2002年1月第30卷第1期，9～13
[37] 封建湖，车刚明，聂玉峰，《数值分析原理》，科学出版社，2001年第一版
[38] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort "A Geometrically Based Model for Line-of Sight Multipath Radio Channels [C]." IEEE Conference on Vehicle Technology. 1996, April: 844～848.
[39] “SWAN3000——SCDMA无线宽带接入技术方案”，北京信威通信技术有限公司
[40] 吴群英，肖先赐，李世鹤．“TD-SCDMA上行链路智能天线的效益[J]．”信号处理．2002，18(1)：28～31．
[41] 李少斌，景锋，谢显中，林金朝，“TD-SCDMA相邻小区下行链路干扰分析与仿真”，重庆邮电学院学报，2002年12月，第14卷第4期，15～18
[42] 3GPP TS 25.221 V4.3.0. "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels(TDD)[S]." 2001-12 December
[43] 3GPP TS 25.223 V4.3.0. "Spreading and Modulation(TDD) [S]. " 2001-12 December
[2]Helmut Bolcskei, Arogyaswami J. Paulraj, K. V. S. Hari, and Rohit U. Nabar, "Fixed Broadband Wireless Access: State of the Art, Challenges, and Future Directions," IEEE Communication Magazine, January 2001, 100～108
[3]Carl B. Dietrich, Jr., Warren L. Stutzman, Byung-Ki Kim, and Kai Dietze, "Smart Antennas in Wireless Communications: Base-Station Diversity and Handset Beamforming," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 42, No. 5, October 2000, 142～151
[4]刘元安，翟明岳等编著《宽带无线接入和无线局域网》，北京邮电大学出版社，2000年11月第一版
[5]吴文昱，宋俊德，王文野，续大我编著《无线接入技术原理与应用》，人民邮电出版社，1996年9月第一版
[6]谢显中，李世鹤，陈卫，“SCDMA无线接，入系统”，数字通信，1998年第4期，28～30
[7]傅炳芳，“SCDMA技术在无线接入系统中的应用”，黑龙江通信技术，1998年9月第3期，19～21
[8]Xiong P."The Development of Mobile Communication in China Present and Future"
[9]向卫东，姚彦，“智能天线及其在无线通信中的应用”微波与卫星通信，1999年第2期，7～11
[10]肖炜丹，楼喆，张曙，“智能天线综述”哈尔滨工程大学学报，2000年12月，第21卷第6期，51～56
[11]张洪达，“GSM系统的基站分系统”电信科学，1994年8月，第10卷第8期，32～40
[12]翟文军，“IS-95A CDMA移动通信基站子系统”电信科学，2002年第2期，34～36
[13]John Litva, Titus Kwok-Yeung Lo, "Digital Beamforming In Wireless Communications", 1996 ARTECH HOUSE, INC
[14] (美)Joseph C.Liberti,Theodore S.Rappaort著，马凉等译《无线通信中的智能天线——IS-95和第3代CDMA应用》 机械工业出版社，2002年8月第一版
[15] 吴伟陵，《移动通信中的关键技术》，北京邮电大学出版社，2000年11月第一版
[16] 曹志刚，钱亚生．《现代通信原理[M]．》北京：清华大学出版社．1992
[17] Widrow B, Mantey P E. "Adaptive Antenna Systems[J]. "Proceeding of IEEE,1967, 55(12): 2143～2159.
[18] Naguib A F, Paulraj A, Kailath T. "Capacity Improvement with Base-Station Antenna Arrays in Cellular CDMA[J]." IEEE Transaction on Vehicle Technology,1994, 43(3): 691～697.
[19] 郭梯云，邬国扬，李建东 《移动通信(修订版)》，西安电子科技大学出版社，2000年5月修订版
[20] 沈福民．《自适应信号处理[M]．》 西安：西安电子科技大学出版社，2001．
[21] Haykin S. "Adaptive Filter Theory[M]." NewYork: Prentice Hall PTR, 1991.
[22] Horowitz L J, Blatt H, Brodsky W G, et al. "Controlling adaptive antenna arrays with the sample matrix inversion algorithm[J]. "IEEE Transaction on Aerospace Electronic System. 1979, AES-15.
[23] 康行健，《天线原理与设计》，国防工业出版社，1995年11月第1版
[24] 杨煜，冯正和，“用改进的Bulter矩阵实现固定多波束面天线”微波学报，2000年9月，第16卷第3期，237～241
[25] 张熙瑜，杨峰，聂在平，“一种八单元圆环阵实现多波束的方法” 电子科技大学学报，2002年10月，第31卷第五期，465～469
[26] 朱明华，刘元安，吴惠兰，“基于不同天线阵列的移动通信系统下行波束设计” 北京邮电大学学报，2002年6月，第25卷第21期，57～62
[27] (韩)Man Young Rhee著，袁超伟等译 《CDMA蜂窝移动通信与网络安全》，电子工业出版社，2002年5月第1版
[28] 王文博等编著 《时分双工CDMA移动通信技术》，北京邮电大学出版社，2001年3月第1版
[29] (美)Kyoung Il Kim编著，刘晓宇，杜志敏译《CDMA系统设计与优化》，人民邮电出版社，2000年12月第1版
[30] (美)Henry L.Bertoni著，顾金星，南亲良，王尔为等译，徐承和 审校 《现代无线通信系统电波传播》 电子工业出版社，2002年8月第1版
[31] A.Mawira, "Models for the spatial correlation functions of the (Log)-Normal component of the variability of VHF\UHF field strength in Urban environment," IEEE Press, New York, 1992, 436～440
[32] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort, "Reverse Channel Performance Improvements in CDMA Cellular Communication Systems Employing Adaptive Antennas, " 4th WINLAB Workshop on Third Generation Wireless Information Networks, East Brunswick, NJ, Oct. 1993, 42～47
[33] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort, "Analytical Result for Capacity Improvements in CDMA," IEEE Transactions On Vehicular Technology, Vol.43, No.3, August 1994, 680～690
[34] 王大庆，张惠民，吴伟陵，“CDMA系统采用自适应天线阵列技术——接收准则及容量的研究” 北京邮电大学学报，1997年6月第20卷第2期，36～41
[35] 朱明华，刘安元，“基于智能天线的移动通信系统容量分析”北京邮电大学学报，2002年3月，第25卷第1期，48～52
[36] 杨光，杨大成，马亚宁，“CDMA系统下行链路容量研究”电子学报，2002年1月第30卷第1期，9～13
[37] 封建湖，车刚明，聂玉峰，《数值分析原理》，科学出版社，2001年第一版
[38] Joseph C. Liberti, Theodore S. Rappaort "A Geometrically Based Model for Line-of Sight Multipath Radio Channels [C]." IEEE Conference on Vehicle Technology. 1996, April: 844～848.
[39] “SWAN3000——SCDMA无线宽带接入技术方案”，北京信威通信技术有限公司
[40] 吴群英，肖先赐，李世鹤．“TD-SCDMA上行链路智能天线的效益[J]．”信号处理．2002，18(1)：28～31．
[41] 李少斌，景锋，谢显中，林金朝，“TD-SCDMA相邻小区下行链路干扰分析与仿真”，重庆邮电学院学报，2002年12月，第14卷第4期，15～18
[42] 3GPP TS 25.221 V4.3.0. "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels(TDD)[S]." 2001-12 December
[43] 3GPP TS 25.223 V4.3.0. "Spreading and Modulation(TDD) [S]. " 2001-12 December