智能天線在JT-SA MIMO-OFDM系統(tǒng)的應(yīng)用

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向DOA（Direction of Arrinal），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線潛在的性能效益表現(xiàn)在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數(shù)據(jù)速率、抑制干擾、減少遠(yuǎn)近效應(yīng)、減小中斷概率、改善BER（Bit Error Rate）性能、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區(qū)切換、擴大小區(qū)覆蓋范圍、靈活的小區(qū)管理、延長移動臺電池壽命、以及維護(hù)和運營成本較低，等等。

將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)能有效克服多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現(xiàn)信號傳輸?shù)母叨瓤煽啃裕黾酉到y(tǒng)容量，提高頻譜利用率。

本文深入研究了基于智能天線的多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)下的JT技術(shù)（簡稱JT-SA MIMO-OFDM）。通過在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真，驗證了JT-SA MIMO-OFDM方案比JT MIMO方案在系統(tǒng)誤比特率方面具有更優(yōu)越的性能。

1 系統(tǒng)模型及數(shù)據(jù)發(fā)送算法

圖1給出了JT-SA MIMO-OFDM系統(tǒng)模型?；诖讼到y(tǒng)模型的數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法的原理是首先在基站將發(fā)送給移動終端的數(shù)據(jù)串并變換后進(jìn)行OFDM調(diào)制，然后進(jìn)行聯(lián)合發(fā)送，基站發(fā)送天線采用智能天線下行波束形成技術(shù)，移動終端將經(jīng)過匹配濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM解調(diào)后再進(jìn)行并串變換即可得到檢測后的數(shù)據(jù)。

假定一個基站服務(wù)K個移動終端，每個移動終端采用KM元天線陣列，基站采用KB元天線陣列，基站為每個移動終端發(fā)送L個數(shù)據(jù)符號：

2 權(quán)向量的確定

TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)[2]（簡稱3G），自1998年正式向ITU（國際電聯(lián)）提交以來，已經(jīng)歷十多年的時間，完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、ITU認(rèn)可并發(fā)布、與3GPP（第三代伙伴項目）體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而使TD-SCDMA[3]標(biāo)準(zhǔn)成為第一個由中國提出的，以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。這是我國電信史上重要的里程碑。（注：3G共有4個國際標(biāo)準(zhǔn)，另外3個是美國主導(dǎo)的CDMA2000、WiMAX和歐洲主導(dǎo)的WCDMA.）

由于TD-SCDMA是時分雙工的移動通信系統(tǒng)，其上行信道與下行非常接近，因此可以用上行時隙訓(xùn)練序列估計得到的信道沖激響應(yīng)作為下行鏈路的預(yù)計值，由此得到天線權(quán)值。

本文智能天線下行波束形成準(zhǔn)則采用最小均方誤差準(zhǔn)則（MMSE），要求輸出信號y（k）與本地期望信號b（k）的均方誤差最小，尋求最佳權(quán)亦即解如下優(yōu)化問題：

C(k)=C■…C■■ (12)

4 仿真結(jié)果與結(jié)論

本文對上述模型就TD-SCDMA系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系統(tǒng)參數(shù)如下：碼片速率1.28 Mchip/s,載波頻率2 GHz,采樣頻率8 000 Hz.擴頻碼為OVSF碼，擴頻因子Q=16,基站發(fā)送天線數(shù)為KB,用戶數(shù)為K,每用戶的接收天線數(shù)為KM,FFT的長度是256點，信號映射采用QPSK調(diào)制。信道為基于Clarke模型的四徑Rayleigh衰落信道，信道沖激響應(yīng)有效長度W=4,基站采用最大似然算法估計信道沖激響應(yīng)，并作為下行發(fā)送的信道矩陣。信道模型采用3GPP中TD-SCDMA的多徑衰落信道情況3的參數(shù)[6]:速度120 km/h,相對時延[0 781 1 563 2 344] ns,平均功率[0 -3 -6 -9] dB.

圖2給出了當(dāng)基站發(fā)送天線數(shù)和每用戶的接收天線數(shù)都為2且用戶數(shù)為16時，JT MIMO與JT-SA MIMO-OFDM誤比特率性能仿真結(jié)果。從仿真圖上可以看出，JT-SA MIMO-OFDM方案比JT-SA方案在系統(tǒng)誤比特率性能上有明顯的改善。如誤比特率為10-2時，JT-SA MIMO-OFDM相比JT MIMO有近1.5 dB的增益。隨著信噪比的增大，系統(tǒng)誤比特率性能改善更為顯著。

圖3給出了用戶數(shù)不同對多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術(shù)性能的影響。可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術(shù)的系統(tǒng)性能有所下降。

本文成功地將傳統(tǒng)JT技術(shù)和SA技術(shù)擴展到多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中。給出了多用戶MIMO-OFDM下行鏈路模型，研究了數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法。通過在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真表明多用戶MIMO-OFDM的JT-SA技術(shù)可以獲得比多用戶MIMO的JT技術(shù)更好的系統(tǒng)誤比特率性能。說明多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)下的智能天線聯(lián)合發(fā)送方案具有良好的應(yīng)用價值。