智能天线和空间分集接收技术

直接序列码分多址技术日益成为现代移动通信的主要接入方式，但是它的系统性能受限于无线信道的多径衰落、多址干扰（ＭＡＩ）和符号间干扰（ＩＳＩ），如何消除这些影响是提高无线通信系统性能的主要课题。

空时处理技术是当前的研究热点之一，在空间域和时间域联合处理接收信号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、减少ＭＡＩ、增加分集增益以及提高阵增益，达到的效果是单个天线的单时间处理方法无法实现的。

众所周知，均衡技术和ＲＡＫＥ接收技术可以在时间域抑制信道衰落和抵抗ＩＳＩ。均衡技术是对信道传播特性的均衡，用于抵消无线信道的时变多径传播特性造成的ＩＳＩ，适合多径信号不可分离的情况。如果接收的多径信号可以分离，则可以利用ＲＡＫＥ分集接收技术将分离的多径信号合并起来，增加分集增益。所以空时处理技术的区别主要在于空间信号处理技术。当前，描述空间处理技术的术语有智能天线、自适应天线、切换波束天线和空间分集接收技术等。

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，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、ＭＡＩ以及多径干扰信号。智能天线包括自适应天线和切换波束天线：自适应天线阵自适应地识别用户信号的到达方向，通过反馈控制方式连续调整自身的方向图；而切换波束天线则是预先确定多个固定波束，随着用户在小区中的移动，基站选择相应的使接收信号最强的波束。空间分集接收则是利用分集合并技术在空间合并多个不相关的接收信号，可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能。

智能天线和空间分集接收技术本质上是不同的，但是迄今为止却没有文献对这２种技术详细地进行过比较，甚至有文献说术语"优化合并"和"自适应波束形成"是可以互换的。所以这２种技术到底有何区别，以及如何根据通信环境选择不同的空时处理技术一直困扰着人们。

本文在这方面做了一些工作，具体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）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和基站之间的无线传播特性、空时信道模型以及不同环境的多径特性，提出了ＣＤＭＡ通信系统存在的主要问题，在此基础上分析对比了这２种空间处理技术解决问题的依据和区别，以及每种技术的适用场合。由于在移动台放置多个天线不太实际，所以本文主要从基站角度出发分析上行链路的空时处理技术。

一、问题的提出

１．无线信道传播特性

移动通信环境下的电波传播具有自由空间传播损耗、阴影衰落以及多径衰落等特点，其中多径衰落对无线信道上传输的信号有很严重的影响，电波的反射、散射和衍射使接收信号产生了时延扩展、频率（Ｄｏｐｐｌｅｒ）扩展和角度扩展。

（１）时延扩展

假设发射信号是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收到的信号为一串脉冲，因此接收信号的波形比原脉冲展宽了，造成了ＩＳＩ。

（２）频率扩展

由于移动用户与基站的相对运动，每条多径都会有一个明显的频率移动，引起时间选择性衰落，即信号幅度随着时间变化。

（３）角度扩展

角度扩展是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，产生了空间选择性衰落，即信号幅值与天线的位置有关。

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，且用户接入到基站的上行链路通常是异步的，即每个用户码字的到达时间都不相同。由于非正交的发送码字以及多径效应的影响，接收机收到很多其他用户的多址干扰信号，严重情况下会造成"远近效应"，使ＣＤＭＡ系统的容量受到限制或无法正常工作。

因此，由时延扩展引起的ＩＳＩ、角度扩展带来的空间深衰落以及来自同小区和邻近小区的ＭＡＩ是影响ＣＤＭＡ系统性能的极为重要的几个问题。基于智能天线和空间分集接收技术的空时处理技术可用于减少ＩＳＩ、ＭＡＩ和抵抗空间选择性衰落，这２种技术的区别也体现在它们是如何克服这些干扰的。

３．空时信道模型

经典的信道模型只考虑了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）服从大于０，且小于或等于２π的均匀分布，这种信道模型并不能反映信号在无线信道中传输的角度扩展特性。

但是智能天线和空间分集接收技术的实现方式完全依赖于天线接收信号之间的相关性，所以要具体分析信号通过无线通信信道传输后的空间特性是如何影响天线阵系统的性能的，就必须建立空时信道模型。圆盘散射模型（ＣＤＳＭ）说明了不同空间点上接收信号包络的相关性与信号的空间特征有关。