（毕业论文62页、29038字）摘要：智能天线采用的空分多址SDMA（Space Division Multiple Access）技术充分利用了有限的信道资源，显著地扩大了系统的容量，并有效地提高了频谱的利用效率。因此，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。
本文首先简要介绍了智能天线原理在TD-SCDMA系统中的实现情况，并结合智能天线物理特性，TD-SCDMA智能天线相关仿真数据和典型现场测试实例，对TD-SCDMA 系统智能天线技术的原理、实现及功能验证进行了分析。从智能天线的功能和对网络的影响出发，阐述了在不同规划阶段，如何利用规划工具实现智能天线的功能模拟。
针对TD-SCDMA天馈系统的特殊性，研究了天馈系统及相关射频器件的性能指标，对整个天馈系统的工程设计及注意事项进行了探讨，对TD-SCDMA天馈系统存在的问题给出了一些改进建议。

关键词：智能天线；TD-SCDMA；仿真；工程设计

TD-SCDMA Smart Antenna System Principles and the implementation of the project

Abstract：Smart antenna, which uses the SDMA( Space Division Multiple Access) technology as its basic feature, use the limited channel resources thoroughly, and amplifies the system capacity obviously. Besides this, it also improves the efficiency of frequency usage. Therefore, smart antenna has become one of the most attractive technologies in the field of mobile communication.
In this paper, the realize situation of the smart antenna theory in TD-SCDMA(Time Division Synchronization Code Division Multiple Access) system is firstly introduced. Accompanied with the basic physical characteristics of smart antenna, relative simulation data and the field test example, an analysis about the theory, realization and function proof of the smart antenna in TD-SCDMA system has been made. Begin with this analysis; the thesis makes a discussion on how to realize the function simulation of smart antenna with the planning tools.
Secondly, according to the characteristics of TD-SCDMA antenna system, an introduction of the performance feature of the antenna system and relative radio equipment is made. Furthermore, the engineer design and the key issue of the antenna system are wholly discussed. In this discussion, the existing problems of the TD-SCDMA antenna system are listed in queue and some improvement advices are given accordingly.

Key words：Smart antenna, TD-SCDMA, Simulation, Engineer design

目  录
第1章 绪 论 1
1.1 概述 1
1.2 TD-SCDMA系统中的智能天线技术 2
1.3 本文的研究意义及基本内容 3
第2章 智能天线原理 5
2.1 智能天线的简介 5
2.2 智能天线的工作原理 6
2.2.1 基本结构 6
2.2.2 工作原理 8
2.3 智能天线的关键技术 9
2.3.1 智能化接收技术 9
2.3.2 智能化发射 9
2.3.3 动态信道分配 10
2.4 关键算法 10
2.5 技术实现 12
2.5.1 上行链路处理 13
2.5.2 下行链路处理 13
第3章 智能天线技术在TD-SCDMA系统中的实现 15
3.1 智能天线对TD-SCDMA系统的性能改善 15
3.1.1 提高接收机的灵敏度 15
3.1.2 提高基站发射机的等效发射功率 16
3.1.3 降低系统的干扰 16
3.1.4 改进小区覆盖 17
3.1.5 增加系统容量 19
3.1.6 降低了无线基站的成本 21
3.2 TD-SCDMA系统智能天线性能仿真 22
3.2.1 仿真软件介绍——Atoll 22
3.2.2 仿真环境 23
3.2.3 天线介绍 24
3.2.4 性能评估 25
3.3 仿真案例： 29
3.3.1 项目背景 29
3.3.2 设计指标及系统参数取定 30
3.3.3 链路预算 30
3.3.4 无线接入网建设方案 33
3.3.5 网络仿真分析 36
3.3.6 仿真结果 38
3.3.7 网络性能统计 40
3.4 TD-SCDMA系统智能天线工程设计及实施 41
3.4.1 智能天线的选择 41
3.4.2 馈线和塔放的选择 42
3.4.3 天馈系统的工程设计 43
3.4.4 天溃系统工程安装 44
第4章 展望与总结 51
4.1 智能天线技术展望 51
4.2 论文总结 52
致    谢 53
参考文献 54
附录1 55
附录2 57

 
第1章 绪 论
1.1  概述
智能天线是一种智能化的天线形式，随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分多址SDMA（Space Division Multiple Access）技术，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量收到严重影响。采用智能天线可以有效地解决这个问题。
智能天线技术是一种伸缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达基站收发信设备（BTS）前可能经历了较长的传播途径，有较大的路径损耗（Path Loss），为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。
而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，零陷对准主要的干扰信号，从而更有效的抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，同时支持更多的用户（在CDMA系统中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。
智能天线可以用于基站端，也可用于移动终端。
用于基站端的智能天线是一种由多个天线阵元组成的阵列天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户的移动而移动。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积，或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境和用户和基站的最佳空间匹配通信。
用于移动终端的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电磁波对人体的伤害。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，这样可以为用户提供定位服务，如导航、紧急求助等。天线的空间分集可以克服快衰落，显著提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。
移动通信信道传输环境恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间干扰，FDMA、TD-SCDMA系统（如GSM）由于频率复用引入的同信道干扰，CDMA系统中的多址干扰（MAI）等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号及其时延样本（Delay Version）和干扰信号，在时、频域存在差异的同时，在空域上波达方向也存在差异，天线分集（Antenna Diversity）、特别是扇形天线（Sector Antenna），可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它则可以采用智能天线技术。
采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地利用移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种频分、时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即智能天线广泛适用于各种系统。
1.2  TD-SCDMA系统中的智能天线技术
TD-SCDMA系统使用了智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、同步CDMA技术等有助于提高系统性能的关键技术，而智能天线技术是其中的核心技术。
TD-SCDMA系统智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性。并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。以TDD模式运行的TD-SCDMA系统智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。
为了取得最高的频谱效率，集智能天线和联合检测相结合的TD-SCDMA的系统设计正向由DSP控制的系统最优化迈进。这两个技术为移动通信系统的软件最优化设计奠定了基础。并且TD-SCDMA系统的智能天线的应用对所有的3G业务都有效。
具体而言，在TD-SCDMA系统的基本结构中，智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得8dB的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP方法使主瓣自适应地指向移动台方向，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。
CDMA技术的一大特性是大多数用户信号可在相同的时间和相同的载波上平行的传送。然而，考虑到移动无线多点到点的用户中，每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在移动环境下，每一独立的方向系统都必须可以跟踪个别的用户。
通过DSP控制用户的方向测量使上述要求可以实现，并允许对大量独立的用户同时进行计算。每用户的跟踪通过到达角进行测量，在TD-SCDMA系统中，由于无线子帧的长度是5ms,则至少每秒可测量200次，每用户的上下行传输发生在相同的方向，通过智能天线的方向性和跟踪性，可获得其最佳的性能。
TDD模式的TD-SCDMA的进一步的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。因此，方向性智能天线呈现完全相同的双向天线图，因此在两个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的。对称性(TDD)可使得智能天线能将小区间干扰降至最低，从而获得最佳的系统性能。
通过智能天线获得的较高的频谱利用率，使高业务密度城市和城区所要求的基站数量相应地变得较低。此外，在业务量稀少的乡村，智能天线的方向性可使无线覆盖范围增加一倍。无线覆盖范围的增长使得在主要业务覆盖的宽广地区，所需的基站数量降至通常情况的1/4。
因此，TD-SCDMA中智能天线的应用是高经济系统设计的重要部分,可降低运营商投资和提高其经济收益。带有智能天线，联合检测和具有对称和非对称业务的自适应无线资源分配能力的TD－SCDMA技术的先进设计是迈向软件无线电的重要的一步。
1.3  本文的研究意义及基本内容
移动通信迅速发展给系统带来的容量压力，使得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视。智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。
本论文首先介绍了智能天线的原理及概念，以及它在提高无线系统能力(容量、覆盖和新业务等)方面的应用价值。
文章的第二部分对智能天线的工作原理和技术的发展情况及其关键算法进行了描述，并通过数字信号处理的一些基本理论方法对其关键算法进行分析、验证及对比，从而指导TD-SCDMA智能天线的产品设计。
由于目前3G是我国在通信系统应用研究方面的重点，TD-SCDMA同时是由我国提出的具有自主知识产权的3G标准，则第三部分对智能天线技术在TD-SCDMA系统中的应用进行了重点讨论，采用理论分析、仿真验证等研究方法对TD-SCDMA系统智能天线的特性、特点进行详细的分析研究，进而得出在不同场景下工程实施的具体操作方案，以解决实际问题。
第四部分对本次论文所做理论分析及仿真验证进行总结并对智能天线技术发展进行展望。