智能天线在JT-SA MIMO-OFDM系统的应用

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。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA（Direction of Arrinal），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善BER（Bit Error Rate）性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低，等等。

将MIMO技术与OFDM技术相结合的MIMO-OFDM系统能有效克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，增加系统容量，提高频谱利用率。

本文深入研究了基于智能天线的多用户MIMO-OFDM系统下的JT技术（简称JT-SA MIMO-OFDM）。通过在TD-SCDMA系统应用环境中的仿真，验证了JT-SA MIMO-OFDM方案比JT MIMO方案在系统误比特率方面具有更优越的性能。

1 系统模型及数据发送算法

图1给出了JT-SA MIMO-OFDM系统模型。基于此系统模型的数据发送及检测算法的原理是首先在基站将发送给移动终端的数据串并变换后进行OFDM调制，然后进行联合发送，基站发送天线采用智能天线下行波束形成技术，移动终端将经过匹配滤波后的数据进行OFDM解调后再进行并串变换即可得到检测后的数据。

假定一个基站服务K个移动终端，每个移动终端采用KM元天线阵列，基站采用KB元天线阵列，基站为每个移动终端发送L个数据符号：

2 权向量的确定

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准[2]（简称3G），自1998年正式向ITU（国际电联）提交以来，已经历十多年的时间，完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP（第三代伙伴项目）体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD-SCDMA[3]标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。（注：3G共有4个国际标准，另外3个是美国主导的CDMA2000、WiMAX和欧洲主导的WCDMA.）

由于TD-SCDMA是时分双工的移动通信系统，其上行信道与下行非常接近，因此可以用上行时隙训练序列估计得到的信道冲激响应作为下行链路的预计值，由此得到天线权值。

本文智能天线下行波束形成准则采用最小均方误差准则（MMSE），要求输出信号y（k）与本地期望信号b（k）的均方误差最小，寻求最佳权亦即解如下优化问题：

        C(k)=C■…C■■       (12)

4 仿真结果与结论

本文对上述模型就TD-SCDMA系统环境进行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系统参数如下：码片速率1.28 Mchip/s,载波频率2 GHz,采样频率8 000 Hz.扩频码为OVSF码，扩频因子Q=16,基站发送天线数为KB,用户数为K,每用户的接收天线数为KM,FFT的长度是256点，信号映射采用QPSK调制。信道为基于Clarke模型的四径Rayleigh衰落信道，信道冲激响应有效长度W=4,基站采用最大似然算法估计信道冲激响应，并作为下行发送的信道矩阵。信道模型采用3GPP中TD-SCDMA的多径衰落信道情况3的参数[6]:速度120 km/h,相对时延[0 781 1 563 2 344] ns,平均功率[0 -3 -6 -9] dB.

图2给出了当基站发送天线数和每用户的接收天线数都为2且用户数为16时，JT MIMO与JT-SA MIMO-OFDM误比特率性能仿真结果。从仿真图上可以看出，JT-SA MIMO-OFDM方案比JT-SA方案在系统误比特率性能上有明显的改善。如误比特率为10-2时，JT-SA MIMO-OFDM相比JT MIMO有近1.5 dB的增益。随着信噪比的增大，系统误比特率性能改善更为显着。

图3给出了用户数不同对多用户MIMO-OFDM下行链路JT-SA技术性能的影响。可以看出，随着用户数的增加，多用户MIMO-OFDM下行链路JT-SA技术的系统性能有所下降。

本文成功地将传统JT技术和SA技术扩展到多用户MIMO-OFDM系统中。给出了多用户MIMO-OFDM下行链路模型，研究了数据发送及检测算法。通过在TD-SCDMA系统应用环境中的仿真表明多用户MIMO-OFDM的JT-SA技术可以获得比多用户MIMO的JT技术更好的系统误比特率性能。说明多用户MIMO-OFDM系统下的智能天线联合发送方案具有良好的应用价值。