cdma系統(tǒng)中的遠(yuǎn)近效應(yīng)

吳永海孫甲琦郭黎利摘要：介紹了CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中目前正在使用和處于研究階段的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)技術(shù)，并對(duì)它們進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞：多址干擾，遠(yuǎn)近效應(yīng)，功率控制，多用戶檢測(cè)，自適應(yīng)檢測(cè)1CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA（碼分多址）是由多個(gè)碼分信道共享載頻信道的多址連接方式。在移動(dòng)通信、個(gè)人通信及寬帶無(wú)線接入領(lǐng)域，CDMA是最有競(jìng)爭(zhēng)力的多址連接技術(shù)。與GSM/DCS 1800相比，CDMA系統(tǒng)有其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。對(duì)運(yùn)營(yíng)者來(lái)講，CDMA系統(tǒng)頻帶利用率高，在相同帶寬下提供相同容量所需基站數(shù)少，大大降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。CDMA基站的覆蓋特性也很好，基本與模擬基站覆蓋范圍相當(dāng)。由于相鄰小區(qū)可以使用相同的頻率，因而頻率規(guī)劃變得很簡(jiǎn)單。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，CDMA系統(tǒng)具有話音質(zhì)量好、發(fā)信功率小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。CDMA通信的基礎(chǔ)是存在大量互相關(guān)性好的偽正交碼，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享同一頻段。最理想的假設(shè)是互相關(guān)值為零，但實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的，而且CDMA系統(tǒng)異步工作時(shí)，系統(tǒng)性能還要取決于部分互相關(guān)值和部分自相關(guān)值，故多址干擾始終存在。另外，加上源于多址干擾的遠(yuǎn)近效應(yīng)的存在，使得CDMA系統(tǒng)的容量和通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此，研究多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的抑制技術(shù)對(duì)CDMA系統(tǒng)的研究有著極其重要的意義。2CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的技術(shù)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)是干擾受限的系統(tǒng)，任何降低干擾和噪聲的技術(shù)的采用都能提高系統(tǒng)的容量和通信的質(zhì)量。目前采用的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的主要技術(shù)是：（1）擴(kuò)頻碼的選擇研究和設(shè)計(jì)具有互相關(guān)值低的偽隨機(jī)碼（如Walsh函數(shù)序列），在理想情況下，如果偽碼是正交的，則不存在多址干擾問(wèn)題。但是，實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)通常是工作在異步狀態(tài)，設(shè)計(jì)在任何時(shí)延情況下都正交的擴(kuò)頻碼是不可能的，只能是設(shè)計(jì)互相關(guān)值盡可能小的擴(kuò)頻碼序列。（2）功率控制CDMA技術(shù)的成功在很大程度上是依賴(lài)于功率控制技術(shù)的成功應(yīng)用。功率控制是工程中解決遠(yuǎn)近效應(yīng)的簡(jiǎn)單有效的方法。通過(guò)對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率的限制和優(yōu)化，使得所有用戶終端到達(dá)接收機(jī)具有相同的功率，從而使系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)有一定的抑制能力。功率控制由前向鏈路功率控制和反向鏈路功率控制來(lái)共同完成。前向功率控制的目的主要是通過(guò)在各個(gè)前向業(yè)務(wù)信道上合理的分配功率來(lái)確保各個(gè)用戶的通信質(zhì)量，同時(shí)使前向鏈路容量達(dá)到最大。前向功率控制是在移動(dòng)臺(tái)的協(xié)助下完成的。移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)前向傳輸?shù)恼`幀率，并向基站報(bào)告該誤幀率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?；靖鶕?jù)移動(dòng)臺(tái)報(bào)告的誤幀率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，決定增大還是減小前向傳輸功率。反向功率控制是控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，它由開(kāi)環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩部分來(lái)共同控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。開(kāi)環(huán)功率控制是移動(dòng)臺(tái)根據(jù)它收到基站的導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度，估計(jì)前向傳輸路徑的損耗，從而確定發(fā)射功率的大小。閉環(huán)功率控制是在移動(dòng)臺(tái)的協(xié)助下完成的?；窘邮找苿?dòng)臺(tái)的信號(hào)，并測(cè)量其信噪比，然后將其與一門(mén)限作為比較，若收到的信噪比大于門(mén)限值，基站就在前向傳輸信道上傳輸一個(gè)減小發(fā)射功率的命令；反之，就送出一個(gè)增加發(fā)射功率的命令。閉環(huán)功率控制可以修正反向傳輸和前向傳輸路徑增益的變化，消除開(kāi)環(huán)功率控制的不準(zhǔn)確性。但功率控制的能力和性能很大程度上依賴(lài)于功率測(cè)量的精度和功率控制命令產(chǎn)生和傳輸處理時(shí)延。另一方面，由于信號(hào)在移動(dòng)通信傳輸中呈瑞利衰落，功率控制系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償由快衰落引起的信號(hào)功率的變化，特別是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度很快時(shí)，功率控制技術(shù)會(huì)失效。盡管如此，功率控制技術(shù)仍然是一個(gè)成功的CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。（3）多用戶檢測(cè)由于多址干擾具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，在用戶間擴(kuò)頻碼的互相關(guān)系數(shù)已知的條件下，完全可以利用多址干擾的這些結(jié)構(gòu)信息（擴(kuò)頻序列相關(guān)特性，信號(hào)幅度變化，信號(hào)同步特征等），進(jìn)一步消除它的負(fù)面影響，提高系統(tǒng)的性能。針對(duì)這一點(diǎn)，S.Verdu首先提出多用戶檢測(cè)技術(shù)，它對(duì)每個(gè)用戶信號(hào)的檢測(cè)不是獨(dú)立進(jìn)行的，而是將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一組匹配濾波器后得到多個(gè)用戶的充分估計(jì)量，共同應(yīng)用于每個(gè)用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。這種多用戶檢測(cè)可以為遠(yuǎn)近效應(yīng)提供一個(gè)良好的解決途徑。因此，采用了多用戶檢測(cè)的接收機(jī)，功率控制的要求可大大降低，同時(shí)，由于多用戶檢測(cè)中的干擾消除要求可大大降低，同時(shí)，由于多用戶檢測(cè)中心的干擾消除特性，也降低了用戶碼序列間的互相性的要求。因此，盡十多年來(lái)，多用戶檢測(cè)接收機(jī)的研究得到了越來(lái)越多的研究人員的重視。目前，已經(jīng)是CDMA研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。多用戶檢測(cè)可分為線性檢測(cè)和干擾消除兩大類(lèi)。線性多用戶檢測(cè)技術(shù)主要有：解相關(guān)檢測(cè)、最小均方誤差檢測(cè)、子空間斜投影檢測(cè)和多項(xiàng)式擴(kuò)展檢測(cè)。在抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面常用的是解相關(guān)檢測(cè)和最小均方誤差檢測(cè)。解相關(guān)檢測(cè)器的基本思想是對(duì)匹配濾波器的輸出進(jìn)行線性處理，其變換矩陣是互相關(guān)系數(shù)矩陣的逆矩陣。這種方法不用估計(jì)接收信號(hào)的幅度，計(jì)算量小，但是解相關(guān)操作將加強(qiáng)斯白噪聲，互相關(guān)系數(shù)矩陣的逆矩陣計(jì)算量仍然很大。最小均方誤差檢測(cè)器的基本思想是計(jì)算經(jīng)線性變換的接收數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)檢測(cè)器的輸出間的均方差，最小的即為所求的線性變換。該檢測(cè)器考慮了背景噪聲的存在并利用接收信號(hào)的功率值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在消除多址干擾和不增強(qiáng)背景噪聲之間取得了一個(gè)平衡點(diǎn)，但是它需要對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行估計(jì)，性能依賴(lài)于干擾用戶的功率，因此在抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面的性能不如解相關(guān)檢測(cè)器。干擾消除多用戶檢測(cè)技術(shù)包括串行干擾消除和并行干擾消除。串行干擾消除多用戶檢測(cè)器在接收信號(hào)中對(duì)多個(gè)用戶逐個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)判決，判出一個(gè)就從總的接收信號(hào)中減去該信號(hào)，從而消除該用戶信號(hào)造成的多址干擾。操作順序是根據(jù)信號(hào)功率大小決定的，功率較大的信號(hào)先進(jìn)行操作，因此，功率弱的信號(hào)受益最大。該檢測(cè)器在性能比傳統(tǒng)檢測(cè)器有較大提高，但當(dāng)信號(hào)功率強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)需要重新排序，最不利的情況是若初始數(shù)據(jù)判斷不可靠將對(duì)下級(jí)產(chǎn)生較大影響；并行干擾消除多用戶檢測(cè)器具有多級(jí)結(jié)構(gòu)，其第一級(jí)并行估計(jì)和去除各個(gè)用戶造成的多址干擾，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)判決。由于采用了并行處理，克服了串行干擾消除多用戶檢測(cè)器延時(shí)大的缺點(diǎn)，而且無(wú)需在情況發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行重新排序。（4）自適應(yīng)干擾消除技術(shù)多用戶檢測(cè)器在抑制多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)方面有其優(yōu)勢(shì)的地方，但多用戶檢測(cè)器也存在局限性。所有的多用戶接收機(jī)需要準(zhǔn)確知道除本用戶之外的所有正在通話的用戶的時(shí)延和地址碼。此外，一些多用戶接收機(jī)還需估計(jì)信號(hào)的功率或碼的互相關(guān)值。因此，人們的注意力轉(zhuǎn)移到了自適應(yīng)干擾消除技術(shù)上來(lái)。自適應(yīng)干擾消除技術(shù)只需知道所需恢復(fù)的用戶的時(shí)延和地址碼。目前采用的自適應(yīng)干擾消除技術(shù)是盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)。該檢測(cè)中代價(jià)函數(shù)基于輸出能量最小原理。將均衡器分為相互正交的兩部分，其中一部分為用戶的地址碼，在迭代中不作變化。由于均衡器的自適應(yīng)部分不能總是滿足正交性條件，因此需要經(jīng)常用它的正交分量來(lái)代替。當(dāng)接收碼與理想的地址碼不一致時(shí)，必須引入剩余能量使輸出能量最小。盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)器在采用與傳統(tǒng)接收機(jī)相同的輸入條件下，能有效地克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。3結(jié)束語(yǔ)CDMA系統(tǒng)中的多址干擾及其引起的遠(yuǎn)近效應(yīng)是影響CDMA系統(tǒng)容量的主要因素。盡管目前采用了功率控制，降低了遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響，但仍不能從根本上抑制遠(yuǎn)近效應(yīng)，多用戶檢