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，自適應(yīng)檢測1CDMA移動通信系統(tǒng)的特點CDMA（碼分多址）是由多個碼分信道共享載頻信道的多址連接方式。在移動通信、個人通信及寬帶無線接入領(lǐng)域，CDMA是最有競爭力的多址連接技術(shù)。與GSM/DCS 1800相比，CDMA系統(tǒng)有其技術(shù)上的優(yōu)勢。對運營者來講，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)劃變得很簡單。對用戶來說，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。CDMA通信的基礎(chǔ)是存在大量互相關(guān)性好的偽正交碼，從而實現(xiàn)多個用戶共享同一頻段。最理想的假設(shè)是互相關(guān)值為零，但實際上是難以實現(xiàn)的，而且CDMA系統(tǒng)異步工作時，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CDMA系統(tǒng)的研究有著極其重要的意義。2CDMA移動通信系統(tǒng)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的技術(shù)CDMA移動通信系統(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題。但是，實際應(yīng)用中系統(tǒng)通常是工作在異步狀態(tài)，設(shè)計在任何時延情況下都正交的擴(kuò)頻碼是不可能的，只能是設(shè)計互相關(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)的簡單有效的方法。通過對基站和移動臺發(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共同完成。前向功率控制的目的主要是通過在各個前向業(yè)務(wù)信道上合理的分配功率來確保各個用戶的通信質(zhì)量，同時使前向鏈路容量達(dá)到最大。前向功率控制是在移動臺的協(xié)助下完成的。移動臺檢測前向傳輸?shù)恼`幀率，并向基站報告該誤幀率的統(tǒng)計結(jié)果?；靖鶕?jù)移動臺報告的誤幀率統(tǒng)計結(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臺的發(fā)射功率，它由開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩部分來共同控制移動臺的發(fā)射功率。開環(huán)功率控制是移動臺根據(jù)它收到基站的導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度，估計前向傳輸路徑的損耗，從而確定發(fā)射功率的大小。閉環(huán)功率控制是在移動臺的協(xié)助下完成的?；窘邮找苿优_的信號，并測量其信噪比，然后將其與一門限作為比較，若收到的信噪比大于門限值，基站就在前向傳輸信道上傳輸一個減小發(fā)射功率的命令；反之，就送出一個增加發(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于功率測量的精度和功率控制命令產(chǎn)生和傳輸處理時延。另一方面，由于信號在移動通信傳輸中呈瑞利衰落，功率控制系統(tǒng)無法補償由快衰落引起的信號功率的變化，特別是當(dāng)移動臺的運動速度很快時，功率控制技術(shù)會失效。盡管如此，功率控制技術(shù)仍然是一個成功的CDMA移動通信系統(tǒng)必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。（3）多用戶檢測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，信號幅度變化，信號同步特征等），進(jìn)一步消除它的負(fù)面影響，提高系統(tǒng)的性能。針對這一點，S.Verdu首先提出多用戶檢測技術(shù)，它對每個用戶信號的檢測不是獨立進(jìn)行的，而是將輸入信號經(jīng)過一組匹配濾波器后得到多個用戶的充分估計量，共同應(yīng)用于每個用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測。這種多用戶檢測可以為遠(yuǎn)近效應(yīng)提供一個良好的解決途徑。因此，采用了多用戶檢測的接收機(jī)，功率控制的要求可大大降低，同時，由于多用戶檢測中的干擾消除要求可大大降低，同時，由于多用戶檢測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，多用戶檢測接收機(jī)的研究得到了越來越多的研究人員的重視。目前，已經(jīng)是CDMA研究領(lǐng)域的一個熱點問題。多用戶檢測可分為線性檢測和干擾消除兩大類。線性多用戶檢測技術(shù)主要有：解相關(guān)檢測、最小均方誤差檢測、子空間斜投影檢測和多項式擴(kuò)展檢測。在抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面常用的是解相關(guān)檢測和最小均方誤差檢測。解相關(guān)檢測器的基本思想是對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。這種方法不用估計接收信號的幅度，計算量小，但是解相關(guān)操作將加強(qiáng)斯白噪聲，互相關(guān)系數(shù)矩陣的逆矩陣計算量仍然很大。最小均方誤差檢測器的基本思想是計算經(jīng)線性變換的接收數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)檢測器的輸出間的均方差，最小的即為所求的線性變換。該檢測器考慮了背景噪聲的存在并利用接收信號的功率值進(jìn)行相關(guān)計算，在消除多址干擾和不增強(qiáng)背景噪聲之間取得了一個平衡點，但是它需要對信號的幅度進(jìn)行估計，性能依賴于干擾用戶的功率，因此在抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面的性能不如解相關(guān)檢測器。干擾消除多用戶檢測技術(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器在接收信號中對多個用戶逐個進(jìn)行數(shù)據(jù)判決，判出一個就從總的接收信號中減去該信號，從而消除該用戶信號造成的多址干擾。操作順序是根據(jù)信號功率大小決定的，功率較大的信號先進(jìn)行操作，因此，功率弱的信號受益最大。該檢測器在性能比傳統(tǒng)檢測器有較大提高，但當(dāng)信號功率強(qiáng)度發(fā)生變化時需要重新排序，最不利的情況是若初始數(shù)據(jù)判斷不可靠將對下級產(chǎn)生較大影響；并行干擾消除多用戶檢測器具有多級結(jié)構(gòu)，其第一級并行估計和去除各個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器延時大的缺點，而且無需在情況發(fā)生變化時進(jìn)行重新排序。（4）自適應(yīng)干擾消除技術(shù)多用戶檢測器在抑制多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)方面有其優(yōu)勢的地方，但多用戶檢測器也存在局限性。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延和地址碼。此外，一些多用戶接收機(jī)還需估計信號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。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。該檢測中代價函數(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代替。當(dāng)接收碼與理想的地址碼不一致時，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