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（南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)）
摘要：本文介紹了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的干擾抑制新技術(shù)，主要包括智能天線（自適應(yīng)天線陣）技術(shù)、多用戶檢測技術(shù)以及這兩種技術(shù)的多種聯(lián)合優(yōu)化模型。
關(guān)鍵詞：智能天線 多用戶檢測 干擾抑制 自適應(yīng)天線陣
1 引言
第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA)允許多用戶同時(shí)使用相同的頻帶，它通過選擇具有良好相關(guān)特性的地址碼來區(qū)分多用戶同時(shí)通信而互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)多址通信。但由于在實(shí)際的異步和多徑衰落的傳輸信道下，不可能設(shè)計(jì)成嚴(yán)格正交的擴(kuò)頻信號(hào)波形，這樣就會(huì)引起多址信號(hào)之間的互干擾（即多址干擾）和“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，目前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了一系列先進(jìn)的干擾抑制技術(shù)來對(duì)抗干擾以實(shí)現(xiàn)各種通信業(yè)務(wù)的要求。
2 干擾抑制技術(shù)介紹
基于碼分多址（CDMA）空中接口的移動(dòng)通信技術(shù)是第三代移動(dòng)通信中的首選方案，而碼分多址系統(tǒng)是一個(gè)干擾限制系統(tǒng)，因此如何有效抑制多址干擾（MAI）是第三代移動(dòng)通信研究的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的多址干擾抑制方法是尋找相關(guān)特性較好的碼字，而理論上已經(jīng)證明任何異步碼字都不能很好地抑制多址干擾，所以在第三代WCDMA系統(tǒng)中普遍采用同步工作方式。但由于多徑效應(yīng)的存在，在此基礎(chǔ)上挑選的相關(guān)特性較好的碼字依然不能完全消除MAI，另外在碼分多址系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過衰落信道后在接收端引起各個(gè)用戶接收功率不相等而產(chǎn)生“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，顯然弱用戶信號(hào)的接收性能會(huì)受強(qiáng)信號(hào)干擾,因此在接收端克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”也是降低多址干擾的一種方法。傳統(tǒng)的方法，如窄帶碼分多址系統(tǒng)IS-95中采取的措施是采用單天線和RAKE接收，利用有用信號(hào)和干擾信號(hào)在信號(hào)結(jié)構(gòu)、空間和時(shí)間上的傳播特性等方面的差異，并以嚴(yán)格的功率控制作為輔助。但不能很好地抑制多址干擾。目前出現(xiàn)了兩種具有巨大應(yīng)用前景的多址干擾抑制新技術(shù)，這就是自適應(yīng)天線陣技術(shù)（智能天線技術(shù)）和多用戶檢測技術(shù)。
2.1智能天線技術(shù)
在傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)前引入自適應(yīng)陣列天線的空時(shí)2D-RAKE接收機(jī)，能夠有效的抑制不同方向的MAI并對(duì)抗多徑衰落，成為適應(yīng)第三代系統(tǒng)要求的重要技術(shù)。智能天線在移動(dòng)通信中的工作方式一般有兩種：自適應(yīng)方式和多波束方式。前者是利用陣列流形采用計(jì)算方法綜合出特定形狀的波束；后者就是采用某種準(zhǔn)則（綜合方法和自適應(yīng)方法兩種）形成波束，以對(duì)不斷變化的環(huán)境做出響應(yīng)。近年來，人們提出了一種新的時(shí)空二維的RAKE接收機(jī)。到達(dá)接收機(jī)的各多徑分量不僅有不同的時(shí)延和衰耗，而且有不同的方向，即各多徑分量有不同的信道矢量。采用單天線的接收機(jī)無法利用接收信號(hào)的空間結(jié)構(gòu)，而采用自適應(yīng)陣列天線（智能天線），通過增加一個(gè)新的空間維數(shù)使得分離具有不同的陣列響應(yīng)矢量的多徑信號(hào)成為可能。自適應(yīng)陣列天線能自動(dòng)將主波束指向所需用戶方向，而零陷干擾用戶方向，從而有效地抑制干擾。2-D RAKE接收機(jī)的原理框圖如圖1 所示：
圖1 2-D RAKE天線的原理框圖。
由圖1可見，自適應(yīng)陣列天線主要是由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器三部分組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它通過自適應(yīng)算法控制加權(quán)，自動(dòng)調(diào)整天線的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號(hào)抵消，而在有用信號(hào)方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾的目的。加權(quán)系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整就是波束的形成過程。在自適應(yīng)天線陣中最重要的就是波束形成算法，常用的波束形成算法有三類：一是傳統(tǒng)的基于波到達(dá)方向（DOA）估計(jì)的算法，如MUSIC算法和ESPRIT算法，但在CDMA系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)遠(yuǎn)大于天線陣元數(shù)，這種算法在實(shí)際中無法應(yīng)用；二是利用參考信號(hào)或訓(xùn)練序列來形成最優(yōu)波束；還有一類是盲波束形成技術(shù)。
以上僅考慮了單用戶的情況,在多用戶環(huán)境下，利用智能天線的波束形成器，將波束指向有用信號(hào)方向，能夠有效地減少干擾源的數(shù)量，抑制多址干擾，同時(shí)也有效減輕了由于擴(kuò)頻碼互相關(guān)特性不理想所造成的遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。也可進(jìn)一步在RAKE接收機(jī)后附加多用戶檢測技術(shù)，如最佳的最大似然序列檢測，以及次最佳的解相關(guān)檢測，最小均方誤差（MMSE）檢測和判決反饋檢測等等。
2.2多用戶檢測技術(shù)
多址干擾是由于在多用戶系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)單用戶接收方案而造成的惡果。單用戶接收機(jī)采用匹配濾波器作為相關(guān)判決的工具，并不考慮多址干擾的存在，每個(gè)用戶的檢測都不考慮其他用戶的影響，是一種針對(duì)單用戶檢測的策略。一般說來，單個(gè)用戶傳輸時(shí)不存在多址干擾，但在多用戶環(huán)境中，當(dāng)干擾用戶數(shù)增加或者他們的發(fā)射功率增加時(shí)，多址干擾將不容忽視。因此多用戶檢測技術(shù)應(yīng)允而生，其算法有最優(yōu)檢測算法和次優(yōu)檢測算法。其中次優(yōu)檢測算法分類情況如下圖2所示：
圖2 多用戶檢測算法分類方法
在CDMA系統(tǒng)中，多用戶檢測問題實(shí)際上就是從若干個(gè)隨機(jī)變量線性組合后加噪聲的觀察值中提取出目標(biāo)隨機(jī)變量的過程。一般情況下，多用戶接收機(jī)不僅需要知道所有用戶的擴(kuò)頻信息而且還需隨著系統(tǒng)的時(shí)變不斷更新。此外，還需估計(jì)用戶的幅值、相位以及定時(shí)信息用于接收端的檢測，這樣勢(shì)必造成計(jì)算復(fù)雜度的增加。由于這一限制，多用戶檢測大都應(yīng)用于基站一側(cè)，若要將其應(yīng)用于移動(dòng)臺(tái)一側(cè)，一種實(shí)現(xiàn)方法是發(fā)送已知的訓(xùn)練序列自適應(yīng)地將接收機(jī)參數(shù)調(diào)整到理想的工作狀態(tài)。該方法有明顯的弊�。寒�(dāng)信道響應(yīng)突變或者用戶數(shù)目變化時(shí)，就必須重新發(fā)送訓(xùn)練序列，而頻繁發(fā)送訓(xùn)練序列會(huì)造成頻譜資源的極大浪費(fèi)。鑒于以上原因，開發(fā)不需要所有用戶的擴(kuò)頻信息，也不需要發(fā)送訓(xùn)練序列的盲多用戶檢測算法成為業(yè)界研究的新熱點(diǎn)。
以線性檢測為例，線性盲多用戶檢測就是在不知道干擾用戶擴(kuò)頻信息，也不需要訓(xùn)練序列的情況下求出權(quán)向量的過程。由于所有用戶都以相同調(diào)制方式獨(dú)立工作，我們可以假設(shè)各用戶的信息碼元及同一用戶的不同碼元之間都是獨(dú)立同分布的，而幅度的差異可以反映在信道響應(yīng)混合矩陣的系數(shù)中。盲信號(hào)處理的基本框圖如圖3：
圖3 盲信號(hào)處理框圖
盲自適應(yīng)多用戶檢測算法按照所要達(dá)到的目標(biāo)不同可以分為：最小均方誤差算法、Sato判決反饋型算法、恒定模值算法、最小輸出能量算法、最小峰態(tài)（高階累積量）算法、最大似然算法、最小誤碼率算法以及以上各算法加以線性約束的情況。
3 空時(shí)二維接收和干擾抑制技術(shù)聯(lián)合優(yōu)化模型分析
結(jié)合以上兩種干擾抑制新技術(shù)，并對(duì)空、時(shí)二維接收信號(hào)處理進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。其聯(lián)合優(yōu)化方式主要有以下三種模型：
1） 空、時(shí)二維級(jí)聯(lián)接收機(jī)
其基本思想是將智能天線的二維信號(hào)處理和多用戶檢測技術(shù)用級(jí)聯(lián)的方式結(jié)合起來，這種接收機(jī)可以提高濾波的魯棒性，減少錯(cuò)誤跟蹤用戶信號(hào)方向的概率，但是其代價(jià)是增加了解擴(kuò)單元的數(shù)量，加大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。該接收機(jī)中的自適應(yīng)多用戶檢測技術(shù)不能采用最優(yōu)的最大似然檢測方式，而只能采用復(fù)雜度相對(duì)較低的MMSE檢測和多級(jí)逐級(jí)干擾抵消檢測器。
2） 空、時(shí)二維聯(lián)合優(yōu)化接收機(jī)
將智能天線二維信號(hào)處理和多用戶檢測器結(jié)合在一起，由統(tǒng)一的反饋信息調(diào)整各自系統(tǒng)，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。每個(gè)用戶的單個(gè)多用戶檢測器，由于波束的空間濾波作用，大大減少了多用戶干擾的數(shù)量，可以使多用戶檢測器的實(shí)現(xiàn)大為優(yōu)化，并在工程上實(shí)現(xiàn)成為可能。但是在智能天線部分兩個(gè)關(guān)鍵的自適應(yīng)仍然得不到解決，如一個(gè)是跟蹤隨機(jī)移動(dòng)用戶和快速時(shí)變信道的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)跟蹤；另一個(gè)是根據(jù)時(shí)變的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)的自適應(yīng)跟蹤波束成形。所以這一方案目前仍困難重重。
3） 基于預(yù)多波束的空、時(shí)二維接收機(jī)
是指預(yù)先形成多個(gè)波束，再由各用戶輸入陣列信號(hào)或者來波方向DOA，在預(yù)波束中挑選各自最為接近（按一定準(zhǔn)則）的預(yù)波束，然后，再對(duì)各個(gè)被挑選預(yù)波束進(jìn)行多用戶檢測和接收。這種方式比較靈活，既可以采用集中式檢測結(jié)構(gòu)，也可以采用單用戶形式，若在自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)選取上又采用簡單的DOA提取和判斷方式，可以更加提高天線波束跟蹤速率，使其在工程上有可能實(shí)現(xiàn)，然而在配套的多用戶檢測上，又由于利用多波束的空間濾波，濾除了多用戶干擾，從而也大大簡化了多用戶檢測的復(fù)雜度。因此這種方案是被工程上看好的具有前途的實(shí)現(xiàn)方案。其原理圖如圖4所示。其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
(1) 首先采用預(yù)波束將空間劃分為多個(gè)區(qū)域，并在每個(gè)波束下進(jìn)行次優(yōu)化形式的MMSE多用戶檢測。
(2) 接收各個(gè)用戶輸入天線陣列的實(shí)際信號(hào)或者是其信號(hào)來波方向的DOA，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理后，提取特征參量，比如是不同瞬間的加權(quán)矢量值。
�。�3）根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，利用某種方法，提取最為接近的一組特征矢量以及形成的預(yù)波束作為準(zhǔn)最優(yōu)波束，同時(shí)作為該用戶的自適應(yīng)波束，再通過多用戶檢測技術(shù)來分離用戶信號(hào)。
圖4 基于預(yù)多波束的空、時(shí)二維接收機(jī)模型
4 結(jié)束語
擴(kuò)頻通信作為當(dāng)今通信領(lǐng)域的主流越來越廣泛的活躍于世界的各個(gè)角落。為此，我們要積極的進(jìn)行第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)包括干擾抑制技術(shù)的研究，來加速我國移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。抑制多址干擾的各種手段，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界乃至通信行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。智能天線，多用戶檢測的實(shí)現(xiàn)對(duì)于改善CDMA系統(tǒng)的性能有著重大的意義。
參考文獻(xiàn)
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[2] 《直擴(kuò)碼分多址系統(tǒng)中自適應(yīng)線性多用戶檢測算法的研究》 吳凡
[3] 《移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)》 北京郵電大學(xué)出版社
作者簡介：
1． 謝新梅（1979-），女，湖南邵東人，南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)研究生，2001年畢業(yè)于南京郵電學(xué)院通信工程系，目前主要從事移動(dòng)通信，無線和移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全光互聯(lián)網(wǎng)的研究。
2． 宋榮方（1964-），男，江蘇常州人。南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)教授，2001年畢業(yè)于東南大學(xué)無線電工程專業(yè)博士研究生，目前主要從事智能無線互聯(lián)網(wǎng)，第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)、寬帶碼分多址通信和現(xiàn)代通信中得信號(hào)處理與智能信息處理研究，承擔(dān)國家自然基金項(xiàng)目（WCDMA關(guān)鍵技術(shù)研究）和原郵電部預(yù)研項(xiàng)目（WCDMA系統(tǒng)中時(shí)空聯(lián)合干擾抑制技術(shù)研究）各1項(xiàng)。在IEEE Electronics (China)，電子學(xué)報(bào)，通信學(xué)報(bào)，電子與信息學(xué)報(bào)，電波科學(xué)學(xué)報(bào)，電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)和信號(hào)處理等國際國內(nèi)權(quán)威刊物上發(fā)表論文數(shù)十篇。
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