第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)CDMA的關(guān)鍵技術(shù)

　　在3G系統(tǒng)中，CDMA系統(tǒng)成為了最具競爭力、最具發(fā)展前景的無線多址技術(shù)。雖然CDMA擴(kuò)頻技術(shù)可以采用直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）以及它們的組合等，但在移動(dòng)通信中一般選用直接序列擴(kuò)頻，它構(gòu)成了我們常說的DS-CDMA系統(tǒng)。它的核心網(wǎng)是在GSMANSI-41的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其空中接口和相應(yīng)的2G系統(tǒng)后向兼容。它的3種工作模式為：單載波頻分雙工、多載波頻分雙工和時(shí)分雙工方式。



　　在主流3G系統(tǒng)中，空中接口技術(shù)采用CDMA方式，因此主要具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）通信容量大。CDMA是自干擾受限系統(tǒng)，任何干擾的減少都可以直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)容量的提高。因此一些能降低干擾功率的技術(shù)，如話音激活技術(shù)、功率控制技術(shù)等，都有可能提高系統(tǒng)容量。一般來說，在同樣條件下，采用CDMA方式的系統(tǒng)容量約是采用數(shù)字TDMA的GSM系統(tǒng)容量的4-6倍，是模擬系統(tǒng)容量的20倍。（2）系統(tǒng)具有軟容量特性。CDMA系統(tǒng)中，多增加一個(gè)用戶只會(huì)使通信質(zhì)量略有下降，不會(huì)出現(xiàn)通信硬阻塞情況。小區(qū)覆蓋范圍的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以平衡各個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù)量，這對(duì)于解決通信高峰期的通信阻塞問題和提高用戶越區(qū)切換的成功率無疑是非常有益的。（3）更適合在衰落信道中傳輸。移動(dòng)信道在一般情況下是一個(gè)時(shí)變多徑衰落信道，而在CDMA系統(tǒng)中，由于采用了寬帶傳輸，所以具有了特有的頻率分集特性，即當(dāng)信道具有頻率選擇特性時(shí)，對(duì)CDMA系統(tǒng)中信息傳輸?shù)挠绊戄^小。（4）平滑的軟切換特性。在CDMA系統(tǒng)中，所有的小區(qū)（或扇區(qū)）都可以使用相同的頻率，這不僅簡化了頻率規(guī)劃，也使越區(qū)切抽象得以平滑實(shí)現(xiàn)。（5）良好的通信安全性。CDMA系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，使發(fā)射的信號(hào)頻譜被擴(kuò)展得很寬，從而使所發(fā)射的信號(hào)完全隱蔽在噪聲和干擾中，不易被發(fā)現(xiàn)和接收。



　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)CDMA采用的關(guān)鍵技術(shù)有下面幾種。



1、RAKE接收技術(shù)



　　移動(dòng)通信是在復(fù)雜的電波環(huán)境下進(jìn)行的，如何克服電波傳輸所造成的多徑衰落現(xiàn)象是移動(dòng)通信的一個(gè)基本問題。在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)帶寬較寬，因而在時(shí)間上可以分辨出比較細(xì)微的多徑信號(hào)，對(duì)分辨出的多徑信號(hào)分別進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，使合成之后的信號(hào)得以增強(qiáng)，從而可在較大程度上降低多徑衰落信道所造成的負(fù)面影響。這種技術(shù)稱為Rake接收技術(shù)，也即多徑分集接收技術(shù)。Rake接收機(jī)在利用多徑信號(hào)的基礎(chǔ)上可以降低基站和移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。而在GSM手機(jī)中只能通過時(shí)域均衡器抵消多徑效應(yīng)，不能通過多路信號(hào)的能量疊加而降低發(fā)射功率。



2、智能天線技術(shù)



　　用智能天線對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行空域處理可減小多址干擾對(duì)信號(hào)的影響，采用具有一定方向性的扇形天線可以掏除某一角度內(nèi)的其他干擾，提高系統(tǒng)性能。以前由于智能天線的高度復(fù)雜性和能量消耗較大，對(duì)它的研究大都局限于在基站中的應(yīng)用，直至近幾年，智能天線技術(shù)才被引入到移動(dòng)臺(tái)中。智能天線有望顯著地提高第三代移動(dòng)臺(tái)的性能，因此也成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。我國提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，也采用了先進(jìn)的智能天線技術(shù)。



　　偌站智能天線包括兩個(gè)重要組成部分；一是對(duì)來自移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的多徑電波方向進(jìn)行到達(dá)角估計(jì)，并進(jìn)行空間濾波，抑制欺了移動(dòng)臺(tái)的干擾；二是對(duì)基站發(fā)送信號(hào)進(jìn)行波束形成，使基站發(fā)送信號(hào)能夠沿著移動(dòng)臺(tái)電波的到達(dá)方向發(fā)送回移動(dòng)臺(tái)，從而降低發(fā)射功率，減小對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾。智能天線技術(shù)用于TDD（時(shí)分雙工）方式的CDMA系統(tǒng)是比較合適的，這是因?yàn)檫x用TDD方式后收發(fā)信道使用相同的頻率，這樣就可以利用接收電波的特點(diǎn)來調(diào)整發(fā)射信號(hào)。智能天線技術(shù)能用接收電波的特點(diǎn)來調(diào)整發(fā)射信號(hào)。智能天線技術(shù)能夠在較大程度上抑制多用戶干擾，從而提高系統(tǒng)容量。當(dāng)然智能天線技術(shù)也存在一些局限性，例如由于存在多徑效應(yīng)，每個(gè)天線均需一個(gè)Rake接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。



3、多用戶檢測技術(shù)



　　多用戶檢測理論和技術(shù)的基本思想是利用多址干擾中包含的用戶間的互相關(guān)信息來估計(jì)干擾、降低或消除干擾的影響。多用戶檢測算法能充分利用擴(kuò)頻碼的結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計(jì)信息聯(lián)合檢測多個(gè)用戶的信號(hào)。多用戶檢測技術(shù)是抑制多址干擾技術(shù)中最有潛力的一種方法，并已經(jīng)成為第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中倡導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它具有以下一些好處：提高帶寬利用率，抑制多徑干擾；消除或減輕遠(yuǎn)近效應(yīng)，降低了對(duì)功控高度精度的要求，可簡化功控；彌補(bǔ)擴(kuò)頻碼互相關(guān)性不理想造成的影響；減小發(fā)射功率，延長移動(dòng)臺(tái)電池的使用時(shí)間，同時(shí)也減小移動(dòng)臺(tái)的電磁輻射；改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量，增大小區(qū)覆蓋范圍。



　　當(dāng)然多用戶檢測技術(shù)也存在一些局限性，首先是來自其他小區(qū)的MAI（多路存取干擾）依然存在，在多用戶檢測算法中只考慮了同小區(qū)其他用戶的干擾，并沒有考慮來自相鄰小區(qū)的干擾，而這種干擾自然會(huì)影響系統(tǒng)性能。其次由于移動(dòng)臺(tái)的接收設(shè)備不能做得太復(fù)雜，故在下行信道執(zhí)行多用戶檢測有一定難度。除此之外多用戶檢測還大大增加了設(shè)備的復(fù)雜度；增加了系統(tǒng)時(shí)延，特別是采用自適應(yīng)算法時(shí)更為嚴(yán)重；多用戶檢測一般需要知道用戶的一些信息，需要通過不斷地信道估計(jì)來實(shí)現(xiàn)，估計(jì)的精度會(huì)直接影響檢測器的性能。



4、高效編譯碼技術(shù)



　　在無線通信中，人們很關(guān)心頻譜利用率和功率利用率。一般的編碼技術(shù)是通過犧牲頻譜利用率來換取功率利用率的提高，這是因?yàn)椴捎昧诵诺兰m錯(cuò)編碼技術(shù)（ECC）后增加了信息的冗余位，這樣必然降低了頻譜利用率，但同時(shí)由于引入了冗余位增加了信道糾錯(cuò)能力，降低了比特誤碼率（BER），在保證一定信噪比的情況下可以降低發(fā)射功率，因此提高了功率利用率。



　　在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要提案中（包括WCDMA和cdma2000等），除了采用IS-95 CDMA系統(tǒng)相類似的卷積編碼技術(shù)及交織技術(shù)之外，還采用了Turbo編碼技術(shù)及RS-卷積級(jí)聯(lián)碼技術(shù)。卷積碼具有記憶能力，可用維特比譯碼，具有很高的編碼增益。而交織技術(shù)性錯(cuò)誤，也就是說能將碼字的長連錯(cuò)轉(zhuǎn)化成每個(gè)糾錯(cuò)碼字里只有一個(gè)或兩個(gè)錯(cuò)誤，這樣有利于對(duì)付信道傳輸里由于只有一個(gè)或兩個(gè)錯(cuò)誤，這樣有利于對(duì)付信道傳輸里由于突發(fā)性干擾而引起的長連串錯(cuò)誤，交織不會(huì)引入冗余碼，所以也就不會(huì)降低頻譜利用率。Turbo編碼器采用兩個(gè)并行相連的系統(tǒng)遞歸卷積編碼器，并輸之一個(gè)交織器。兩個(gè)卷積編碼器的輸出經(jīng)并串轉(zhuǎn)換以及鑿孔（Puncture）操作后輸出。相應(yīng)地，Turbo解碼器由首尾相連、中間由交織器和解交織器隔離的兩個(gè)以迭代方式工作的軟判輸出卷積解碼器構(gòu)成。從計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果看，在交織器長度大于1000、軟判輸出卷積解碼采用標(biāo)準(zhǔn)的最大后驗(yàn)概率（MAP）算法條件下，其性能比約束長度為9的卷積碼提高1-2.5dB。但Turbo編碼技術(shù)只能用在第三代系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)中，這是因?yàn)檎Z音及低速率數(shù)據(jù)長度不滿足交織長度的要求。RS編碼是一種多進(jìn)制編碼技術(shù)，適合于存在突發(fā)錯(cuò)誤的通信系統(tǒng)。



5、功率控制技術(shù)



　　在CDMA系統(tǒng)中，由于用戶使用相同的頻帶，用戶的擴(kuò)頻碼之間存在非理想的相關(guān)特性，因此任何一個(gè)用戶對(duì)其他用戶來說都是干擾源。如果干擾用戶比目標(biāo)用戶距離基站近很多，即使忽略衰落的影響，信號(hào)的路徑衰耗亦與用戶距基站的距離的三次方成正比，則干擾信號(hào)在基站的接收功率會(huì)比目標(biāo)用戶信號(hào)的接收功率大很多，這樣，傳統(tǒng)接收機(jī)的輸出中多址干擾分量就可能很嚴(yán)重，甚至?xí)�淹沒目標(biāo)用戶的信號(hào)。這種現(xiàn)象被稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。功率控制可以有效地減小遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響，已經(jīng)成為第三代通信標(biāo)準(zhǔn)中最為重要的核心技術(shù)之一。



　　常見的CDMA功率控制技術(shù)可分為開環(huán)功率控制、閉環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制3種類型。在IS-95中，閉環(huán)功率控制技術(shù)只用在上行信道中。而在WCDMA和cdma2000系統(tǒng)中，下行信道則采用了開環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)功率控制技術(shù)，下行信道則采用了閉環(huán)和外環(huán)功率控制技術(shù)。但兩者的閉環(huán)功率控制速度有所不同，前者為每秒1500次，后者為每秒800次。



　　當(dāng)然功率控制技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，首先是不能從根本上消除多址干擾，其極限是各個(gè)用戶的接收功率都相等時(shí)的接收性能。其次是占用信道傳遞功率控制信息，存在算法收斂速度，性能與用戶移動(dòng)速度有關(guān)和系統(tǒng)復(fù)雜等。




摘自《現(xiàn)代通信》2002年第6期