3G移動通信系統中的干擾抑制新技術

2019-11-03 09:26:17

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

謝新梅宋榮方

（南京郵電學院通信與信息系統專業）

　　摘要：本文介紹了第三代移動通信系統中的干擾抑制新技術，主要包括智能天線（自適應天線陣）技術、多用戶檢測技術以及這兩種技術的多種聯合優化模型。

　　關鍵詞：智能天線多用戶檢測干擾抑制自適應天線陣

1 引言

　　第三代移動通信系統(CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA)允許多用戶同時使用相同的頻帶，它通過選擇具有良好相關特性的地址碼來區分多用戶同時通信而互不干擾，從而實現多址通信。但由于在實際的異步和多徑衰落的傳輸信道下，不可能設計成嚴格正交的擴頻信號波形，這樣就會引起多址信號之間的互干擾（即多址干擾）和“遠近效應”，目前第三代移動通信系統中采用了一系列先進的干擾抑制技術來對抗干擾以實現各種通信業務的要求。

2 干擾抑制技術介紹

　　基于碼分多址（CDMA）空中接口的移動通信技術是第三代移動通信中的首選方案，而碼分多址系統是一個干擾限制系統，因此如何有效抑制多址干擾（MAI）是第三代移動通信研究的關鍵。傳統的多址干擾抑制方法是尋找相關特性較好的碼字，而理論上已經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系統中普遍采用同步工作方式。但由于多徑效應的存在，在此基礎上挑選的相關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中，信號經過衰落信道后在接收端引起各個用戶接收功率不相等而產生“遠近效應”，顯然弱用戶信號的接收性能會受強信號干擾,因此在接收端克服“遠近效應”也是降低多址干擾的一種方法。傳統的方法，如窄帶碼分多址系統IS-95中采取的措施是采用單天線和RAKE接收，利用有用信號和干擾信號在信號結構、空間和時間上的傳播特性等方面的差異，并以嚴格的功率控制作為輔助。但不能很好地抑制多址干擾。目前出現了兩種具有巨大應用前景的多址干擾抑制新技術，這就是自適應天線陣技術（智能天線技術）和多用戶檢測技術。

2.1智能天線技術

　　在傳統RAKE接收機前引入自適應陣列天線的空時2D-RAKE接收機，能夠有效的抑制不同方向的MAI并對抗多徑衰落，成為適應第三代系統要求的重要技術。智能天線在移動通信中的工作方式一般有兩種：自適應方式和多波束方式。前者是利用陣列流形采用計算方法綜合出特定形狀的波束；后者就是采用某種準則（綜合方法和自適應方法兩種）形成波束，以對不斷變化的環境做出響應。近年來，人們提出了一種新的時空二維的RAKE接收機。到達接收機的各多徑分量不僅有不同的時延和衰耗，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無法利用接收信號的空間結構，而采用自適應陣列天線（智能天線），通過增加一個新的空間維數使得分離具有不同的陣列響應矢量的多徑信號成為可能。自適應陣列天線能自動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，自適應陣列天線主要是由天線陣、波束形成網絡和自適應處理器三部分組成的閉環反饋控制系統，它通過自適應算法控制加權，自動調整天線的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而在有用信號方向形成主波束，達到抑制干擾的目的。加權系數的自動調整就是波束的形成過程。在自適應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：一是傳統的基于波到達方向（DOA）估計的算法，如MUSIC算法和ESPRIT算法，但在CDMA系統中小區內的用戶數遠大于天線陣元數，這種算法在實際中無法應用；二是利用參考信號或訓練序列來形成最優波束；還有一類是盲波束形成技術。

　　以上僅考慮了單用戶的情況,在多用戶環境下，利用智能天線的波束形成器，將波束指向有用信號方向，能夠有效地減少干擾源的數量，抑制多址干擾，同時也有效減輕了由于擴頻碼互相關特性不理想所造成的遠近效應的影響。也可進一步在RAKE接收機后附加多用戶檢測技術，如最佳的最大似然序列檢測，以及次最佳的解相關檢測，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

　　多址干擾是由于在多用戶系統中采用傳統單用戶接收方案而造成的惡果。單用戶接收機采用匹配濾波器作為相關判決的工具，并不考慮多址干擾的存在，每個用戶的檢測都不考慮其他用戶的影響，是一種針對單用戶檢測的策略。一般說來，單個用戶傳輸時不存在多址干擾，但在多用戶環境中，當干擾用戶數增加或者他們的發射功率增加時，多址干擾將不容忽視。因此多用戶檢測技術應允而生，其算法有最優檢測算法和次優檢測算法。其中次優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系統中，多用戶檢測問題實際上就是從若干個隨機變量線性組合后加噪聲的觀察值中提取出目標隨機變量的過程。一般情況下，多用戶接收機不僅需要知道所有用戶的擴頻信息而且還需隨著系統的時變不斷更新。此外，還需估計用戶的幅值、相位以及定時信息用于接收端的檢測，這樣勢必造成計算復雜度的增加。由于這一限制，多用戶檢測大都應用于基站一側，若要將其應用于移動臺一側，一種實現方法是發送已知的訓練序列自適應地將接收機參數調整到理想的工作狀態。該方法有明顯的弊病：當信道響應突變或者用戶數目變化時，就必須重新發送訓練序列，而頻繁發送訓練序列會造成頻譜資源的極大浪費。鑒于以上原因，開發不需要所有用戶的擴頻信息，也不需要發送訓練序列的盲多用戶檢測算法成為業界研究的新熱點。　　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頻信息，也不需要訓練序列的情況下求出權向量的過程。由于所有用戶都以相同調制方式獨立工作，我們可以假設各用戶的信息碼元及同一用戶的不同碼元之間都是獨立同分布的，而幅度的差異可以反映在信道響應混合矩陣的系數中。盲信號處理的基本框圖如圖3：

圖3 盲信號處理框圖

　　盲自適應多用戶檢測算法按照所要達到的目標不同可以分為：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（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 空時二維接收和干擾抑制技術聯合優化模型分析

　　結合以上兩種干擾抑制新技術，并對空、時二維接收信號處理進行聯合優化。其聯合優化方式主要有以下三種模型：

　　1）空、時二維級聯接收機

　　其基本思想是將智能天線的二維信號處理和多用戶檢測技術用級聯的方式結合起來，這種接收機可以提高濾波的魯棒性，減少錯誤跟蹤用戶信號方向的概率，但是其代價是增加了解擴單元的數量，加大了系統實現的復雜性。該接收機中的自適應多用戶檢測技術不能采用最優的最大似然檢測方式，而只能采用復雜度相對較低的MMSE檢測和多級逐級干擾抵消檢測器。

　　2）空、時二維聯合優化接收機

　　將智能天線二維信號處理和多用戶檢測器結合在一起，由統一的反饋信息調整各自系統，進行聯合優化。每個用戶的單個多用戶檢測器，由于波束的空間濾波作用，大大減少了多用戶干擾的數量，可以使多用戶檢測器的實現大為優化，并在工程上實現成為可能。但是在智能天線部分兩個關鍵的自適應仍然得不到解決，如一個是跟蹤隨機移動用戶和快速時變信道的自適應加權系數跟蹤；另一個是根據時變的自適應加權系數的自適應跟蹤波束成形。所以這一方案目前仍困難重重。

　　3）基于預多波束的空、時二維接收機

　　是指預先形成多個波束，再由各用戶輸入陣列信號或者來波方向DOA，在預波束中挑選各自最為接近（按一定準則）的預波束，然后，再對各個被挑選預波束進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構，也可以采用單用戶形式，若在自適應加權系數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現，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雜度。因此這種方案是被工程上看好的具有前途的實現方案。其原理圖如圖4所示。其具體實現過程如下：

　　(1) 首先采用預波束將空間劃分為多個區域，并在每個波束下進行次優化形式的MMSE多用戶檢測。

　　(2) 接收各個用戶輸入天線陣列的實際信號或者是其信號來波方向的DOA，并進行數字信號處理后，提取特征參量，比如是不同瞬間的加權矢量值。

　　（3）根據一定的優化準則，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波束作為準最優波束，同時作為該用戶的自適應波束，再通過多用戶檢測技術來分離用戶信號。

圖4 基于預多波束的空、時二維接收機模型

4 結束語

　　擴頻通信作為當今通信領域的主流越來越廣泛的活躍于世界的各個角落。為此，我們要積極的進行第三代移動通信系統的研究，尤其是一些關鍵技術包括干擾抑制技術的研究，來加速我國移動通信產業的發展。抑制多址干擾的各種手段，已經成為學術界乃至通信行業關注的焦點。智能天線，多用戶檢測的實現對于改善CDMA系統的性能有著重大的意義。

參考文獻

[1] Lal C.Godara, application of Antenna Array to Mobile Communications, Part I: Performance Improvement, Feasibility, and System Considerations, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No.7, pp1029-1057, July 1997.

[2] 《直擴碼分多址系統中自適應線性多用戶檢測算法的研究》吳凡

[3] 《移動通信中的關鍵技術》北京郵電大學出版社

作者簡介：

　　1．謝新梅（1979-），女，湖南邵東人，南京郵電學院通信與信息系統專業研究生，2001年畢業于南京郵電學院通信工程系，目前主要從事移動通信，無線和移動ip網絡技術，全光互聯網的研究。

　　2．宋榮方（1964-），男，江蘇常州人。南京郵電學院通信與信息系統專業教授，2001年畢業于東南大學無線電工程專業博士研究生，目前主要從事智能無線互聯網，第四代移動通信標準、移動通信網絡與系統、寬帶碼分多址通信和現代通信中得信號處理與智能信息處理研究，承擔國家自然基金項目（WCDMA關鍵技術研究）和原郵電部預研項目（WCDMA系統中時空聯合干擾抑制技術研究）各1項。在IEEE Electronics (China)，電子學報，通信學報，電子與信息學報，電波科學學報，電路與系統學報和信號處理等國際國內權威刊物上發表論文數十篇。　

未經授權不得轉載

上一篇：高效的GSM900/1800雙頻網的組建方案

下一篇：藍牙與802.11b的互通技術