寬帶碼分多址系統中的關鍵技術簡介

2019-11-03 09:50:56

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寬帶碼分多址系統中的關鍵技術簡介一、引言目前，全球移動通信用戶已經超過了一億，但是帶寬窄，業務少已經限制了移動通信業務的進一步發展，為了更好的適應移動通信業發展的需要，第三代移動通信系統的研究和開發正迅速展開，國際上對采用碼分多址（CDMA）技術已經達成了共識。目前中國，歐洲，美國和日本的各大電信運營商以及一些研發機構對于寬帶碼分多址系統都提出了各自方案，交由國際電信聯盟討論。在芬蘭首都赫爾辛基于11月5日結束的為期兩周的國際電信聯盟第三代移動通訊系統標準會議上，通過了舉世矚目的第三代移動通信系統“IMT－2000無線接口技術規范”建議。中國代表在會上提出的TD-SCDMA技術寫人了第三代無線接口技術規范地面建議之中。移動電信市場將迎來繼GSM后又一個大發展時期。 IMT－2000移動通信系統的主要指標，是要在蜂窩小區范圍內實現有限的多媒體業務支持，主要目標有以下幾個： ·全球范圍設計的高度兼容性； ·在IMT－2000中的業務與固定網絡的業務兼容； ·很小的袖珍手機，具有全球漫游能力； ·移動終端可以連接地面和衛星基礎網，可移動使用也可固定使用； ·無線接口的類型應盡可能得少，而且在它們之間具有高度的兼容性； ·個人通信更好的安全性和易操作性。可以看出未來的第三代移動通信系統要具有很好的網絡兼容性，用戶終端可在全球范圍內漫游并在幾個不同的系統間實現漫游，并實現移動多媒體功能，不僅為移動用戶提供第二代系統（GSM和CDMA）能夠實現的話音及低速數據業務，而且要提供廣泛的多媒體業務，如話音、短消息、尋呼、中速到高速數據業務、可視圖文、可視電話、多媒體業務復用（話音、數據和圖象）、端對端的加密話音和數據等。為了實現以上多媒體等業務，在寬帶碼分多址系統中必須采用一些關鍵技術來支持和實現通信業務的增加和通信帶寬的增大。一般來說，在物理鏈路層面的高速糾錯編碼尤其是TUrbo碼技術，智能天線技術，多用戶檢測技術，功率控制技術，RAKE接收機技術；在網絡層面軟切換，小區規劃，移動通信中的數據通信，WAP技術是當前技術研究的重點。由于一些技術，如功率控制技術，在第一代和第二代移動通信系統中已經采用，因此本文將重點簡要介紹一些主要用于今后移動通信系統中的關鍵技術的研究和開發工作。二、一些關鍵技術的介紹由于碼分多址系統是一個干擾限制系統，多址干擾的存在會嚴重影響系統性能，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，在此基礎上挑選的好媽依然不能完全消除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的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干擾用戶的嚴重影響而大幅度下降，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一95中，是采用單天線和RAKE接收，并以嚴格的功率控制作為輔助，不能很好地抑制多址干擾。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，目前提出的主要有兩種多址干擾抑制技術：智能無線和多用戶檢測。對抗MAI的另一方法是減小它的影響，這可通過降低接收機檢測門限來實現，即采用好的編譯碼方法，目前國際上對于Turbo碼比較看好，在第三代移動通信系統“IMT－2000無線接口技術規范”建議中，TUrbo碼已經成為數據傳輸用的編碼方式。因此，我們將著重介紹，智能天線、多用戶檢測技術和Turbo碼。 1．智能天線陣列天線最初應用于雷達、聲納以及軍事通信中，完成空間濾波和參數估計兩大任務。所謂空間濾波就是對消強方向性干擾，參數估計就是判問問題，目前雷達陣列信號處理完成的一項功能就是超分辨，即在天線孔徑一定的條件下，獲得比常規方法高的分辨率，有代表性的方法是MUSIC、ESPRIT方法。移動通信中對應于各用戶的有用信號及其時延樣本、干擾信號在波達方向（DOA）上通常存在差異，傳統的單天線和分集天線無法有效利用這一差別信息，智能天線利用一定分布（可以是規則幾何分布，也可以是非規則的、甚至是隨機分布）的天線陣對接收信號進行空間過采樣來提取這一信息，并通過空域處理或空時二維處理來利用它，達到對抗MAI和減小多徑效應的目的。簡單（但并不是很準確）地講，智能天線通過選擇一組合適的合并權值（即空域或空時處理中的各抽頭系數）來形成合適的方向圖以放大有用信號、抑制干擾。所以智能無線技術的核心就是正確確定這些抽頭系數和實現適時調整。智能天線在移動通信中的工作方式～般有兩種：自適應方式和切換波束方式。波束形成有綜合方法和自適應方法兩種。前者是利用陣列流形（ArrayManifold）采用計算方法綜合出特定形狀的波束，例如用切比雪夫方法對直線陣可以形成任意低旁瓣的波束形狀，這種方法需要在工作過程中對陣列進行矯正；后者就是采用某種準則形成波束，以對不斷變化的環境做出響應。自適應波束形成首先需要考慮自適應準則，已經證明采用最小均方誤差（MMSE）或最大信干噪比（SINR）都具有相同的穩態解，其它自適應準則還有基于信號時域特征的準則，如恒模（CM）、有限符號、子空間、循環平穩等，前者需要參考信號或者構造參考信號（如判決反饋算法），后者則不需要參考信號，即所謂的盲方法。理論上講，全自適應天線可以達到性能最優，但在移動通信環境中，特別是用戶比較多時，全自適應天線很難保證實時準確地跟蹤用戶，另外自適應算法的計算復雜度和收斂速度也限制了它在實際系統中的應用。與此相對的是基于預多波束的波束切換天線，預多波束無線的基本思想是用一組重疊的固定波束覆蓋整個空域，利用接收信號的部分信息，按照一定的準則來選擇工作波束，比如說選擇具有最大功率波束或較大功率的幾個波束合并作為判決信號的輸出。這樣相當于用陣列天線實現了幾個角天線的功能。由于對工作波束內的來向干擾抑制能力弱，因此杭遠近干擾的能力較弱，對功率控制技術有一定的依賴性。在預多波束天線中，波束固定，用戶移動，這就要求系統不斷地搜索、選擇工作波束并進行波束切換。考慮實際系統移動用戶一般只在相鄰兩個波束間切換，因此一旦跟蹤到工作波束后，搜索過程可在相鄰兩個波束間進行，為防止某時刻在搜索波束范圍外需增加新的工作波束，可以定時地在整個波束范圍內進行搜索。另外，波束切換與角天線中的更軟切換不同，更軟切換的實現是在BSC或MSC中實現，需要上層信令的輔助，而波束切換可以直接在天線的基帶處理部分實現，而不需要傳送過多的信令，減小系統資源開銷，同時大大降低了系統復雜度。 2．多用戶檢測在碼分多址系統中，多個用戶同時隨機接人，由于碼字不正交引起多址干擾（MAI），由于各用戶的接收功率不同引起遠近效應。傳統方法采用匹配濾波器接收，受到MAI的嚴重影響；為克服遠近效應，需要嚴格的功率控制配合；這不僅增大了系統的復雜度，而且在多徑快衰落信道中無法保證功率相等，因而系統性能比較差。從信息論的角度看，碼分多址系統是一個多人多出（MIMO）的信道，因此單用戶檢測不能充分利用信道容量。1986年，S.Verdu提出了多用戶檢測思想，認為MAI是具有一定結構的有效信息，理論上證明采用最大似然（ML）檢測可以逼近單用戶接收性能，可以有效地克服遠近效應，并大大地提高系統容量。但由于ML檢測的復雜度為，基本無法實現，因此人們開始研究各種次優的多用戶檢測，目標是尋找一個在實現中性能和復雜度都可以接受的檢測技術。主要的次優檢測有解相關檢測、最小均方誤差（MMSE）檢測、多級檢測、判決反饋檢測、干擾抵消檢測、基于神經網絡的檢測等，日本主要研究多級干擾抵消檢測，美國則側重自適應線性多用戶檢測的研究。多級干擾抵消（MIC）檢測屬于集中檢測方式，其基本思想是利用前級檢測結果前向（全部或部分）反饋給下級檢測，每級利用已檢測的其他用戶信息抵消MAI，其中每級干擾抵消檢測結構可以是串行方式（SIC）或并行方式（PIC）。MIC檢測存在以下缺點：（1）需要知道所有用戶的擴頻碼和定時信息、以及精確估計所有信道參數；（2）初級檢測結果必須比較可靠，否則將導致誤差傳播；（3）用戶數、信道特征的變化導致干擾抵消檢測子單元個數的變化；（4）雖然在多徑信道下串行干擾抵消檢測的性能優于并行方式，但在寬帶CDMA系統中，其延遲是無法忍受的；（5）無法抵消鄰區干擾。 MIC檢測的主要優點是適合在長碼系統中實現。自適應線性多用戶檢測可以采用單用戶接收結構。它包括MMSE檢測和DD檢測。其主要優點是：（1）只需要本用戶的擴頻碼和定時信息；（2）檢測器不需要前置匹配濾波器，直接完成解擴和檢測功能；（3）可以部分抑制鄰區干擾。但自適應線性多用戶檢測適合在短碼系統中實現，因此IMT-2000RTT建議保留了在上行鏈路中采用短碼擴頻。自適應線性多用戶檢測的復雜度主要集中在自適應算法上。目前帶訓練序列的非盲算法比較成熟，主要研究盲目適應算法，如約束最小輸出能量（CMOE）算法、基于子空間的算法和衡模算法（CMA）等，其計算復雜度可以降低到。考慮在多徑信道下，目前國內外提出的結構主要是用檢測結構替代RAKE接收中的匹配濾波器，因此接收結構包括檢測、信道估計和分集合并部分，復雜度仍比較高。為降低系統復雜度，可以在多徑信道下每個用戶的接收機只包括一個自適應檢測結構，它同時完成解擴、分集、檢測的功能，因此結構更加簡單。對應的自適應算法可以有兩種方法，一種是利用導頻符號信息，采用傳統的自適應算法計算橫向濾波器的權矢量，在發送數據期間采用判決引導的自適應算法，如果發現信道出現深度衰落，切換到盲目適應算法上，這種算法不適合在快衰落信道中實現。另一種方法是利用導頻信道信息，包括導頻信道的符號信息和擴頻碼信息，這時自適應算法可以不需要估計信道參數，直接計算權矢量，即使出現深度衰落或者用戶數發生變化，該算法能快速達到穩態，并具有很好的性能。 3．Turbo碼編譯碼器的設計與開發目前第三代移動通信系統的研究開發已經進入白熱化階段，幾乎所有大的電信公司和國家都為此投入了大量的人力物力，而作為第三代移動通信系統與第二代系統最重要的不同是要提供多種多樣的數據業務支持，所以對其中的糾錯編碼體制提出了更高的要求，而在ITU有關IMT－2000系統的建議中，如M.1225和IMT2000一EE等，并未對采用何種糾錯編碼方式作出規定，只是規定了要達到的誤碼率標準，一般語音業務BER在10-3，數據業務在10-6以下，所以各國的候選方案都圍繞著IMT一2000的要求來實施，普遍采用了卷積編碼，并且將目前非常熱門的Turbo code編碼用于數據傳輸，還有的方案采用RS編碼，在較高的編碼速率下實現優良的性能。Turbo code自1993年提出以后，經過幾年的研究，已經接近實用化階段，且在第三代移動通信系統研究開發非常激烈的現狀下，第三代移動通信系統“IMT－2000無線接口技術規范”建議提案中已經將TUrbo碼應用到系統中作為數據傳輸的編碼方式。香農（Shannon）信息論告訴我們，在有噪聲的信道上使用分組糾錯編碼或卷積碼等時，只有當分組長度或卷積編碼的約束長度n趨于無窮大時，糾錯編碼的性能才能接近香農的理論極限，如利用隨機碼平均。勝能可以達到理論值，但卻很難實現。最常用的譯碼方法是極大似然算法（ML），但該算法的復雜性卻隨n的增加而指數增加，直到實際上不可能實現的程度。因此很久以來人們一直在尋找碼率接近香農理論值，誤碼率小，譯碼復雜度低的好碼，并提出了許多構造好碼的方法，如：用等長的分組碼相連構造級連碼，以便把ML譯碼分成若干簡單步驟來進行，又如使用重復碼（iterative codes），乘積碼（product codes）和級連碼（concentrated codes）以及各種推廣。另外為降低譯碼復雜度而提出了各種次優譯碼算法，如卷積碼的序貫（sequential）譯碼等。還有為改善澤碼性能的各種軟判決Viterbi澤碼算法（SOVA），軟進／軟出（SISO）譯碼算法等。這些工作都為Turbo code的誕生奠定了堅實的基礎。 1993年Berrou等人提出的Turbo code實際上是前人工作的巧妙綜合和發展，最初的報告成果表明其譯碼性能可以接近香農理論值，如利用兩個碼率為1／2的卷積碼并行級聯而成的turbo code，在信噪比為0.7dB時，誤比特率可達10-5，但由于當時主要是數值模擬的結果，缺乏理論分析，因此最初人們的反應是懷疑，但以后幾年各方面的研究不僅重復了上述結果，而且有很多理論和實際應用的發展，表明Turbo code確實提供了構造好碼的途徑，因此Turbocode很快成為國際信息論和編碼理論界的研究熱點，并試圖應用到各種通信系統。 Turbo code在AWGN信道中其性能接近于香農容量極限，Turbo Code采用迭代，軟輸入／軟輸出的解碼算法，在相同解碼復雜度下性能大大超過傳統的卷積編碼。因為CDMA系統的容量與信號信噪比關系密切，所以性能改善直接提高了系統容量。 TUrbo code編碼器由并行的兩個遞歸卷積編碼器，及在第二遞歸卷積編碼器前的交織器（稱為“Turbo Interleaver”）組成。這兩個卷積編碼器稱為Turbo code的組成編碼器，信息比特由這兩個編碼器編碼，第一個卷積編碼器按照輸入原始順序編碼，第二個卷積編碼器按照Turbo交織器改變順序后的信息比特順序編碼。根據所設定的碼率，分別從原信息比特和兩個卷積編碼器的奇偶位輸出。例如，對R＝1／2和R＝1／3的Turbo code而言，所有奇偶位都要傳輸，對R＝ 1／2的編碼器，奇偶比特按10和01順序交替抽取。對于衰落信道，編碼后的比特還要經過一個交織器。第一個成分碼的系統和奇偶比特軟判決（最大似然）信息輸入到第一解碼器。第一解碼器將更新后的軟判決似然值經過TUrbo交織器后送入第二解碼器。另外，第二解碼器還接收更新過的原始信息比特，以及相應于奇偶比特信道軟判決信息。關于更新過的似然信息，從第二解碼器的軟判決輸出，反饋到第一解碼器，然后重復此過程。此過程可重復任意多次，但只需要有限幾次就可以，否則過多的迭代會造成輸出飽和。最后一極為硬判決輸出。就Turbo code在移動通信系統應用來說，關注的焦點在以下三個方面，評價Turbo code性能的標準也主要取決與以下三個因素：（1）交織方式和成員碼的選擇。設計一個性能優良的TUrbo碼，要將成員碼和交織器作為一體來考慮。交織方法有很多種，當交織長度很大時，因為碼字的隨機性，各種交織器的性能逐漸趨于一致，但在移動通信系統中，交織器不可能很大，不同的交織器性能有明顯差異，在特定條件下，需要設計最好的交織方式，并與成員碼的選擇配合，實現最好的編譯碼方案。成員碼可以采用分組碼，卷積碼等多種，目前最常見的采用RSC碼，如何充分發揮編譯碼的性能，在實際應用中是一個重點。（2）編譯碼性能，即能夠達到的最小誤碼率性能，第三代系統中要求數據業務的誤碼率小于10－6，在歐洲和日本的測試報告中，信噪比在2.5～3.5dB時，TUrbo code一般可以達到此要求，但交織規模都比較大。最大似然算法雖然性能最好，但實現困難，TUrbo code譯碼算法與卷積編碼中的Viterbi算法相比要復雜的多，所以發展各種次最優的譯碼算法，而且在實際的應用中，為了降低運算復雜度，還需要犧牲部分性能，如譯碼數組的規模，達到簡化譯碼復雜度的目的。（3）譯媽時延。Turbo code譯碼算法中存在迭代澤碼，所以引人了較大的時延，這在傳輸實時數據業務（如圖象，ip電話，電視會議）中是一個較難解決的問題。在TUrbo Code中，迭代過程是最有特色的，可以說是Turbo code具有優異性能的關鍵，通過研究表明，譯碼過程中迭代次數要到20～30次才能飽和，迭代的性能充分發揮，這與實際應用有矛盾，要在不影響譯碼性能的原則下，盡量減小迭代次數，降低譯碼時延。 Turbo code可以在譯碼復雜性和碼率之間實現較好的平衡，由于兩個譯碼器交換APP信息可以得到很高的編碼增益，采用不同的成員碼及不同的組合方案可以得到不同碼率的Turbo code，有時相對簡單的成員碼并行級連可以組成接近5hannon理論極限的性能（很大的交織器）。Turbo code在高噪聲的環境中的性能比其它的信道編碼方案要好很多。 Turbo code也有很明顯的缺點。（i）運算量大，要得到高碼率往往需要很大的交織器，這就增加了譯碼的復雜性，要根據實際需要來確定碼率和交織規模。（ii）由交織器和迭代譯碼造成的時延對應用有一定的限制。（iii）存在地板效應（floor），即誤比特率下降到一定程度（即稱為地板）再下降就比較困難了。（iv）理論分析不足。至今尚未有對trubo code編譯碼復雜性，誤比特率完整的分析。一般是通過數值模擬仿真，與其它編碼方法的比較而說明。在移動通信系統中，Turbo code以其優異的性能得到越來越多的關注，尤其在第三代移動通信系統中，因為數據信道的特點（很高的誤碼率要求和時延要求不高），非常適合采用Turob code作為其編譯碼方式的首選。三、結束語目前網絡用戶正在急劇增長，網絡正在成為人們生活中必不可少的一部分；同時全球的移動通信用戶也在快速增長，光我國在未來幾年移動電話用戶就將超過一億，而現在廣泛使用的第一代和第二代移動通信系統將不僅無法滿足用戶對于網絡等多媒體業務的要求，同時也無法達到未來移動通信用戶數大量幅度增加導致的系統容量的要求。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的研究，來加速我國移動通信產業的發展。

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