CDMA移动通信系统中抗远近效应技术

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1 CDMA移动通信系统的特点

CDMA（码分多址）是由多个码分信道共享载频信道的多址连接方式。在移动通信、个人通信及宽带无线接入领域，CDMA是最有竞争力的多址连接技术。与GSM/DCS 1800相比，CDMA系统有其技术上的优势。对运营者来讲，CDMA系统频带利用率高，在相同带宽下提供相同容量所需基站数少，大大降低网络建设成本。CDMA基站的覆盖特性也很好，基本与模拟基站覆盖范围相当。由于相邻小区可以使用相同的频率，因而频率规划变得很简单。对用户来说，CDMA系统具有话音质量好、发信功率小、保密性强等优点。

CDMA通信的基础是存在大量互相关性好的伪正交码，从而实现多个用户共享同一频段。最理想的假设是互相关值为零，但实际上是难以实现的，而且CDMA系统异步工作时，系统性能还要取决于部分互相关值和部分自相关值，故多址干扰始终存在。另外，加上源于多址干扰的远近效应的存在，使得CDMA系统的容量和通信质量严重下降。因此，研究多址干扰和远近效应的抑制技术对CDMA系统的研究有着极其重要的意义。

2 CDMA移动通信系统抗远近效应的技术

CDMA移动通信系统是干扰受限的系统，任何降低干扰和噪声的技术的采用都能提高系统的容量和通信的质量。目前采用的抗远近效应的主要技术是：

2.1 扩频码的选择

研究和设计具有互相关值低的伪随机码（如Walsh函数序列），在理想情况下，如果伪码是正交的，则不存在多址干扰问题。但是，实际应用中系统通常是工作在异步状态，设计在任何时延情况下都正交的扩频码是不可能的，只能是设计互相关值尽可能小的扩频码序列。

2.2 功率控制

CDMA技术的成功在很大程度上是依赖于功率控制技术的成功应用。功率控制是工程中解决远近效应的简单有效的方法。通过对基站和移动台发射功率的限制和优化，使得所有用户终端到达接收机具有相同的功率，从而使系统对远近效应有一定的抑制能力。功率控制由前向链路功率控制和反向链路功率控制来共同完成。

前向功率控制的目的主要是通过在各个前向业务信道上合理的分配功率来确保各个用户的通信质量，同时使前向链路容量达到最大。前向功率控制是在移动台的协助下完成的。移动台检测前向传输的误帧率，并向基站报告该误帧率的统计结果。基站根据移动台报告的误帧率统计结果，决定增大还是减小前向传输功率。

反向功率控制是控制移动台的发射功率，它由开环功率控制和闭环功率控制两部分来共同控制移动台的发射功率。开环功率控制是移动台根据它收到基站的导频信号的强度，估计前向传输路径的损耗，从而确定发射功率的大小。闭环功率控制是在移动台的协助下完成的。基站接收移动台的信号，并测量其信噪比，然后将其与一门限作为比较，若收到的信噪比大于门限值，基站就在前向传输信道上传输一个减小发射功率的命令；反之，就送出一个增加发射功率的命令。闭环功率控制可以修正反向传输和前向传输路径增益的变化，消除开环功率控制的不准确性。

但功率控制的能力和性能很大程度上依赖于功率测量的精度和功率控制命令产生和传输处理时延。另一方面，由于信号在移动通信传输中呈瑞利衰落，功率控制系统无法补偿由快衰落引起的信号功率的变化，特别是当移动台的运动速度很快时，功率控制技术会失效。尽管如此，功率控制技术仍然是一个成功的CDMA移动通信系统必不可少的一项关键技术。

2.3 多用户检测

由于多址干扰具有很强的结构性，在用户间扩频码的互相关系数已知的条件下，完全可以利用多址干扰的这些结构信息（扩频序列相关特性，信号幅度变化，信号同步特征等），进一步消除它的负面影响，提高系统的性能。针对这一点，S.Verdu首先提出多用户检测技术，它对每个用户信号的检测不是独立进行的，而是将输入信号经过一组匹配滤波器后得到多个用户的充分估计量，共同应用于每个用户进行联合检测。这种多用户检测可以为远近效应提供一个良好的解决途径。因此，采用了多用户检测的接收机，功率控制的要求可大大降低，同时，由于多用户检测中的干扰消除要求可大大降低，同时，由于多用户检测中心的干扰消除特性，也降低了用户码序列间的互相性的要求。因此，尽十多年来，多用户检测接收机的研究得到了越来越多的研究人员的重视。目前，已经是CDMA研究领域的一个热点问题。

多用户检测可分为线性检测和干扰消除两大类。线性多用户检测技术主要有：解相关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展检测。在抗远近效应方面常用的是解相关检测和最小均方误差检测。解相关检测器的基本思想是对匹配滤波器的输出进行线性处理，其变换矩阵是互相关系数矩阵的逆矩阵。这种方法不用估计接收信号的幅度，计算量小，但是解相关操作将加强斯白噪声，互相关系数矩阵的逆矩阵计算量仍然很大。最小均方误差检测器的基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检测器的输出间的均方差，最小的即为所求的线性变换。该检测器考虑了背景噪声的存在并利用接收信号的功率值进行相关计算，在消除多址干扰和不增强背景噪声之间取得了一个平衡点，但是它需要对信号的幅度进行估计，性能依赖于干扰用户的功率，因此在抗远近效应方面的性能不如解相关检测器。

干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除和并行干扰消除。串行干扰消除多用户检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判出一个就从总的接收信号中减去该信号，从而消除该用户信号造成的多址干扰。操作顺序是根据信号功率大小决定的，功率较大的信号先进行操作，因此，功率弱的信号受益最大。该检测器在性能比传统检测器有较大提高，但当信号功率强度发生变化时需要重新排序，最不利的情况是若初始数据判断不可靠将对下级产生较大影响；并行干扰消除多用户检测器具有多级结构，其第一级并行估计和去除各个用户造成的多址干扰，然后进行数据判决。由于采用了并行处理，克服了串行干扰消除多用户检测器延时大的缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序。

2.4 自适应干扰消除技术

多用户检测器在抑制多址干扰和远近效应方面有其优势的地方，但多用户检测器也存在局限性。所有的多用户接收机需要准确知道除本用户之外的所有正在通话的用户的时延和地址码。此外，一些多用户接收机还需估计信号的功率或码的互相关值。因此，人们的注意力转移到了自适应干扰消除技术上来。

自适应干扰消除技术只需知道所需恢复的用户的时延和地址码。目前采用的自适应干扰消除技术是盲自适应多用户检测。该检测中代价函数基于输出能量最小原理。将均衡器分为相互正交的两部分，其中一部分为用户的地址码，在迭代中不作变化。由于均衡器的自适应部分不能总是满足正交性条件，因此需要经常用它的正交分量来代替。当接收码与理想的地址码不一致时，必须引入剩余能量使输出能量最小。盲自适应多用户检测器在采用与传统接收机相同的输入条件下，能有效地克服远近效应。