第三代移动通信系统的抗干扰关键技术

胡 洁 谢显中

　　（重庆邮电学院移动通信重点实验室 重庆400065）

　　摘 要 智能天线，RAKE以及联合检测是第三代移动通信系统采用的抗干扰关键技术，这些技术用于减少CDMA码分多址系统的各种干扰，提高系统容量。本文对这几种技术进行了介绍，在此基础上，分别就智能天线结合RAKE(2D-RAKE),智能天线结合联合检测（SA+JD）的性能在特定的系统下进行仿真。最后，本文还简要介绍了移动通信系统的一些抗干扰的新技术和新思路。

　　关键词 码分多址 智能天线 RAKE 联合检测

　　1 引言

　　第三代移动通信系统的主流标准WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000都采用了码分多址方式，CDMA码分多址系统是一个干扰受限制系统，在信息的传输中，存在着多址干扰，多径干扰和远近效应。任何能提高系统抗干扰性能的技术都能提高CDMA的系统容量，本文针对移动通信中存在的各种干扰，对第三代移动通信系统采用的抗干扰关键技术进行了介绍。这些技术包括：空分多址智能天线技术，用于抗多径干扰的RAKE接收技术，抗多址干扰的联合检测技术，并对这些技术在特定系统中的性能进行了仿真。

　　2 智能天线

　　智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线是一种空分多址（SDMA）技术,主要包括两个方面：空域滤波和波达方向（DOA）估计。空域滤波（也称波束赋形）的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。

　　智能天线通过自适应算法控制加权，自动调整天线的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而在有用信号方向形成主波束，达到抑制干扰的目的。加权系数的自动调整就是波束的形成过程。智能天线波束成型大大降低了多用户干扰，同时也减少了小区间干扰。

　　3 2D-RAKE接收机

　　3.1 2D-RAKE接收机原理

　　智能天线抑制干扰的能力在多数情况下受天线阵元个数的限制，且当感兴趣信号存在多个非相关多径时，阵列只保留其中的一路信号，而把零陷对准其它信号，这样，阵列能够减小由非相关多径带来的干扰，但未能发挥路径分集的优势，因而是次最优的。为此，联合时域和空域处理的接收技术成为研究的热点。

　　当信道存在多径时延扩展，且时延大于一个码片周期时，这些多径信号既是多径干扰，又是一些有价值的分集源,由此产生了2D-RAKE接收机。目前2D-RAKE接收机讨论最多的是应用在WCDMA上行链路。

　　空时RAKE接收机首先对存在角度扩展的多个路径分量进行波束成型，以降低DOA可分辨的其它用户信号产生的多址干扰或期望信号的非相关多径分量，然后将经过空间滤波后的信号送入RAKE合并器，以充分利用延迟可分辨的期望信号的多个路径的能量。空间波束形成旨在衰减干扰信号，而时间多径合并旨在利用有用信号。

　　与时域和空域一维干扰抑制不同的是，空时二维干扰抑制不再使用强迫置零条件，而是考虑噪声的存在，使用优化准则。空时处理有名的优化准则有两个，一个是空时最小均方误差准则，另外一个是空时最大似然准则（习惯上称作最大似然序列估计MLSE准则）。

　　3.2 2D-RAKE仿真环境参数设置和假设：

　　WCDMA上行链路，IMT-2000车载A信道模型，天线阵天线采用8阵元均匀线阵，阵元间隔为1/2λ。

　　物理层参数符合WCDMA要求：1) 载波频率：2GHz ；2）Chip速率：3.84Mcps ；3）采样速率：3.84*8=30.72Msps；4）OVSF扩频：DPDCH（16），DPCCH（256）；5）不考虑信道编码和交织；6）用户Kasami码加扰

　　3.3 仿真结果分析：

　　（1）当天线无过载时（用户数小于8），2D-RAKE接收机比传统RAKE接收机有明显的性能改善，能有效的对抗多址干扰。

　　（2）传统RAKE接收机在没有信道编码时4用户，由于多址干扰严重，BER在10-1出现地板效应，而2D-RAKE接收机则可以达到10-2以下的性能，但在10-3出现地板效应。如要获得更好的性能，必须依靠信道编码技术。

　　4 联合检测技术

　　传统的接收技术是针对某一用户进行信号检测而把其他用户作为噪声加以处理，在用户数增多时，导致了信噪比恶化，系统性能和容量都不如人意。联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号及其多径的先验信息（信号之间的相关性时已知的：如确知的用户信道码，各用户的信道估计），把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量，并削弱了“远近效应”的影响。

　　5 智能天线结合联合检测（SA+JD）在TD-SCDMA中的应用

　　5.1 SA+JD的工作原理

　　TD-SCDMA系统结合使用了智能天线和联合检测技术：1）智能天线消除小区间干扰，联合检测消除小区内干扰，两者配合使用；2）智能天线缓解了联合检测过程中信道估计的不准确对系统性能恶化的影响；3）当用户增多时，联合检测的计算量非常大，智能天线的使用减少了潜在的多用户; 4）智能天线的阵元数有限，对于M个阵元的智能天线只能抑制M-1个干扰源，而且所形成的副瓣对其它用户而言仍然是干扰，只能结合联合检测来减少这些干扰；5）在用户高速移动下，TDD模式上下行采用同样空间参数使得波束成型有偏差；用户在同一方向时，智能天线不能起到作用；还有对时延超过一个码片的多径造成的码间干扰都需要联合检测来弥补。

　　5.2 SA+JD仿真环境参数设置：

　　TD-SCDMA上行链路,单小区，IMT-2000的室内、步行和车载A信道模型，天线阵天线采用8阵元均匀线阵，阵元间隔为1/2λ。

　　物理层参数符合TD-SCDMA要求：1）载波带宽1.6MHz ；2）Chip速率：1.28Mcps；3）不考虑信道编码和交织 。

　　5.3 仿真结果分析

　　仿真结果表明，通过智能天线和联合检测相结合，TD-SCDMA系统能在ITU要求的三种多径环境下工作在满码道，同时具有较好的抗干扰性能。

　　6 第三代移动通信系统抗干扰技术的展望

　　联合检测用于解决多用户之间的干扰问题，而RAKE接受用于解决多径干扰问题，两者虽然不能直接比较，但实现上可以研究在联合检测前加上RAKE接收的算法。此外，第三代系统对多普勒频移的要求更加严格，如何增加RAKE接收机的分支数目，对多径进行有效地分离、调整、选择与合并，需要更加深入地研究。

　　由于系统的复杂度和成本考虑，智能天线和联合检测这两种技术主要在基站采用，下一步探索在移动终端使用2D-RAKE或者干扰消除（IC）的可行性。此外学术界还提出了下行链路的多用户传输技术--联合发送（JT），即把联合检测转到发送端来执行，旨在提高下行链路的实际数据传输速率和简化移动台的设计。

　　参 考 文 献

　　[1] 谢显中，《TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现》，电子工业出版社

　　[2] 康绍莉，裘正定，李世鹤，“线性联合检测算法在TD-SCDMA系统中的性能分析与比较”，《通信学报》2002年第6期

　　[3] Han shuangfeng，Wang youzheng, Wang jing“Performance Comparison of 2D-RAKE and smart antenna”，IEEE，0-7803-7484-3/02

　　胡 洁 系重庆邮电学院通信与信息系统专业研究生，研究方向“个人通信”，导师为谢显中。

----《中国数据通信》