宽带码分多址系统中的关键技术简介

宽带码分多址系统中的关键技术简介
    一、引言
    目前，全球移动通信用户已经超过了一亿，但是带宽窄，业务少已经限制了移动通信
业务的进一步发展，为了更好的适应移动通信业发展的需要，第三代移动通信系统的研究
和开发正迅速展开，国际上对采用码分多址（CDMA）技术已经达成了共识。目前中国，欧
洲，美国和日本的各大电信运营商以及一些研发机构对于宽带码分多址系统都提出了各自
方案，交由国际电信联盟讨论。在芬兰首都赫尔辛基于11月5日结束的为期两周的国际电
信联盟第三代移动通讯系统标准会议上，通过了举世瞩目的第三代移动通信系统“IMT－
2000无线接口技术规范”建议。中国代表在会上提出的TD-SCDMA技术写人了第三代无线接
口技术规范地面建议之中。移动电信市场将迎来继GSM后又一个大发展时期。
    IMT－2000移动通信系统的主要指标，是要在蜂窝小区范围内实现有限的多媒体业务
支持，主要目标有以下几个：
    ·全球范围设计的高度兼容性；
    ·在IMT－2000中的业务与固定网络的业务兼容；
    ·很小的袖珍手机，具有全球漫游能力；
    ·移动终端可以连接地面和卫星基础网，可移动使用也可固定使用；
    ·无线接口的类型应尽可能得少，而且在它们之间具有高度的兼容性；
    ·个人通信更好的安全性和易操作性。
    可以看出未来的第三代移动通信系统要具有很好的网络兼容性，用户终端可在全球范
围内漫游并在几个不同的系统间实现漫游，并实现移动多媒体功能，不仅为移动用户提供
第二代系统（GSM和CDMA）能够实现的话音及低速数据业务，而且要提供广泛的多媒体业
务，如话音、短消息、寻呼、中速到高速数据业务、可视图文、可视电话、多媒体业务复
用（话音、数据和图象）、端对端的加密话音和数据等。
    为了实现以上多媒体等业务，在宽带码分多址系统中必须采用一些关键技术来支持和
实现通信业务的增加和通信带宽的增大。一般来说，在物理链路层面的高速纠错编码尤其
是TUrbo码技术，智能天线技术，多用户检测技术，功率控制技术，RAKE接收机技术；在网
络层面软切换，小区规划，移动通信中的数据通信，WAP技术是当前技术研究的重点。由于
一些技术，如功率控制技术，在第一代和第二代移动通信系统中已经采用，因此本文将重
点简要介绍一些主要用于今后移动通信系统中的关键技术的研究和开发工作。
    二、一些关键技术的介绍
    由于码分多址系统是一个干扰限制系统，多址干扰的存在会严重影响系统性能，因此
如何有效抑制多址干扰（MAI）是第三代移动通信研究的关键。传统的多址干扰抑制方法是
寻找相关特性较好的码字，而理论上已经证明任何异步码字都不能很好地抑制多址干扰，
所以在第三代WCDMA系统中普遍采用同步工作方式；但由于多径效应的存在，在此基础上挑
选的好妈依然不能完全消除MAI，另外在码分多址系统中，信号经过衰落信道后在接收端引
起各个用户的接收功率不相等而产生远近效应，显然弱用户信号的接收性能会受强干扰用户
的严重影响而大幅度下降，因此在接收端克服远近效应也是降低多址干扰的一种方法。传统
的方法，如窄带码分多址系统IS一95中，是采用单天线和RAKE接收，并以严格的功率控制作
为辅助，不能很好地抑制多址干扰。利用有用信号和干扰信号在信号结构、空间和时间上的
传播特性等方面的差异，目前提出的主要有两种多址干扰抑制技术：智能无线和多用户检测。
对抗MAI的另一方法是减小它的影响，这可通过降低接收机检测门限来实现，即采用好的编
译码方法，目前国际上对于Turbo码比较看好，在第三代移动通信系统“IMT－2000无线接口
技术规范”建议中，TUrbo码已经成为数据传输用的编码方式。
    因此，我们将着重介绍，智能天线、多用户检测技术和Turbo码。
    1．智能天线
    阵列天线最初应用于雷达、声纳以及军事通信中，完成空间滤波和参数估计两大任务。
所谓空间滤波就是对消强方向性干扰，参数估计就是判问问题，目前雷达阵列信号处理完成
的一项功能就是超分辨，即在天线孔径一定的条件下，获得比常规方法高的分辨率，有代表
性的方法是MUSIC、ESPRIT方法。移动通信中对应于各用户的有用信号及其时延样本、干扰
信号在波达方向（DOA）上通常存在差异，传统的单天线和分集天线无法有效利用这一差别
信息，智能天线利用一定分布（可以是规则几何分布，也可以是非规则的、甚至是随机分布）
的天线阵对接收信号进行空间过采样来提取这一信息，并通过空域处理或空时二维处理来利
用它，达到对抗MAI和减小多径效应的目的。简单（但并不是很准确）地讲，智能天线通过
选择一组合适的合并权值（即空域或空时处理中的各抽头系数）来形成合适的方向图以放大
有用信号、抑制干扰。所以智能无线技术的核心就是正确确定这些抽头系数和实现适时调整。
智能天线在移动通信中的工作方式～般有两种：自适应方式和切换波束方式。
    波束形成有综合方法和自适应方法两种。前者是利用阵列流形（ArrayManifold）采用
计算方法综合出特定形状的波束，例如用切比雪夫方法对直线阵可以形成任意低旁瓣的波束
形状，这种方法需要在工作过程中对阵列进行矫正；后者就是采用某种准则形成波束，以对
不断变化的环境做出响应。自适应波束形成首先需要考虑自适应准则，已经证明采用最小均
方误差（MMSE）或最大信干噪比（SINR）都具有相同的稳态解，其它自适应准则还有基于信
号时域特征的准则，如恒模（CM）、有限符号、子空间、循环平稳等，前者需要参考信号或
者构造参考信号（如判决反馈算法），后者则不需要参考信号，即所谓的盲方法。
    理论上讲，全自适应天线可以达到性能最优，但在移动通信环境中，特别是用户比较多
时，全自适应天线很难保证实时准确地跟踪用户，另外自适应算法的计算复杂度和收敛速度
也限制了它在实际系统中的应用。
    与此相对的是基于预多波束的波束切换天线，预多波束无线的基本思想是用一组重叠的
固定波束覆盖整个空域，利用接收信号的部分信息，按照一定的准则来选择工作波束，比如
说选择具有最大功率波束或较大功率的几个波束合并作为判决信号的输出。这样相当于用阵
列天线实现了几个角天线的功能。由于对工作波束内的来向干扰抑制能力弱，因此杭远近干
扰的能力较弱，对功率控制技术有一定的依赖性。
    在预多波束天线中，波束固定，用户移动，这就要求系统不断地搜索、选择工作波束并
进行波束切换。考虑实际系统移动用户一般只在相邻两个波束间切换，因此一旦跟踪到工作
波束后，搜索过程可在相邻两个波束间进行，为防止某时刻在搜索波束范围外需增加新的工
作波束，可以定时地在整个波束范围内进行搜索。另外，波束切换与角天线中的更软切换不
同，更软切换的实现是在BSC或MSC中实现，需要上层信令的辅助，而波束切换可以直接在天
线的基带处理部分实现，而不需要传送过多的信令，减小系统资源开销，同时大大降低了系
统复杂度。
    2．多用户检测
    在码分多址系统中，多个用户同时随机接人，由于码字不正交引起多址干扰（MAI），
由于各用户的接收功率不同引起远近效应。传统方法采用匹配滤波器接收，受到MAI的严重
影响；为克服远近效应，需要严格的功率控制配合；这不仅增大了系统的复杂度，而且在多
径快衰落信道中无法保证功率相等，因而系统性能比较差。从信息论的角度看，码分多址系
统是一个多人多出（MIMO）的信道，因此单用户检测不能充分利用信道容量。1986年，S.Ve
rdu提出了多用户检测思想，认为MAI是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然
（ML）检测可以逼近单用户接收性能，可以有效地克服远近效应，并大大地提高系统容量。
但由于ML检测的复杂度为，基本无法实现，因此人们开始研究各种次优的多用户检测，目标
是寻找一个在实现中性能和复杂度都可以接受的检测技术。主要的次优检测有解相关检测、
最小均方误差（MMSE）检测、多级检测、判决反馈检测、干扰抵消检测、基于神经网络的检
测等，日本主要研究多级干扰抵消检测，美国则侧重自适应线性多用户检测的研究。
    多级干扰抵消（MIC）检测属于集中检测方式，其基本思想是利用前级检测结果前向（全
部或部分）反馈给下级检测，每级利用已检测的其他用户信息抵消MAI，其中每级干扰抵消检
测结构可以是串行方式（SIC）或并行方式（PIC）。MIC检测存在以下缺点：
   （1）需要知道所有用户的扩频码和定时信息、以及精确估计所有信道参数；
   （2）初级检测结果必须比较可靠，否则将导致误差传播；
   （3）用户数、信道特征的变化导致干扰抵消检测子单元个数的变化；
   （4）虽然在多径信道下串行干扰抵消检测的性能优于并行方式，但在宽带CDMA系统中，
其延迟是无法忍受的；
   （5）无法抵消邻区干扰。
    MIC检测的主要优点是适合在长码系统中实现。
    自适应线性多用户检测可以采用单用户接收结构。它包括MMSE检测和DD检测。其主要优
点是：
   （1）只需要本用户的扩频码和定时信息；
   （2）检测器不需要前置匹配滤波器，直接完成解扩和检测功能；
   （3）可以部分抑制邻区干扰。
    但自适应线性多用户检测适合在短码系统中实现，因此IMT-2000RTT建议保留了在上行链
路中采用短码扩频。自适应线性多用户检测的复杂度主要集中在自适应算法上。目前带训练
序列的非盲算法比较成熟，主要研究盲目适应算法，如约束最小输出能量（CMOE）算法、基
于子空间的算法和衡模算法（CMA）等，其计算复杂度可以降低到。
    考虑在多径信道下，目前国内外提出的结构主要是用检测结构替代RAKE接收中的匹配滤
波器，因此接收结构包括检测、信道估计和分集合并部分，复杂度仍比较高。为降低系统复
杂度，可以在多径信道下每个用户的接收机只包括一个自适应检测结构，它同时完成解扩、
分集、检测的功能，因此结构更加简单。对应的自适应算法可以有两种方法，一种是利用导
频符号信息，采用传统的自适应算法计算横向滤波器的权矢量，在发送数据期间采用判决引
导的自适应算法，如果发现信道出现深度衰落，切换到盲目适应算法上，这种算法不适合在
快衰落信道中实现。另一种方法是利用导频信道信息，包括导频信道的符号信息和扩频码信
息，这时自适应算法可以不需要估计信道参数，直接计算权矢量，即使出现深度衰落或者用
户数发生变化，该算法能快速达到稳态，并具有很好的性能。
    3．Turbo码编译码器的设计与开发
    目前第三代移动通信系统的研究开发已经进入白热化阶段，几乎所有大的电信公司和国
家都为此投入了大量的人力物力，而作为第三代移动通信系统与第二代系统最重要的不同是
要提供多种多样的数据业务支持，所以对其中的纠错编码体制提出了更高的要求，而在ITU有
关IMT－2000系统的建议中，如M.1225和IMT2000一EE等，并未对采用何种纠错编码方式作出
规定，只是规定了要达到的误码率标准，一般语音业务BER在10-3，数据业务在10-6以下，所
以各国的候选方案都围绕着IMT一2000的要求来实施，普遍采用了卷积编码，并且将目前非常
热门的Turbo code编码用于数据传输，还有的方案采用RS编码，在较高的编码速率下实现优
良的性能。Turbo code自1993年提出以后，经过几年的研究，已经接近实用化阶段，且在第
三代移动通信系统研究开发非常激烈的现状下，第三代移动通信系统“IMT－2000无线接口技
术规范”建议提案中已经将TUrbo码应用到系统中作为数据传输的编码方式。
    香农（Shannon）信息论告诉我们，在有噪声的信道上使用分组纠错编码或卷积码等时，
只有当分组长度或卷积编码的约束长度n趋于无穷大时，纠错编码的性能才能接近香农的理论
极限，如利用随机码平均。胜能可以达到理论值，但却很难实现。最常用的译码方法是极大
似然算法（ML），但该算法的复杂性却随n的增加而指数增加，直到实际上不可能实现的程度。
因此很久以来人们一直在寻找码率接近香农理论值，误码率小，译码复杂度低的好码，并提
出了许多构造好码的方法，如：用等长的分组码相连构造级连码，以便把ML译码分成若干简
单步骤来进行，又如使用重复码（iterative codes），乘积码（product codes）和级连码
（concentrated codes）以及各种推广。另外为降低译码复杂度而提出了各种次优译码算法，
如卷积码的序贯（sequential）译码等。还有为改善泽码性能的各种软判决Viterbi泽码算法
（SOVA），软进／软出（SISO）译码算法等。这些工作都为Turbo code的诞生奠定了坚实的
基础。
    1993年Berrou等人提出的Turbo code实际上是前人工作的巧妙综合和发展，最初的报告
成果表明其译码性能可以接近香农理论值，如利用两个码率为1／2的卷积码并行级联而成的
turbo code，在信噪比为0.7dB时，误比特率可达10-5，但由于当时主要是数值模拟的结果，
缺乏理论分析，因此最初人们的反应是怀疑，但以后几年各方面的研究不仅重复了上述结果，
而且有很多理论和实际应用的发展，表明Turbo code确实提供了构造好码的途径，因此Turbo
code很快成为国际信息论和编码理论界的研究热点，并试图应用到各种通信系统。
    Turbo  code在AWGN信道中其性能接近于香农容量极限，Turbo Code采用迭代，软输入
／软输出的解码算法，在相同解码复杂度下性能大大超过传统的卷积编码。因为CDMA系统的
容量与信号信噪比关系密切，所以性能改善直接提高了系统容量。
    TUrbo code编码器由并行的两个递归卷积编码器，及在第二递归卷积编码器前的交织器
（称为“Turbo Interleaver”）组成。这两个卷积编码器称为Turbo code的组成编码器，信
息比特由这两个编码器编码，第一个卷积编码器按照输入原始顺序编码，第二个卷积编码器
按照Turbo交织器改变顺序后的信息比特顺序编码。根据所设定的码率，分别从原信息比特和
两个卷积编码器的奇偶位输出。例如，对R＝1／2和R＝1／3的Turbo code而言，所有奇偶位
都要传输，对R＝ 1／2的编码器，奇偶比特按10和01顺序交替抽取。对于衰落信道，编码后
的比特还要经过一个交织器。
    第一个成分码的系统和奇偶比特软判决（最大似然）信息输入到第一解码器。第一解码
器将更新后的软判决似然值经过TUrbo交织器后送入第二解码器。另外，第二解码器还接收
更新过的原始信息比特，以及相应于奇偶比特信道软判决信息。关于更新过的似然信息，从
第二解码器的软判决输出，反馈到第一解码器，然后重复此过程。此过程可重复任意多次，
但只需要有限几次就可以，否则过多的迭代会造成输出饱和。最后一极为硬判决输出。
    就Turbo code在移动通信系统应用来说，关注的焦点在以下三个方面，评价Turbo code
性能的标准也主要取决与以下三个因素：
   （1）交织方式和成员码的选择。设计一个性能优良的TUrbo码，要将成员码和交织器作
为一体来考虑。交织方法有很多种，当交织长度很大时，因为码字的随机性，各种交织器的
性能逐渐趋于一致，但在移动通信系统中，交织器不可能很大，不同的交织器性能有明显差
异，在特定条件下，需要设计最好的交织方式，并与成员码的选择配合，实现最好的编译码
方案。成员码可以采用分组码，卷积码等多种，目前最常见的采用RSC码，如何充分发挥编
译码的性能，在实际应用中是一个重点。
   （2）编译码性能，即能够达到的最小误码率性能，第三代系统中要求数据业务的误码率
小于10－6，在欧洲和日本的测试报告中，信噪比在2.5～3.5dB时，TUrbo code一般可以达到
此要求，但交织规模都比较大。最大似然算法虽然性能最好，但实现困难，TUrbo code译码
算法与卷积编码中的Viterbi算法相比要复杂的多，所以发展各种次最优的译码算法，而且在
实际的应用中，为了降低运算复杂度，还需要牺牲部分性能，如译码数组的规模，达到简化
译码复杂度的目的。
   （3）译妈时延。Turbo code译码算法中存在迭代泽码，所以引人了较大的时延，这在传
输实时数据业务（如图象，IP电话，电视会议）中是一个较难解决的问题。在TUrbo Code中，
迭代过程是最有特色的，可以说是Turbo code具有优异性能的关键，通过研究表明，译码过
程中迭代次数要到20～30次才能饱和，迭代的性能充分发挥，这与实际应用有矛盾，要在不
影响译码性能的原则下，尽量减小迭代次数，降低译码时延。
    Turbo code可以在译码复杂性和码率之间实现较好的平衡，由于两个译码器交换APP信息
可以得到很高的编码增益，采用不同的成员码及不同的组合方案可以得到不同码率的Turbo 
code，有时相对简单的成员码并行级连可以组成接近5hannon理论极限的性能（很大的交织器）。
Turbo code在高噪声的环境中的性能比其它的信道编码方案要好很多。 Turbo code也有很明
显的缺点。
    （i）运算量大，要得到高码率往往需要很大的交织器，这就增加了译码的复杂性，要根
据实际需要来确定码率和交织规模。（ii）由交织器和迭代译码造成的时延对应用有一定的
限制。
    （iii）存在地板效应（floor），即误比特率下降到一定程度（即称为地板）再下降就
比较困难了。
    （iv）理论分析不足。至今尚未有对trubo code编译码复杂性，误比特率完整的分析。
一般是通过数值模拟仿真，与其它编码方法的比较而说明。
    在移动通信系统中，Turbo code以其优异的性能得到越来越多的关注，尤其在第三代移
动通信系统中，因为数据信道的特点（很高的误码率要求和时延要求不高），非常适合采用
Turob code作为其编译码方式的首选。
    三、结束语
    目前网络用户正在急剧增长，网络正在成为人们生活中必不可少的一部分；同时全球的
移动通信用户也在快速增长，光我国在未来几年移动电话用户就将超过一亿，而现在广泛使
用的第一代和第二代移动通信系统将不仅无法满足用户对于网络等多媒体业务的要求，同时
也无法达到未来移动通信用户数大量幅度增加导致的系统容量的要求。为此，我们要积极的
进行第三代移动通信系统的研究，尤其是一些关键技术的研究，来加速我国移动通信产业的
发展。