寬帶碼分多址系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)簡介
一、引言
目前,全球移動通信用戶已經(jīng)超過了一億,但是帶寬窄,業(yè)務(wù)少已經(jīng)限制了移動通信
業(yè)務(wù)的進一步發(fā)展,為了更好的適應(yīng)移動通信業(yè)發(fā)展的需要,第三代移動通信系統(tǒng)的研究
和開發(fā)正迅速展開,國際上對采用碼分多址(CDMA)技術(shù)已經(jīng)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(fā)機構(gòu)對于寬帶碼分多址系統(tǒng)都提出了各自
方案,交由國際電信聯(lián)盟討論。在芬蘭首都赫爾辛基于11月5日結(jié)束的為期兩周的國際電
信聯(lián)盟第三代移動通訊系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)會議上,通過了舉世矚目的第三代移動通信系統(tǒng)“IMT-
2000無線接口技術(shù)規(guī)范”建議。中國代表在會上提出的TD-SCDMA技術(shù)寫人了第三代無線接
口技術(shù)規(guī)范地面建議之中。移動電信市場將迎來繼GSM后又一個大發(fā)展時期。
IMT-2000移動通信系統(tǒng)的主要指標(biāo),是要在蜂窩小區(qū)范圍內(nèi)實現(xiàn)有限的多媒體業(yè)務(wù)
支持,主要目標(biāo)有以下幾個:
·全球范圍設(shè)計的高度兼容性;
·在IMT-2000中的業(yè)務(wù)與固定網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)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(wèi)星基礎(chǔ)網(wǎng),可移動使用也可固定使用;
·無線接口的類型應(yīng)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(tǒng)要具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性,用戶終端可在全球范
圍內(nèi)漫游并在幾個不同的系統(tǒng)間實現(xiàn)漫游,并實現(xiàn)移動多媒體功能,不僅為移動用戶提供
第二代系統(tǒng)(GSM和CDMA)能夠?qū)崿F(xiàn)的話音及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),而且要提供廣泛的多媒體業(yè)
務(wù),如話音、短消息、尋呼、中速到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、可視圖文、可視電話、多媒體業(yè)務(wù)復(fù)
用(話音、數(shù)據(jù)和圖象)、端對端的加密話音和數(shù)據(jù)等。
為了實現(xiàn)以上多媒體等業(yè)務(wù),在寬帶碼分多址系統(tǒng)中必須采用一些關(guān)鍵技術(shù)來支持和
實現(xiàn)通信業(yè)務(wù)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(shù),智能天線技術(shù),多用戶檢測技術(shù),功率控制技術(shù),RAKE接收機技術(shù);在網(wǎng)
絡(luò)層面軟切換,小區(qū)規(guī)劃,移動通信中的數(shù)據(jù)通信,WAP技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)研究的重點。由于
一些技術(shù),如功率控制技術(shù),在第一代和第二代移動通信系統(tǒng)中已經(jīng)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(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)工作。
二、一些關(guān)鍵技術(shù)的介紹
由于碼分多址系統(tǒng)是一個干擾限制系統(tǒng),多址干擾的存在會嚴(yán)重影響系統(tǒng)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(guān)鍵。傳統(tǒng)的多址干擾抑制方法是
尋找相關(guān)特性較好的碼字,而理論上已經(jīng)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(tǒng)中普遍采用同步工作方式;但由于多徑效應(yīng)的存在,在此基礎(chǔ)上挑
選的好媽依然不能完全消除MAI,另外在碼分多址系統(tǒng)中,信號經(jīng)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(chǎn)生遠近效應(yīng),顯然弱用戶信號的接收性能會受強干擾用戶
的嚴(yán)重影響而大幅度下降,因此在接收端克服遠近效應(yīng)也是降低多址干擾的一種方法。傳統(tǒng)
的方法,如窄帶碼分多址系統(tǒng)IS一95中,是采用單天線和RAKE接收,并以嚴(yán)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(jié)構(gòu)、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(shù):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(xiàn),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(tǒng)“IMT-2000無線接口
技術(shù)規(guī)范”建議中,TUrbo碼已經(jīng)成為數(shù)據(jù)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(shù)和Turbo碼。
1.智能天線
陣列天線最初應(yīng)用于雷達、聲納以及軍事通信中,完成空間濾波和參數(shù)估計兩大任務(wù)。
所謂空間濾波就是對消強方向性干擾,參數(shù)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(guī)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(yīng)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(tǒng)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(guī)則幾何分布,也可以是非規(guī)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(yīng)的目的。簡單(但并不是很準(zhǔn)確)地講,智能天線通過
選擇一組合適的合并權(quán)值(即空域或空時處理中的各抽頭系數(shù))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(shù)的核心就是正確確定這些抽頭系數(shù)和實現(xiàn)適時調(diào)整。
智能天線在移動通信中的工作方式~般有兩種:自適應(yīng)方式和切換波束方式。
波束形成有綜合方法和自適應(yīng)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(zhǔn)則形成波束,以對
不斷變化的環(huán)境做出響應(yīng)。自適應(yīng)波束形成首先需要考慮自適應(yīng)準(zhǔn)則,已經(jīng)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(wěn)態(tài)解,其它自適應(yīng)準(zhǔn)則還有基于信
號時域特征的準(zhǔn)則,如恒模(CM)、有限符號、子空間、循環(huán)平穩(wěn)等,前者需要參考信號或
者構(gòu)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(yīng)天線可以達到性能最優(yōu),但在移動通信環(huán)境中,特別是用戶比較多
時,全自適應(yīng)天線很難保證實時準(zhǔn)確地跟蹤用戶,另外自適應(yīng)算法的計算復(fù)雜度和收斂速度
也限制了它在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用。
與此相對的是基于預(yù)多波束的波束切換天線,預(yù)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(zhǔn)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(dāng)于用陣
列天線實現(xiàn)了幾個角天線的功能。由于對工作波束內(nèi)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(shù)有一定的依賴性。
在預(yù)多波束天線中,波束固定,用戶移動,這就要求系統(tǒng)不斷地搜索、選擇工作波束并
進行波束切換?紤]實際系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn)是在BSC或MSC中實現(xiàn),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(xiàn),而不需要傳送過多的信令,減小系統(tǒng)資源開銷,同時大大降低了系
統(tǒng)復(fù)雜度。
2.多用戶檢測
在碼分多址系統(tǒng)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(yīng)。傳統(tǒng)方法采用匹配濾波器接收,受到MAI的嚴(yán)重
影響;為克服遠近效應(yīng),需要嚴(yán)格的功率控制配合;這不僅增大了系統(tǒng)的復(fù)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(tǒng)性能比較差。從信息論的角度看,碼分多址系
統(tǒng)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.Ve
rdu提出了多用戶檢測思想,認為MAI是具有一定結(jié)構(gòu)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(yīng),并大大地提高系統(tǒng)容量。
但由于ML檢測的復(fù)雜度為,基本無法實現(xiàn),因此人們開始研究各種次優(yōu)的多用戶檢測,目標(biāo)
是尋找一個在實現(xiàn)中性能和復(fù)雜度都可以接受的檢測技術(shù)。主要的次優(yōu)檢測有解相關(guān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢
測等,日本主要研究多級干擾抵消檢測,美國則側(cè)重自適應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shù);
(2)初級檢測結(jié)果必須比較可靠,否則將導(dǎo)致誤差傳播;
(3)用戶數(shù)、信道特征的變化導(dǎo)致干擾抵消檢測子單元個數(shù)的變化;
(4)雖然在多徑信道下串行干擾抵消檢測的性能優(yōu)于并行方式,但在寬帶CDMA系統(tǒng)中,
其延遲是無法忍受的;
(5)無法抵消鄰區(qū)干擾。
MIC檢測的主要優(yōu)點是適合在長碼系統(tǒng)中實現(xiàn)。
自適應(yīng)線性多用戶檢測可以采用單用戶接收結(jié)構(gòu)。它包括MMSE檢測和DD檢測。其主要優(yōu)
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(qū)干擾。
但自適應(yīng)線性多用戶檢測適合在短碼系統(tǒng)中實現(xiàn),因此IMT-2000RTT建議保留了在上行鏈
路中采用短碼擴頻。自適應(yīng)線性多用戶檢測的復(fù)雜度主要集中在自適應(yīng)算法上。目前帶訓(xùn)練
序列的非盲算法比較成熟,主要研究盲目適應(yīng)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(fù)雜度可以降低到。
考慮在多徑信道下,目前國內(nèi)外提出的結(jié)構(gòu)主要是用檢測結(jié)構(gòu)替代RAKE接收中的匹配濾
波器,因此接收結(jié)構(gòu)包括檢測、信道估計和分集合并部分,復(fù)雜度仍比較高。為降低系統(tǒng)復(fù)
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(yīng)檢測結(jié)構(gòu),它同時完成解擴、
分集、檢測的功能,因此結(jié)構(gòu)更加簡單。對應(yīng)的自適應(yīng)算法可以有兩種方法,一種是利用導(dǎo)
頻符號信息,采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法計算橫向濾波器的權(quán)矢量,在發(fā)送數(shù)據(jù)期間采用判決引
導(dǎo)的自適應(yīng)算法,如果發(fā)現(xiàn)信道出現(xiàn)深度衰落,切換到盲目適應(yīng)算法上,這種算法不適合在
快衰落信道中實現(xiàn)。另一種方法是利用導(dǎo)頻信道信息,包括導(dǎo)頻信道的符號信息和擴頻碼信
息,這時自適應(yīng)算法可以不需要估計信道參數(shù),直接計算權(quán)矢量,即使出現(xiàn)深度衰落或者用
戶數(shù)發(fā)生變化,該算法能快速達到穩(wěn)態(tài),并具有很好的性能。
3.Turbo碼編譯碼器的設(shè)計與開發(fā)
目前第三代移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā)已經(jīng)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(tǒng)與第二代系統(tǒng)最重要的不同是
要提供多種多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(guān)IMT-2000系統(tǒng)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(guī)定,只是規(guī)定了要達到的誤碼率標(biāo)準(zhǔn),一般語音業(yè)務(wù)BER在10-3,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)傳輸,還有的方案采用RS編碼,在較高的編碼速率下實現(xiàn)優(yōu)
良的性能。Turbo code自1993年提出以后,經(jīng)過幾年的研究,已經(jīng)接近實用化階段,且在第
三代移動通信系統(tǒng)研究開發(fā)非常激烈的現(xiàn)狀下,第三代移動通信系統(tǒng)“IMT-2000無線接口技
術(shù)規(guī)范”建議提案中已經(jīng)將TUrbo碼應(yīng)用到系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式。
香農(nóng)(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(dāng)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(nóng)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(xiàn)。最常用的譯碼方法是極大
似然算法(ML),但該算法的復(fù)雜性卻隨n的增加而指數(shù)增加,直到實際上不可能實現(xiàn)的程度。
因此很久以來人們一直在尋找碼率接近香農(nóng)理論值,誤碼率小,譯碼復(fù)雜度低的好碼,并提
出了許多構(gòu)造好碼的方法,如:用等長的分組碼相連構(gòu)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(fù)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(fù)雜度而提出了各種次優(yōu)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(chǔ)。
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(fā)展,最初的報告
成果表明其譯碼性能可以接近香農(nóng)理論值,如利用兩個碼率為1/2的卷積碼并行級聯(lián)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(dāng)時主要是數(shù)值模擬的結(jié)果,
缺乏理論分析,因此最初人們的反應(yīng)是懷疑,但以后幾年各方面的研究不僅重復(fù)了上述結(jié)果,
而且有很多理論和實際應(yīng)用的發(fā)展,表明Turbo code確實提供了構(gòu)造好碼的途徑,因此Turbo
code很快成為國際信息論和編碼理論界的研究熱點,并試圖應(yīng)用到各種通信系統(tǒng)。
Turbo code在AWGN信道中其性能接近于香農(nóng)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(fù)雜度下性能大大超過傳統(tǒng)的卷積編碼。因為CDMA系統(tǒng)的
容量與信號信噪比關(guān)系密切,所以性能改善直接提高了系統(tǒng)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(jù)所設(shè)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(jīng)過一個交織器。
第一個成分碼的系統(tǒng)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(jīng)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(yīng)于奇偶比特信道軟判決信息。關(guān)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(fù)此過程。此過程可重復(fù)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(tǒng)應(yīng)用來說,關(guān)注的焦點在以下三個方面,評價Turbo code
性能的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計一個性能優(yōu)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(dāng)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(tǒng)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(shè)計最好的交織方式,并與成員碼的選擇配合,實現(xiàn)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(fā)揮編
譯碼的性能,在實際應(yīng)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(tǒng)中要求數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(guī)模都比較大。最大似然算法雖然性能最好,但實現(xiàn)困難,TUrbo code譯碼
算法與卷積編碼中的Viterbi算法相比要復(fù)雜的多,所以發(fā)展各種次最優(yōu)的譯碼算法,而且在
實際的應(yīng)用中,為了降低運算復(fù)雜度,還需要犧牲部分性能,如譯碼數(shù)組的規(guī)模,達到簡化
譯碼復(fù)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(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(yōu)異性能的關(guān)鍵,通過研究表明,譯碼過
程中迭代次數(shù)要到20~30次才能飽和,迭代的性能充分發(fā)揮,這與實際應(yīng)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(shù),降低譯碼時延。
Turbo code可以在譯碼復(fù)雜性和碼率之間實現(xiàn)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(huán)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(fù)雜性,要根
據(jù)實際需要來確定碼率和交織規(guī)模。(ii)由交織器和迭代譯碼造成的時延對應(yīng)用有一定的
限制。
(iii)存在地板效應(yīng)(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(fù)雜性,誤比特率完整的分析。
一般是通過數(shù)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(tǒng)中,Turbo code以其優(yōu)異的性能得到越來越多的關(guān)注,尤其在第三代移
動通信系統(tǒng)中,因為數(shù)據(jù)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(jié)束語
目前網(wǎng)絡(luò)用戶正在急劇增長,網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)在廣泛使
用的第一代和第二代移動通信系統(tǒng)將不僅無法滿足用戶對于網(wǎng)絡(luò)等多媒體業(yè)務(wù)的要求,同時
也無法達到未來移動通信用戶數(shù)大量幅度增加導(dǎo)致的系統(tǒng)容量的要求。為此,我們要積極的
進行第三代移動通信系統(tǒng)的研究,尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)的研究,來加速我國移動通信產(chǎn)業(yè)的
發(fā)展。