第三代移动通信系统CDMA的关键技术

 
　　在3G系统中，CDMA系统成为了最具竞争力、最具发展前景的无线多址技术。虽然CDMA扩频技术可以采用直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）以及它们的组合等，但在移动通信中一般选用直接序列扩频，它构成了我们常说的DS-CDMA系统。它的核心网是在GSMANSI-41的基础上发展而来的，其空中接口和相应的2G系统后向兼容。它的3种工作模式为：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式。

　　在主流3G系统中，空中接口技术采用CDMA方式，因此主要具有以下一些优点：（1）通信容量大。CDMA是自干扰受限系统，任何干扰的减少都可以直接转化为系统容量的提高。因此一些能降低干扰功率的技术，如话音激活技术、功率控制技术等，都有可能提高系统容量。一般来说，在同样条件下，采用CDMA方式的系统容量约是采用数字TDMA的GSM系统容量的4-6倍，是模拟系统容量的20倍。（2）系统具有软容量特性。CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现通信硬阻塞情况。小区覆盖范围的动态调整，可以平衡各个小区的业务量，这对于解决通信高峰期的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。（3）更适合在衰落信道中传输。移动信道在一般情况下是一个时变多径衰落信道，而在CDMA系统中，由于采用了宽带传输，所以具有了特有的频率分集特性，即当信道具有频率选择特性时，对CDMA系统中信息传输的影响较小。（4）平滑的软切换特性。在CDMA系统中，所有的小区（或扇区）都可以使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切抽象得以平滑实现。（5）良好的通信安全性。CDMA系统采用扩频技术，使发射的信号频谱被扩展得很宽，从而使所发射的信号完全隐蔽在噪声和干扰中，不易被发现和接收。

　　第三代移动通信系统CDMA采用的关键技术有下面几种。

1、RAKE接收技术

　　移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传输所造成的多径衰落现象是移动通信的一个基本问题。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号，对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为Rake接收技术，也即多径分集接收技术。Rake接收机在利用多径信号的基础上可以降低基站和移动台的发射功率。而在GSM手机中只能通过时域均衡器抵消多径效应，不能通过多路信号的能量叠加而降低发射功率。

2、智能天线技术

　　用智能天线对接收信号进行空域处理可减小多址干扰对信号的影响，采用具有一定方向性的扇形天线可以掏除某一角度内的其他干扰，提高系统性能。以前由于智能天线的高度复杂性和能量消耗较大，对它的研究大都局限于在基站中的应用，直至近几年，智能天线技术才被引入到移动台中。智能天线有望显著地提高第三代移动台的性能，因此也成为第三代移动通信系统的研究热点之一。我国提出的具有自主知识产权的TD-SCDMA第三代移动通信系统，也采用了先进的智能天线技术。

　　偌站智能天线包括两个重要组成部分；一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑制欺了移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减小对其他移动台的干扰。智能天线技术用于TDD（时分双工）方式的CDMA系统是比较合适的，这是因为选用TDD方式后收发信道使用相同的频率，这样就可以利用接收电波的特点来调整发射信号。智能天线技术能用接收电波的特点来调整发射信号。智能天线技术能够在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量。当然智能天线技术也存在一些局限性，例如由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。

3、多用户检测技术

　　多用户检测理论和技术的基本思想是利用多址干扰中包含的用户间的互相关信息来估计干扰、降低或消除干扰的影响。多用户检测算法能充分利用扩频码的结构信息与统计信息联合检测多个用户的信号。多用户检测技术是抑制多址干扰技术中最有潜力的一种方法，并已经成为第三代移动通信标准中倡导的关键技术之一。它具有以下一些好处：提高带宽利用率，抑制多径干扰；消除或减轻远近效应，降低了对功控高度精度的要求，可简化功控；弥补扩频码互相关性不理想造成的影响；减小发射功率，延长移动台电池的使用时间，同时也减小移动台的电磁辐射；改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖范围。

　　当然多用户检测技术也存在一些局限性，首先是来自其他小区的MAI（多路存取干扰）依然存在，在多用户检测算法中只考虑了同小区其他用户的干扰，并没有考虑来自相邻小区的干扰，而这种干扰自然会影响系统性能。其次由于移动台的接收设备不能做得太复杂，故在下行信道执行多用户检测有一定难度。除此之外多用户检测还大大增加了设备的复杂度；增加了系统时延，特别是采用自适应算法时更为严重；多用户检测一般需要知道用户的一些信息，需要通过不断地信道估计来实现，估计的精度会直接影响检测器的性能。

4、高效编译码技术

　　在无线通信中，人们很关心频谱利用率和功率利用率。一般的编码技术是通过牺牲频谱利用率来换取功率利用率的提高，这是因为采用了信道纠错编码技术（ECC）后增加了信息的冗余位，这样必然降低了频谱利用率，但同时由于引入了冗余位增加了信道纠错能力，降低了比特误码率（BER），在保证一定信噪比的情况下可以降低发射功率，因此提高了功率利用率。

　　在第三代移动通信系统主要提案中（包括WCDMA和cdma2000等），除了采用IS-95 CDMA系统相类似的卷积编码技术及交织技术之外，还采用了Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。卷积码具有记忆能力，可用维特比译码，具有很高的编码增益。而交织技术性错误，也就是说能将码字的长连错转化成每个纠错码字里只有一个或两个错误，这样有利于对付信道传输里由于只有一个或两个错误，这样有利于对付信道传输里由于突发性干扰而引起的长连串错误，交织不会引入冗余码，所以也就不会降低频谱利用率。Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并输之一个交织器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔（Puncture）操作后输出。相应地，Turbo解码器由首尾相连、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1000、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率（MAP）算法条件下，其性能比约束长度为9的卷积码提高1-2.5dB。但Turbo编码技术只能用在第三代系统中的高速数据中，这是因为语音及低速率数据长度不满足交织长度的要求。RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。

5、功率控制技术

　　在CDMA系统中，由于用户使用相同的频带，用户的扩频码之间存在非理想的相关特性，因此任何一个用户对其他用户来说都是干扰源。如果干扰用户比目标用户距离基站近很多，即使忽略衰落的影响，信号的路径衰耗亦与用户距基站的距离的三次方成正比，则干扰信号在基站的接收功率会比目标用户信号的接收功率大很多，这样，传统接收机的输出中多址干扰分量就可能很严重，甚至会淹没目标用户的信号。这种现象被称为远近效应。功率控制可以有效地减小远近效应的影响，已经成为第三代通信标准中最为重要的核心技术之一。

　　常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制3种类型。在IS-95中，闭环功率控制技术只用在上行信道中。而在WCDMA和cdma2000系统中，下行信道则采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率控制技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒1500次，后者为每秒800次。

　　当然功率控制技术也存在一些缺点，首先是不能从根本上消除多址干扰，其极限是各个用户的接收功率都相等时的接收性能。其次是占用信道传递功率控制信息，存在算法收敛速度，性能与用户移动速度有关和系统复杂等。