3G移动通信系统中的干扰抑制新技术.doc

3G移动通信系统中的干扰抑制新技术2004-10-11 谢新梅 宋荣方 　　摘要：本文介绍了第三代移动通信系统中的干扰抑制新技术，主要包括智能天线（自适应天线阵）技术、多用户检测技术以及这两种技术的多种联合优化模型。 　　关键词：智能天线 多用户检测 干扰抑制 自适应天线阵 　　1 引言 　　第三代移动通信系统(CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA)允许多用户同时使用相同的频带，它通过选择具有良好相关特性的地址码来区分多用户同时通信而互不干扰，从而实现多址通信。但由于在实际的异步和多径衰落的传输信道下，不可能设计成严格正交的扩频信号波形，这样就会引起多址信号之间的互干扰（即多址干扰）和“远近效应”，目前第三代移动通信系统中采用了一系列先进的干扰抑制技术来对抗干扰以实现各种通信业务的要求。 　　2 干扰抑制技术介绍 　　基于码分多址（CDMA）空中接口的移动通信技术是第三代移动通信中的首选方案，而码分多址系统是一个干扰限制系统，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，在此基础上挑选的相关特性较好的码字依然不能完全消除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信号干扰,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-95中采取的措施是采用单天线和RAKE接收，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，并以严格的功率控制作为辅助。但不能很好地抑制多址干扰。目前出现了两种具有巨大应用前景的多址干扰抑制新技术，这就是自适应天线阵技术（智能天线技术）和多用户检测技术。 　　2.1智能天线技术 　　在传统RAKE接收机前引入自适应阵列天线的空时2D-RAKE接收机，能够有效的抑制不同方向的MAI并对抗多径衰落，成为适应第三代系统要求的重要技术。智能天线在移动通信中的工作方式一般有两种：自适应方式和多波束方式。前者是利用阵列流形采用计算方法综合出特定形状的波束；后者就是采用某种准则（综合方法和自适应方法两种）形成波束，以对不断变化的环境做出响应。近年来，人们提出了一种新的时空二维的RAKE接收机。到达接收机的各多径分量不仅有不同的时延和衰耗，而且有不同的方向，即各多径分量有不同的信道矢量。采用单天线的接收机无法利用接收信号的空间结构，而采用自适应阵列天线（智能天线），通过增加一个新的空间维数使得分离具有不同的阵列响应矢量的多径信号成为可能。自适应阵列天线能自动将主波束指向所需用户方向，而零陷干扰用户方向，从而有效地抑制干扰。2-D RAKE接收机的原理框图如图1 所示： 图1 2-D RAKE天线的原理框图。 　　由图1可见，自适应阵列天线主要是由天线阵、波束形成网络和自适应处理器三部分组成的闭环反馈控制系统，它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。在自适应天线阵中最重要的就是波束形成算法，常用的波束形成算法有三类：一是传统的基于波到达方向（DOA）估计的算法，如MUSIC算法和ESPRIT算法，但在CDMA系统中小区内的用户数远大于天线阵元数，这种算法在实际中无法应用；二是利用参考信号或训练序列来形成最优波束；还有一类是盲波束形成技术。 　　以上仅考虑了单用户的情况,在多用户环境下，利用智能天线的波束形成器，将波束指向有用信号方向，能够有效地减少干扰源的数量，抑制多址干扰，同时也有效减轻了由于扩频码互相关特性不理想所造成的远近效应的影响。也可进一步在RAKE接收机后附加多用户检测技术，如最佳的最大似然序列检测，以及次最佳的解相关检测，最小均方误差（MMSE）检测和判决反馈检测等等。 　　2.2多用户检测技术 　　多址干扰是由于在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果。单用户接收机采用匹配滤波器作为相关判决的工具，并不考虑多址干扰的存在，每个用户的检测都不考虑其他用户的影响，是一种针对单用户检测的策略。一般说来，单个用户传输时不存在多址干扰，但在多用户环境中，当干扰用户数增加或者他们的发射功率增加时，多址干扰将不容忽视。因此多用户检测技术应允而生，其算法有最优检测算法和次优检测算法。其中次优检测算法分类情况如下图2所示： 图2 多用户检测算法分类方法 　　在CDMA系统中，多用户检测问题实际上就是从若干个随机变量线性组合后加噪声