智能移动通信技术2

第３ 代移动通信系统应有极大系统容量、极好通信质量和极高频带利用率，

要实现这一目标需要采用智能技术。本刊上一期已介绍了移动通信技术的发展、

智能天线技术，本期将对智能传输、智能接收技术进行介绍。

３ 智能传输

３．１ 自适应调制技术

    新一代移动通信是要实现不同媒体、不同速率、不同质量要求的通信，常规的通信传输技术以某一固定调制技术为中心进行，不能因信道业务量的改变，通信质量的不同，信道条件的恶化而动态改变以适应无线多媒体通信需要。因此，实现新一代通信，改变固定调制方式，采用智能化自适应处理传输调制方式和相应参数就显得非常必要。传输技术智能化的主要功能是：对业务流量进行动态改变；按信息业务类型控制通信质量；对信道衰落进行相应的适应改变；增加系统容量。

    智能传输最重要的技术是自适应调制技术，由传送数据分配器（串并转换）、选择性调制器、可控载波和处理信道估值信号的自适应控制器组成。Ｗ．Ｔ．Ｗｅｂｂ等给出了实现自适应的星形正交调幅（ＱＡＭ）调制技术，它比最早提出的仅控制传输功率的自适应调制方法简单得多，对控制系统容量也是有效的。当应用它来补偿衰落影响时，还能非常有效的改善传输质量。

    移动通信中，接收信号因用户移动传播环境改变而动态变化。为适应信号的不同衰落变化，把自适应调制技术分成低速自适应调制方式和快速自适应调制方式。低速自适应调制方式中，发射端对调制载波、时隙、带宽和调制参数作选择，是依据与传输信道统计特性紧密相关的平均信号干扰比，平均时延扩展，中断概率和用户实际业务量及需要的数据速率来确认的。这种选择基于信道的统计特性，非常适合于频分复用分割（ＦＤＤ）方式。其接收信号的平均误码率是在瑞利衰落信道环境下选择的调制方式和参数的函数。如果希望的误码率为ＢＥＲｔｈ，首先测量接收信号的信干比Ｃ／Ｉｃ并送到发送端，据此可调整调制方式和参数，确定最大传输速率，使接收方获得的误码率小于等于ＢＥＲｔｈ。对ＱＡＭ调制，ＢＥＲｔｈ等于１０－２，最大时延为一符号间隔。其中１／２ＱＰＳＫ是数据速率低一倍的四相相移键控（ＱＰＳＫ）调制，１／４ＱＰＳＫ是数据速率低２倍的ＱＰＳＫ调制。按Ｔ．Ｋａｎａｉ给出的小区频率重复利用数的不同安排，在不同中断概率情况下，采用自适应调制的频谱利用率比常规固定调制的频谱利用率高。中断概率１０％时，自适应调制的频谱利用率比常规固定调制的高３．５倍。它的另一个优点，是可改变ＢＥＲｔｈ 来控制通信服务质量。ＢＥＲｔｈ低，有更高的传输质量；ＢＥＲｔｈ高，系统容量增加。

    快速自适应调制方式，对调制方式和参数的控制是依据信道瞬时变化值进行的，特别适合时间复用分割（ＴＤＤ）工作方式。在ＴＤＤ通信方式中，通过接收信号完成信道估值，由此决定最佳调制方式和参数。其判决准则几乎与低速自适应调制方式是相同的，但判决参数不是平均误码率（ＢＥＲ），而是实时ＢＥＲ值。Ｔ．Ｖｅ给出的结果表明，在平均速率为１．５Ｍｂｉｔ／ｓ时，ＢＥＲ可达１０－４。在相同ＢＥＲ情况下，平均数据速率可比ＰＨＳ系统高４倍。

３．２   抗干扰传输技术

    智能传输的另外的思路是在发送端进行的干扰对消技术和智能功率控制技术。其中前者是一种新兴的方法，可以用于各种系统；后者是在ＣＤＭＡ系统中占有重要地位的功率控制技术的延伸和发展。

３．２．１ 发送干扰对消技术

    这种方法的基本思路是在发送端对信号进行预处理，在接收端进行接收的同时估计出信道中的干扰成分，并将其反馈至发送端，在发送端下次发送前先将估计出的干扰成分对消再发送，从而达到了抑制干扰的目的，在发送时采用的速率应当根据接收端估计出的干扰进行自适应的调整。那么，信号的质量在进行了干扰对消后将得到大大的改善。

３．２．２ 智能功率控制技术

    现有的移动通信系统，对信号发送功率的控制，只要求各用户信号到达接收机时，彼此有相同的信号功率，信号发送功率仅仅是链路增益的函数。未来移动通信。各种业务的传输速率和通信质量是不同的。如果信号功率控制还是与现有的方法一样。ＢＥＲ低的业务的性能就得不到保证，高速信息数据的性能也得不到保证，造成多媒体系统无法正常工作。因此： 在新一代移动通信系统中，信号发送功率将变成为链路增益、数据速率、通信质量的复杂函数。

４ 智能接收

     以ＩＭＴ２０００为代表的新一代移动通信系统，主要是宽带ＣＤＭＡ技术系统，特点是大用户量，多媒体业务。如前所述，在无线通信制约通信容量的因素中，ＣＤＭＡ扩频编码间的多址干扰的影响将大大增加，成为限制系统容量的主要因素。但是，这种影响并不是ＣＤＭＡ这种多址方式本质具有的，而是由于目前的ＣＤＭＡ接收机不是ＣＤＭＡ的最优接收机所造成的，也就是说，是目前的接收技术限制了系统的容量。因此，发展能实现最佳接收的新型系统，要有克服多址干扰的智能接收技术。

     智能接收是为了实现彼此间有干扰的多个用户信号的同时接收，有别于常规传统接收机仅对单一用户信号接收将其它用户信号视为噪声而提出来的。

    常规的接收机是用匹配滤波的技术，这种技术，在高斯白噪声的信道下是最优的接收机，但是在ＣＤＭＡ多用户的系统中，匹配滤波解调是将其他用户的影响或干扰看作与高斯白噪声相同的噪声，在匹配滤波器的输出端，在包含了待解调用户的能量之外，还包含了所有其他的用户与本用户的相干能量，如果相干能量的影响足够大，解调就会出现差错。而且更为严重的是在ＣＤＭＡ系统中的所谓的远近效应，就是说，在接收端的各个用户的功率相差很大的时候，功率强的用户对功率弱的用户的干扰是致命的。

    但是，由于多址干扰与噪声在统计特性上是有本质不同的，具有可估计与可再生的特性，因此，智能接收可通过多用户检测或多址干扰对消来实现。多用户检测和多址干扰对消成了智能接收的两条思路。

４．１ 多用户检测技术

    １９８６年Ｖｅｒｄｕ首次提出了在高斯白噪声信道下的异步系统的最优检测器。接收机的结构采用匹配滤波器加Ｖｉｔｅｒｂｉ算法，即最大似然序列检测（ＭＬＳＤ）算法。这种接收机的特点是：

    （１）这种检测是最大似然检测，是以最小错误概率为准则的，在一个各用户互不相关的系统（实际系统）中，这是一个最优的准则。

    （２）这种检测是序列检测。因为对于异步的系统而言，一个用户的前后比特是与其他用户的前后比特相关的，也就是说，前一个比特的解调是与后续比特相关联的，如果要达到最优解调，必须也只能是序列检测，就是以一个序列为解调对象而不是通常的以一个比特为解调对象。

     严格地说，由于这两个特点，这种接收机的解调输出只有在所有的用户的发送比特全部输入后才能输出，而且是同时输出所有用户的所有的比特，所谓的多用户检测就是这个意思。同时，在解调过程中，要保留２Ｋ－１个状态，对任一个用户的任一个比特到来，都要进行状态的计算和转移，更苛刻的是，接收机要求知道所有用户的幅度、相位和时延参数。

     性能仿真结果表明，该算法能实现与单个用户通信接收时几乎完全相同的性能。这种接收机几乎完全克服了远近效应，但是正如前面所述，计算速度和存储空间的要求都很高。而且，要求知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延，其要求远远超过实用范围。

     在Ｖｅｒｄｕ的工作的基础上，人们提出了各种改进的接收机。张武荣的文章提出了对匹配滤波器的输出进行初始判决，利用初始判决的部分可信度来减少搜索空间以期接收机的实用化。Ｒａｐａｊｉｃ的文章提出了自适应的ＭＭＳＥ接收机代替匹配滤波器作为接收前端，并利用ＭＬＳ算法对它的输出进行检测的方法，不但能利用最大似然序列检测消除本小区内的多址干扰，也可以利用ＭＭＳＥ自适应接收机的去相关特性消除部分的小区间干扰，在蜂窝系统中获得与Ｖｅｒｄｕ得出的最优自适应检测同样的通信性能。１９９８年Ｍａｔｔｉ提出了基于传统ＲＡＫＥ接收和自适应干扰抑制相结合的ＬＭＭＳＥ－ＲＡＫＥ接收机，在衰落环境中，它有好的通信性能，可以替代传统的ＲＡＫＥ接收机。Ｍａｔｔｉ Ｌａｔｖａ－ａｈｏ分析了ＦＭＡ２系统（欧洲最初提出的一种第三代移动通信系统方式）中用传统ＲＡＫＥ和ＬＭＭＳＥ－ＲＡＫＥ接收机，其下行链路的性能，传统ＲＡＫＥ接收机不能满足要求，而ＬＭＭＳＥ－ＲＡＫＥ接收机能达到。

     针对特定的移动通信系统，还提出了一些有效的多用户检测方法。同步ＣＤＭＡ系统的线性去相关多用户检测方法（如图１所示）是一种典型方法。所谓去相关，其关键就在于去相关矩阵Ｒ－１，这个矩阵的构成只需要知道各个用户的时延信息和扩频码字。这种接收方法在克服远近效应方面是最佳的，因为去相关解调完全不需要知道用户的幅度信息，也就是说，各个用户的幅度与解调无关。去相关解调对于高斯白噪声有放大作用，这也就是其不成为最佳的问题所在，通过性能的仿真来看，在信噪比较高的情形下，能取得很好的性能。这种方法的问题也在于，求矩阵的逆的计算量较大。而且，一个更致命的缺陷是，这种方法只能用于同步系统中，因为在异步系统中相关矩阵是无限的，不可能求出逆。

     为简化图１的去相关矩阵处理，提出了带反馈的去相关方法，避免了在解调过程中求矩阵逆的繁杂运算。若线性变换和反馈的过程不断进行下去，极限情况即为去相关检测方法，若过程有限，则是去相关检测的一种近似。针对去相关方法对噪声放大的缺陷，Ａｌｅｘａｎｄｒａ Ｄｕｅｌ－Ｈａｌｌｅｎ提出了用ＭＭＳＥ方法获得图１中的变换矩阵。这种方法的性能介于常规匹配滤波器接收机和去相关检测器之间，当背景白噪声占主要地位时，演化为常规的匹配滤波器接收机，而当多址干扰占主要地位时，演化为去相关接收机，但是这种方法就需要接收机对用户的幅度进行估计。Ｙｏｉｎｇ Ｋｗｏｎ Ｃｈｏ还提出了带反馈抵消去相关的自适应接收方法，它比不带反馈的自适应接收机的性能略好，但比一般只带反馈或者只带去相关的接收机性能大有改善。特别在多径衰落信道和频率衰落信道中仍然有较好性能。

     这类方法的共同之处在于都是集中式的检测，有的带反馈。其共同的缺点是接收机复杂，不稳定，在异步系统中几乎不能用。

４．２自适应接收技术

     自适应滤波器加线性变换进行多用户检测，由集中式变为分布式，是分布式多用户检测方法。这种方法利用自适应滤波对接收信号的相关性的消除的特性，根据在ＣＤＭＡ系统中的接收信号的周期平稳性，用ＭＭＳＥ准则下的自适应滤波器实现单一用户的最佳接收。接收每一个用户都采用自适应滤波器结构，这种方法往往在用户发送信息比特前发送一定的训练序列以使滤波器的系数收敛，而在用户信息比特的发送期间，也根据判决后的比特来调整系数以适应系统中时变的信道参数。

    因为这类方法采用了分布式，所以系统的稳定性好，实现比较容易，可以方便地用于异步的系统，而且因为采用了自适应滤波的技术，接收机不需要知道其他用户的码字、幅度相位和时延，易于实用。但是，同样是因为其分布性，而且自适应滤波解调是去除接收信号的相关性，其解调对于其他用户的信息利用不够，对于ＭＡＩ的消除性能不是很好，如果在自适应滤波器后面增加集中式的反馈，则接收机消除ＭＡＩ的性能大大地增加，但是接收机的复杂度也大大增加了。

    中国科学技术大学提出了一种Ｓ－ＭＭＳＥ自适应多用户检测法。这种方法能根据用户多少、干扰大小、性能好坏、信号处理能力大小来调整检测器的某些参数，达到需要的通信质量。实现Ｓ－ＭＭＳＥ自适应多用户检测器的相关性能（扩频码长３１），如果误码率要求为１０－２，则使用Ｓ－ＭＭＳＥ方法的用户数比常规方法的用户数增加近５０％。这种方法为多用户检测提供了应用前景。

    与上述的各种多用户检测的方法相对应，智能接收技术的又一重要研究成果是多址干扰对消技术，最基本的是干扰比特信号重构的对消方法。它的中心思想是先解调出各用户的数据比特，再根据信道估值将这个比特信号重构，从原接收信号中减去这个重构信号，达到从接收信号中对消信号干扰的目的。这种思路有串行干扰对消和并行干扰对消两类。

４．３ 多用户干扰对消技术

４．３．１ 串行干扰对消技术

     串行干扰对消方法是消除多址干扰最简单的方法，其基本思想为：检测器根据接收到的各用户信号功率排序，先解调出最强功率的用户数据，重构数据信号；再从总的接收信号中减去重构出的信号，这就去掉了最强的多址干扰分量。再对消次强信号，依次进行。因为最强功率信号的解调的出错概率最小而且对别的用户的干扰最大。串行干扰对消检测器的性能很大程度上取决于用户信号功率的分布，如果信号功率差别较大，则性能提高较多。如果串行抵消的顺序直接由匹配滤波器的输出决定，对输出值大的用户，先进行数据判决和干扰抵消，这样可以使接收机的结构简化，性能仍然很好。

４．３．２  并行干扰对消技术

     并行对消用户干扰方法是利用接收信号的初始判决值，并行地将所有用户的干扰同时抵消，对所有的用户进行同样的操作。在并行干扰对消检测器中，各匹配滤波器的输出作为各个用户数据的首次估值信号，再用首次估值来重构干扰信号。对某一用户，从总的接收信号中减去其它用户的干扰信号?熏 就得到对此用户信号的新估值，再经检测处理，得到用户数据。为提高干扰对消能力，这种方法往往需要进行多次，对所有用户进行这种分阶段的迭代运算，便可得到对消了多址干扰的输出信息比特。多阶段干扰对消具有较好的抗远近效应能力，尤其是当接收到的各用户信号功率相差不大时，它对用户的检测性能与匹配滤波器相比有更大的改善。考虑到系统延迟的原因，一般实际应用时，只取２到３级。仿真结果表明，２级检测器的性能已经相当好了，与单用户通信的检测性能相当接近。Ｍａｈｅｓｈ Ｋ Ｖａｒａｎａｓｉ还提出了利用匹配滤波器作预判决，在匹配滤波器的输出端进行干扰抵消。这种方法的优点在于结构简单，便于用软件方法实现。与串行干扰对消相比较，并行方法的时延小，每个阶段对所有用户的信号并行处理，因此在用户较多时优势特别明显。而且，这种方法可进行多阶段处理，阶段数增大，性能有更好的改善。但是，由于需要在较短的时间内对所有用户的信号同时处理，处理速率要求比较高，对于异步的系统来说，结构更复杂。这两种方法实际上只是在某些特定的条件下才能取得好的性能。

    进一步的研究，提出了把并行和串行结合起来的混合干扰对消方法，这种方法实际上是串行和并行两种方法的综合。

参考文献

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１１ Ｍａｔｔｉ Ｌａｔｖａ－ａｈｏ， Ｍａｒｋｋｕ Ｊｕｎｔｔｉ．Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＬＭＭＳＥ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ＤＳ－ＣＤＭＡ－Ｐａｒｔ Ｉ， Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ．Ｐｒｏｃ ｏｆ ＩＳＳＳＴＡ＇９８，１９９８

１２ Ａｌｅｘａｎｄｒａ Ｄｕｅｌ－Ｈａｌｌｅｎ．Ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｎｇ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ－Ｆｅｅｄ ｂａｃｋ Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｄｅ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ａｃｃｅｓｓ Ｃｈａｎｎｅｌ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｏｎ Ｃｏｍｍ，１９９３，４１（２）

１３ Ｙｏｉｎｇ Ｋｗｏｎ Ｃｈｏ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ ＳＩＣ ｆｏｒ Ｎｅａｒ－Ｆａｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ＤＳ－ＣＤＭＡ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｏｎ Ｃｏｍｍ，１９９８，４６（１１）

１４ Ｍａｈｅｓｈ Ｋ Ｖａｒａｎａｓｉ，Ｂｅｈｎａａｍ Ａａｚｈａｎｇ．Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｄｅ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｏｎ Ｃｏｍｍ，１９９０：３８（４）

１５ Ａｎｎ－Ｌｏｕｉｓｅ Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ，Ｌａｒｓ Ｋ Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ．Ｌｉｎｅａｒ Ｇｒｏｕｐ－Ｗｉｓｅ Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ＣＤＭＡ．ＩＥＥＥ ＩＳＳＳＴＡ＇９８：１９９８

１６ 李云初，朱近康．ＣＤＭＡ系统的一种自适应多用户检测方法．中国科学技术大学学报，１９９９：２９（２）

１７ 夏鹏飞，李国清，夏斌，朱近康．ＣＤＭＡ通信系统中的多用户检测（现代电信科技）１９９９（３）

（收稿日期：２０００－０２－１５）