DS-CDMA抗干擾性

現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜，頻道相對擁擠，在軍事通信中，更加面臨著各種人為干擾。為了增強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性，增加信道容量，人們采用碼分多址技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展頻譜通信。與常規(guī)通信相比，DS/CDMA系統(tǒng)具有高處理增益，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，處理增益GP可表示為:P越大則系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)，實(shí)際系統(tǒng)所能承受的干擾可由干擾容限來表示:

Mj=GP-[Lsys+(S/N)out](2)

其中GP為系統(tǒng)處理增益，Lsys為系統(tǒng)執(zhí)行損耗，包括射頻濾波器的損耗，相關(guān)處理器的混頻損耗，放大器的信噪比損耗

等。(S/N)out為相關(guān)接收輸出端要求的信噪比。在工程應(yīng)用中，GP不可能無限增大，又因?yàn)槠骷姆蔷€性及碼元跟蹤誤差導(dǎo)致信噪比損失，所以擴(kuò)頻接收機(jī)實(shí)際上容許輸入的干擾與信號(hào)功率比，較干擾容限還要低。并且DS/CDMA系統(tǒng)本身存在多址干擾，因此，必須采取一些抑制干擾的措施以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

其遵循ITU規(guī)定的IMT-2000規(guī)格，并以W-CDMA方式為基礎(chǔ)的一種通信技術(shù)。該技術(shù)能夠利用5MHz的信道提供高達(dá)2Mbps的數(shù)據(jù)速度，同時(shí)能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高通話時(shí)的語音質(zhì)量，降低通話的掉線率，支持IP數(shù)據(jù)服務(wù)。DS-CDMA技術(shù)除了能提供窄帶業(yè)務(wù)(如話音業(yè)務(wù))之外，還能提供多種用戶速率通信、VOD帶寬的能力，以及根據(jù)不同業(yè)務(wù)提供不同服務(wù)等級的能力。 在CDMA標(biāo)準(zhǔn)中，DS-CDMA技術(shù)是其中的重要部分，是實(shí)現(xiàn)無線多媒體通信的關(guān)鍵。DS-CDMA技術(shù)最早起源于歐洲和日本的第三代無線研究活動(dòng)，GSM的巨大成功對第三代系統(tǒng)在歐洲的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)生重大影響。在1996年，日本推出了一套DS-CDMA的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案，并得到了當(dāng)時(shí)世界上主要的移動(dòng)設(shè)備制造商的支持。1998年12月成立的3GPP(第三代伙伴項(xiàng)目)極大地推動(dòng)了DS-CDMA技術(shù)的發(fā)展，加快了DS-CDMA的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，并最終使DS-CDMA技術(shù)成為ITU批準(zhǔn)的國際通信標(biāo)準(zhǔn)。 DS-CDMA基于ANSI-41核心網(wǎng)，它使用新的頻帶，采用FDD工作方式，碼片速率為3.84Mbps。DS-CDMA有更大的覆蓋范圍，采用自適應(yīng)天線及多用戶檢測等新技術(shù)，并可支持頻率間切換。由DS-CDMA技術(shù)組成的通信系統(tǒng)通常包括無線基地局裝置、無線網(wǎng)絡(luò)控制裝置、多媒體信號(hào)處理裝置。DS-CDMA系統(tǒng)的空中連接采用5MHz、10MHz或20MHz的無線信道

當(dāng)然，DS-CDMA也存在一些問題，如多址干擾問題，這是由于不同地址碼之間的非完全正交性而造成的，通信過程中不同用戶的發(fā)射信號(hào)會(huì)相互干擾。多址干擾是DS-CDMA系統(tǒng)中相當(dāng)嚴(yán)重的一個(gè)問題，這還需要人們通過對地址碼選擇的進(jìn)一步研究來解決。此外，在DS-CDMA系統(tǒng)中還存在"遠(yuǎn)近效應(yīng)"，就是說離基站近的強(qiáng)信號(hào)用戶會(huì)對遠(yuǎn)離基站的弱信號(hào)用戶的通信形成干擾，本質(zhì)上說這還是由于地址碼的非完全正交性所致，但現(xiàn)階段人們已通過在移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入"自動(dòng)功率控制"技術(shù)削弱了遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。

單頻帶系統(tǒng)僅使用單一的成形脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其信號(hào)帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強(qiáng)。但由于信號(hào)的時(shí)間彌散嚴(yán)重，接收機(jī)的復(fù)雜度較高。此外，為解決共存性問題，避免與帶內(nèi)窄帶系統(tǒng)的干擾，該系統(tǒng)采用的濾波器也是比較復(fù)雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經(jīng)過DS-CDMA擴(kuò)頻之后的信號(hào)再對載波進(jìn)行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。傳統(tǒng)的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規(guī)定的發(fā)射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過頻譜搬移解決了這一難題。

多頻帶系統(tǒng)是指將規(guī)劃UWB的整個(gè)頻段劃分成若干個(gè)子帶。使用部分或全部子帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)成形和數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)使用頻段。多頻帶系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制方式分為多帶脈沖無線電和多帶正交頻分復(fù)用兩種方式。其多址問題采用跳頻技術(shù)來解決。相對于符號(hào)速率又可分為快跳和慢跳。MBOA(MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance)多頻帶聯(lián)盟提議將UWB頻帶分為最少三個(gè)頻段。并采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。

從技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的。對無線電頻率管理來說，有兩個(gè)基本的原則:一是新的無線電技術(shù)不得對已有的無線電臺(tái)(系統(tǒng))造成有害干擾;二是受到干擾不得提出保護(hù)要求，即要能忍受已有無線電臺(tái)的各種干擾。DS-CDMA因?yàn)槭褂谜麄€(gè)3.1~10.6GHz頻段，包括傳統(tǒng)無線技術(shù)使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個(gè)頻率子帶可以很方便地避開這些頻率。

同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，UWB接收機(jī)的結(jié)構(gòu)相對簡單，圖1給出了UWB發(fā)射和接收機(jī)的系統(tǒng)框圖。在UWB收發(fā)信機(jī)中，信息可被不同技術(shù)調(diào)制，在接收端，天線收集信號(hào)能量經(jīng)放大后通過相關(guān)接收后處理，再經(jīng)門限檢測后獲得原來信息。相對于超外差式接收機(jī)來說，實(shí)現(xiàn)相對簡單，沒有本振、功放、PLL(鎖相環(huán))、VCO(壓控振蕩器)、混頻器等，成本低，而且UWB接收機(jī)可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，采用軟件無線電技術(shù)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率、功耗等。

2003年，在IEEE802.15.3a工作組征集提案時(shí)，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、直接序列碼分多址（DS-CDMA）3種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復(fù)用方案融合，從而形成了多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩大方案。UWB無線通信市場巨大，各大公司競相爭逐，主要存在兩大對立陣營：以美國TI、Intel等公司為首的MBOA（MB-OFDM聯(lián)盟）；以美國XtremeSpectrum、Freescale等為主的DS-CDMA聯(lián)盟。超寬帶無線技術(shù)是采用DS-CDMA技術(shù)還是MB-OFDM技術(shù)體制，是當(dāng)前UWB技術(shù)領(lǐng)域爭論的最為激烈的話題。下面將分別對這兩種體制介紹和比較。

MBOFDM技術(shù)

MB-OFDM的核心是把頻段分成多個(gè)528MHz的子頻帶，每個(gè)子頻帶采用TFI-OFDM（時(shí)-頻交織正交頻率復(fù)用）方式，數(shù)據(jù)在每個(gè)子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)使用的是周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個(gè)子帶來實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，增加了符號(hào)的時(shí)間。長符號(hào)時(shí)間的好處是抗ISI（符號(hào)間干擾）能力較強(qiáng)。但是這種性能的提高是以收發(fā)設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的，而且還要考慮子信道間干擾（ICI）的影響。MB-OFDM將在性能方面具有優(yōu)勢（初期速度高達(dá)480Mbit/s），而且由于OFDM技術(shù)使微弱信號(hào)具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會(huì)較遠(yuǎn)。表2列出了MB-OFDM的主要技術(shù)參數(shù)。

表2MB-OFDM主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)MB-OFDM

頻帶數(shù)量10（第一代為3）

頻帶帶寬每個(gè)子頻帶528MHz

頻率范圍1組：3.168～4.752GHz

2組：4.752～6.336GHz

3組：6.336～7.920GHz

4組：7.920～9.504GHz

5組：9.504～10.560GHz

調(diào)制方式TFI-OFDM，QPSK

糾錯(cuò)編碼卷積碼

復(fù)用方式TFI

鏈路余量5.3dB/10m，110Mbit/s

10.0dB/4m，200Mbit/s

11.5dB/2m，480Mbit/s

DSCDMA技術(shù)

DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出。DS-CDMA采用低頻段（3.1～5.15GHz），高頻段（5.825～10.6GHz）和雙頻帶（3.1～5.15GHz和5.825～10.60Hz）3種操作方式。低頻段方式提供28.5～400Mbit/s的傳輸速率，高頻段方式提供57～800Mbit/s的傳輸速率。DS-CDMA在每個(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個(gè)碼片的DS-SS（直接序列擴(kuò)頻）實(shí)現(xiàn)編碼增益，糾錯(cuò)方式采用R-S碼和卷積碼。與MB-OFDM相比有較好的頻率利用率。表3列出了DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)。

表3DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)DS-CDMA

頻帶數(shù)量2

頻帶帶寬1.268～2.736GHz

頻率范圍3.2～5.15GHz

5.825～10.6GHz

調(diào)制方式BPSK，QPSK，DS-SS

糾錯(cuò)編碼RS碼，卷積碼

復(fù)用方式CDMA

鏈路余量6.7dB/10m，110Mbit

11.9dB/4m，200Mbit

1.7dB/2m，480Mbit

1956年，Prcie和Green提出了具有抗多徑衰落的RAEK 接收機(jī)概念：1937年，F(xiàn)orney提出的基于已知信道特性的最大似然序列檢測器(MLSD)，這是一種最優(yōu)的單用戶接收機(jī)。美國QUALCOMM公司在80 年代堅(jiān)持研究DS-CDMA技術(shù)，1989年，QUALCOMM公司進(jìn)行了首次CDMA實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了DS擴(kuò)頻信號(hào)波形非常適合多徑信道的傳輸，以及RAKE接收機(jī)、功率控制和軟切換等CDMA的關(guān)鍵技術(shù) 。在 1996年推動(dòng)了窄帶CDMA IS-95商用運(yùn)行，讓RAKE接收機(jī)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)也推動(dòng)了RAKE接收技術(shù)的長足發(fā)展。

面對未來的發(fā)展，RAKE接收機(jī)將同三項(xiàng)關(guān)鍵革新技術(shù)相結(jié)合：智能天線技術(shù)、多用戶檢測、MIMO系統(tǒng)。目前研究的熱點(diǎn)包括：RAKE接收機(jī)如何降低復(fù)雜度；多用戶檢測的最優(yōu)算法；MIMO系統(tǒng)與OFDM的結(jié)合等。