什么是多址干扰

什么是多址干扰

1、多址干扰的由来
   CDMA的一系列优点使其成为新一代移动通信的佼佼者，但在商用化的过程中CDMA仍有许多关键的技术需要解决。例如克服CDMA系统自身的多址干扰（MAI），就是一个要解决的关键技术问题。CDMA系统自身产生多址干扰的原因主要有两个：一是由于各用户使用的通信频率相同，在不同用户之间的扩频序列不能进行完全正交，即互相关系数不为零；二是即使扩频序列能正交，实际信道中的异步传输也会引入相关性。下面即给出了同步加性白噪声（AWGN）信道中采用传统检测器时产生多址干扰的数学推导。
   在DS-CDMA同步系统中，传统检测器实际上是一个匹配滤波器组，接收信号的基带信号可用式（1）表示：

   由式（2）可以看出，接收信号与第k个信号相关可以得到恢复的数据，而与其他用户相关则会造成多址干扰，与噪声项相关仍为噪声。这里需要注意的是：多址干扰项与用户数k、基他用户信号的幅度Ai(I≠k)、互相关系数ρi,k有关。这里：

2、多址干扰对CDMA系统的影响
      传统CDMA系统中的信号检测将于多址干扰视为高斯噪声来处理，因而忽略多址干扰的存在，这种方法会带来以下两个方面的影响：
 （1）系统容量受到限制：当系统中用户数较少时，多址干扰因伪随机码良好的互相关性而不会太严重。但随着同时接入系统用户数目的增加，多址干扰的影响也会逐渐严重起来，导致系统误码率的上升，使得系统的容量受到影响。尤其是3G系统中大容量的要求和多天线发射分集的采用，都将导致CDMA系统容量受多址干扰的严重影响。
   （2）严重影响了系统的性能：如果干扰用户比目标用户距离基站近得多，即使忽略衰落的影响，信号的路径衰耗亦与用户距基站距离的三次方成正比，这时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得多，在传统接收机输出中的多址干扰份量会很重，以至将目标用户的信号淹没，而出现远近效应。
3、多址干扰抑制技术
      为了克服多址干扰的影响，可以采用以下一些技术[5]：
      （1）扩频码的设计：多址干扰产生的根源是扩频码间的不完全正交性，如果扩频码集能在任何时刻完全正交，那么多址干扰就会不复存在。但实际上信道中都存在不同程度的异步性，要设计出在任何时延上都能保持正交性的码集几乎是不可能的。因此需要设计者设计出一种尽可能降低互相关性的工程实用码型，这在现实信道的条件下还是有可能的。
      （2）功率控制：功率控制可以有效地减小远近效应的影响，在IS-95和3G移动通信标准中都采用了功率控制技术。但功率控制不能从根本上消除多址干扰，因为会受到各用户接收功率相等时接收性能的限制，而且也存在以下一些缺点，如占用信道传送功率控制信息，存在算法收敛速度问题，且性能与用户移动速度有关，系统较为复杂等等。
      （3）前向纠错编码（FEC）：利用编码的附加冗余度纠正因信道畸变而产生的错误比特判决，已成为提高通信质量的一个重要手段，对于纠正多址干扰引发的错误也同样有效。但采用前向纠错编码的代价是在相同信道传输速率下有用信息的传输速率会有所下降。
  （4）空间滤波技术：用智能天线对接收信号进行空域处理可以减小多址干扰对信号的影响，同时采用具有一定方向性的扇形天线也可以抑制除某一角度内的其他干扰，而提高系统性能。起初，由于智能天线的高复杂度和高能量消耗，对它的研究大都局限于在基站中应用[6]，直至近几年，智能天线技术才被引入到移动台之中[7]。因此智能天线有望显著地提高3G移动台的性能，也将成为3G移动通信系统研究的热点之一。
  （5）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和降低、消除干扰的影响。多用户检测器的一般结构如图1所示。

      图1中的多用户检测算法能够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民，是抑制多址干扰技术中最有潜力的一种方法，已经成为3G移动通信标准中介导的关键技术之一。多用户检测技术具有以下一些好处[8]，即提高带宽利用率，抑制多径干扰；消除或减轻远近效应，降低对功控高精度的要求，使功控简化；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，并使移动台的电磁辐射减小；改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖范围等。
   当然多用户检测技术也存在一些局限性，首先是来自其它小区的多址干扰依然存在，在多用户检测算法中只考虑了同小区其他用户的干扰，而没有考虑来自相邻小区用户的干扰对系统性能的影响。例如有一种简单的情况：如果忽略背景噪声，不使用多用户检测，那系统总的多址干扰为I=IMAI+fIMAI，IMAI是小区用户产生的MAI，f是来自其它小区用户的MAI与本小区MAI的比值（又称溢出率）。在理想的情况下，所有同小区的干扰都被消除了，那么只剩下邻区的干扰fIMAI。假设用户数与干扰成线性关系，那么最大容量增益因子将为（1+f）/f。一般认为小区间的干扰是小区内干扰的55%，即f=0.55，因而相应的容量增益即为2.8。这是当前多用户检测所能达到的上界。其次由于移动台的接收设备不能做得太复杂，而增加了下行信道执行多用户检测时的难度。除此之外，多用户检测还存在：增加了设备的复杂度和系统的时延（采用自适应算法时更为严重）；检测时需要知道用户的一些信息；需要不断地进行信道估计，以及估计的精度会直接影响检测器的性能等不足。
      从以上分析可以看出，各种多址干扰抑制技术都有其优缺点，需要将多种抑制技术结合起来，才能在实际应用中很好地解决CDMA移动通信系统中多址干扰的问题。例如多用户检测技术不能抑制来自其它小区的多址干扰，而采用智能天线却能较好地解决这个问题，如果智能天线与RAKE接收机结合起来对信号进行空间域的处理，就可以进一步地提高系统容量、覆盖范围和信号质量等等。
   由于CDMA系统具有通信容量大、平滑的软切换和良好的通信保密性等一系列优点，已经成为下一代移动通信以及未来个人通信最引人注目、最有发展前景的无线多址技术，但目前该系统仍有许多关键的技术问题需要解决，特别是要解决多址干扰的问题，加快多址干扰抑制技术的研究，以在下一代移动通信系统的研发中争得主动。