扩频技术的历史、现状及发展趋势综述

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一、引言
　　
　　扩频技术(Spread Spectrum, SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿［1］。无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域［2］。扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。
　　为了更好地把握扩频技术在无线通信中的应用，本文首先介绍扩频技术的基本情况，然后回顾扩频技术的历史，并对其研究现状进行讨论，最后结合无线通信系统的发展趋势，主要是第四代移动通信系统（4G），着重研究扩频技术的发展趋势及其在未来无线通信系统中的应用。
　　
　　二、扩频技术简介
　　
　　扩频通信系统具备3个主要特征：①载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号；②载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多；③接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。
　　频谱扩展的方式主要有以下几种:直序扩频(DSSS)使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用。
　　衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势：①低截获概率；②抗干扰能力强；③高精度测距；④多址接入；⑤保密性强。也正是这些特性使其获得了广泛的应用。
　　
　　三、扩频技术的历史
　　
　　扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的［3］，后来又在移动通信中得到广泛的应用 ［4］，因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。
　　
　　1. 在军事通信中的应用
　　
　　扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面［5］。
　　扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距。
　　真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。
　　自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务（PCS）的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。
　　
　　2. 在民用通信中的应用
　　
　　一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告［6］。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。
　　扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址（CDMA）的应用。
　　90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。要实现PCS并考虑其长期发展，需要FCC为其分配100~200 MHz的带宽，而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时频谱资源的分配已经是非常拥挤，不存在还未分配且可用的一段宽达100 MHz的频谱资源。要为PCS分配可用的频段就只有2种方案：一是为PCS分配一段专用频谱，使正在使用该频谱的用户换到其它的频段；另一种办法就是让PCS与其它用户共享一段频谱［7］。采取第一种方案将要遇到巨大的政治和经济阻碍：当时只有政府使用的一些频段还比较宽松，因此只能是让政府用户换用其它频段来为PCS腾出频谱资源；同时换用频段意味着已有设备的射频部分需要改造。因此第二种方案成为合理的选择。
　　扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。由于采用CDMA技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也就成为PCS首选的多址方案。
　　随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。
　　
　　四、扩频技术的现状
　　
　　1. 扩频技术的研究现状
　　
　　扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。
　　对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰［8］以及多频干扰［9］等。而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象，其中又以码捕获技术和多用户检测（MUD）技术代表了目前扩频技术研究的现状。
　　
　　2. 码捕获
　　
　　同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现:首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。目前的研究主要集中在码捕获过程。
　　目前对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题，也就是快速捕获的问题。以前采用的主要是串行捕获方法，这种方案实现简单，但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能，但系统的复杂度很高，因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。在串行捕获方案中，双停顿时间搜索法和序贯检测法都是缩短捕获时间的有效方法，利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点［10，11］。此外以前主要研究的是高斯信道下的捕获性能，现在则考虑到非高斯信道下的捕获性能［12］，以及在有频偏等影响条件下捕获性能。
　　
　　3. 多用户检测
　　
　　CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制，多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能，因此是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器，它并没有考虑多址干扰的结构，而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。但是最优的多用户接收机，其复杂度随用户数量成指数增长，因此在实际通信系统中几乎不可能实现。这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。
　　目前研究的次最优多用户检测器主要可分为两大类：线性检测器和反馈检测器。前者包括解相关检测器、最小均方误差序列检测器等；后者则包括多级检测器、判决反馈检测器、顺序干扰撤销和并行干扰撤销检测器等。考虑信道编码的多用户接收机又可以分为非迭代接收机和迭代接收机［13］。这些检测器的实现都需要知道预期用户的扩频码、定时信息以及信道冲击响应，有时还需要知道多用户干扰。这些信息可以通过发送导频序列获得，但使用导频序列就降低了系统的频谱利用效率，因此不使用导频序列的多用户检测方法，又称为盲多用户检测器，也正在得到深入的研究［14］。
　　
　　五、扩频技术的展望

1 扩频技术的发展趋势


　　从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。
　　3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特征： ①最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；②降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或1/100；③个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。
　对4G的认识不同，采取的技术解决手段也各不一样。目前实现4G观点主要有2种：一种是开发新的无线接口和技术；另一种则是集成现有的及未来的无线系统。前者关注新技术的应用，例如多载波调制技术，即OFDM，是一种传输高速数据的有效调制方案，被认为有望成为4G的标准调制技术。而另一种观点则认为，更重要的是将现有的和未来的通信系统集成，其中的网络包括无线局域网（WLANs）、无线个域网（WPANs）、Ad Hoc网络以及家庭局域网等，其中连接的设备则包括便携式移动终端、固定设备、个人电脑以及娱乐设备等［15］。超宽带（UWB）技术以及软件无线电（SDR）技术在无线网络集成方面也起着重要的作用。在4G网络的实现中，有的技术本身就是扩频技术的延伸，有的则能够很好得与扩频技术结合，还有的则能用于扩频系统的实现，因此这些新技术的发展体现着扩频技术的发展趋势。

2. 超宽带技术


　　衡量扩频系统的重要指标是扩频增益，在一定的传输带宽下，要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益，而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低，因此要提高传输数据速率，而且不降低扩频系统的性能（即保证一定的扩频增益），就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。
　　在3G向4G转变的过程中，要求实现无所不在的通信平台，短距离无线设备和业务的设计、配置和应用也达到前所未有的高度。目前的短距离无线设备和网络主要是基于IEEE 802系列无线标准的WLANs/WPANs，但是这些网络和设备都是独立工作的，它们要么单独地工作在室内和办公室环境，要么单独地工作在开阔的公共地区，完全没有考虑它们之间的互连问题。此外，未来无线通信系统对短距离通信的高速数据传输也会提出更高的要求，而高速数据传输带来的最大问题就是频谱资源紧缺。UWB技术的出现为解决这些难题提供了可能的方案［16］。
　　UWB技术通过共享频谱，而不是寻找目前存在但实用性不高的频谱来实现短距离高速数据传输，它有效地解决了频谱分配问题，因此自从FCC在2002年2月14日颁布了将UWB技术用于商用的法规以后，UWB技术的研究热潮始终高涨。
　　与现有的各种无线通信技术相比，UWB有着明显不同的工作原理和应用特性。传统的无线通信技术使用连续电波作为通信载波，即用某种调制方式将信号加载到连续电波上，并且连续电波被限定在小范围的频段上（一般约为6 MHz）。而UWB技术不使用连续电波，它通过非常短、非常快而“离散”的电子脉冲来传输信号，由编码来控制脉冲的发送时间，脉冲本身就形成了数字通信中的“0”或“1”，并且脉冲可以覆盖范围非常广泛的频段（可以在几赫到几吉赫之间）。正是由于其独特的工作原理使它具备下列优点：隐蔽性好；极低的截获率；处理增益高；多径分辨能力强；传输速率高；系统容量大；低功耗等。但是UWB系统的实现还有很多关键技术需要突破，因此可以说UWB技术的发展是机遇和挑战并存。

3. 多载波调制技术

　多载波调制技术，即正交频分多址（OFDM），是一种有效的传输高速数据的方法，它已经成为一系列重要的高速数据传输应用的标准。OFDM和CDMA的结合也为解决未来无线通信系统的难题提供了技术选择。
　在传统的串行数据系统中，符号是顺序发射的，每个数据符号的频谱都可以占用整个可用频谱。由于瑞利信道的突发特性，一些邻近的符号可能会由于衰落而受到严重的破坏。在这种系统中，要实现高速数据传输，要么使用高阶调制牺牲系统性能，要么降低符号间隔使得信道带宽增大。然而延时扩展使系统具有一个等待周期，这个周期决定下一个脉冲何时可以发射。同时，这个等待周期要求信号采样速率降低到比延时扩展的倒数小得多的情况以防止符号间干扰。降低符号间隔使得系统更容易受到延时扩展的干扰。
　为了解决串行系统遇到的许多困难，采用并行或多路数据系统是一种可能的解决方案。并行系统同时传输几个顺序数据流，因此在任何时间内都有多个数据元素在传输。在这样的系统中，单个数据元素的频谱通常只占用整个可用频谱的一部分。在典型的并行数据系统中，整个信号频谱分解成N个频率不重叠的子信道。每个子信道都调制独立的符号，这样N个子信道就实现频率分割。如果每个独立信道的频谱允许重叠，同时在接收机使每个子信道具有特定的正交限制以便分离，则并行系统利用频谱的效率更高,这就是OFDM的基本思想［17］。
　组合CDMA和OFDM的多载波CDMA方案主要可分为两大类：一种是频域扩展系统，即MC-CDMA（Multicarrier CDMA），也称为OFDM-CDMA；另一种则是时域扩展系统，包括MC-DS-CDMA以及MT-CDMA（Multitone CDMA）。MC-CDMA的发射机在频域使用一定的扩频码将原始数据扩展到不同的子载波进行传输。时域扩展的多载波调制方案又可分为两类。MC-DS-CDMA的发射机先将原始数据流进行串并变换，然后在时域上使用一定的扩频码对变换后的数据流扩频，再分别调制到不同的子载波上进行传输。MT-CDMA的发射机结构与MC-DS-CDMA相似，不过它采用的扩频码周期更长。对这些多载波调制方案的系统实现、检测算法以及误码性能都有较详细的研究比较［18］。此外，在更通用的MC-DS-CDMA方案则同时在频域和时域对信号进行扩展，并被证明这种调制方案能够适应包括室内、乡村、郊区以及城市在内的各种传播环境，从而适应未来无线通信系统的要求［19］。此外，一种组合OFDM和MC-DS-CDMA的调制方案，即下行链路采用OFDM而上行链路采用MC-DS-CDMA，成为4G调制标准的候选方案之一 ［20］。

4. 软件无线电

　目前国际电联承认的3G标准包括WCDMA、CDMA2000以及我国提出的TDS-CDMA。虽然从市场的角度考虑，采用一种标准更为经济，但是亚洲、欧洲和美国之间的竞争决定了未来的移动通信系统很难确定唯一的标准。而未来的通信系统要求为用户提供通用的平台，以满足用户在任何时间、任何地点通过任何设备接入网络的要求。采用软件无线电的概念，即通过软件加载在一个通用的硬件平台上实现多种功能，为未来通信网络的实现提供了可能的解决方案［21］。
　　软件无线电就是将模块化、标准化的硬件单元通过标准接口构成基本平台，并借助软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电通过使用自适应的软件和灵活的硬件平台，能够解决无线产业不断演变和技术革新带来的很多问题。它在基站和移动终端的软件下载能力，对于运营商和制造商弥补软件缺陷以及实现新功能和业务非常重要。此外使用软件下载重新配置移动终端是实现多模式终端操作的有效方法，这也为用户通过一个移动终端接入多个通信系统的问题提供解决手段。
　　扩频技术是未来无线通信系统中的关键技术，而软件无线电是实现未来无线通信系统的有效手段，因此采用软件无线电技术来实现扩频通信系统是很自然的思路。目前虽然软件无线电还有很多关键技术需要突破，但是其在无线通信系统中的应用成果也是显著的，用软件无线电技术来实现扩频系统的研究也一直在继续［22］。
六、结论


　　在对扩频技术历史的回顾、现状的总结和未来的展望中，我们也得到一些有益的结论：
　　(1)应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，在军事抗干扰和个人通信业务中的应用是驱动扩频技术发展的两个里程碑，而在第四代移动通信系统（4G）中的应用无疑又将成为扩频技术发展的又一转折点;
　　(2)扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破；在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高；发展到现在，则主要从系统的角度考虑总体性能，即各项指标之间的折中，这也体现了目前的研究更加精细和深入;
　　(3)扩频技术自身的理论和技术都已趋于完善，其再一次实现大发展的机遇存在于与其它新技术的结合之中;
　　(4)新技术的发展以及现有无线系统的集成是4G系统发展的两个方向，而扩频技术在这两方面都大有可为之处，因此只有在4G系统这个大背景下，才能更好地把握扩频技术的发展方向。

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作者：丁溯泉, 杨知行, 潘长勇, 郭兴波

清华大学 电子工程系 微波与数字通信国家重点实验室, 北京 100084