3G關鍵技術：多用戶檢測

2019-11-03 09:27:04

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供稿：網友

朱松儉任立剛宋梅宋俊德
（北京郵電大學PCN&&CAD中心北京100876）　　摘要本文主要介紹3G系統的核心技術——多用戶檢測。在分析傳統CDMA接收機的缺陷的基礎上，介紹了多用戶檢測技術的概念和各種檢測方案的特點、性能及不足，指出了現有多用戶檢測技術存在的問題和局限性，對于多用戶檢測技術在第三代寬帶CDMA移動通信系統中的應用與實現作了分析，并指出研究的方向。

　　關鍵詞多用戶檢測寬帶CDMA 多址干擾遠近效應

1 引言

　　隨著移動通信的迅猛發展，現有的包括GSM和IS-95通信系統已很難滿足發展要求，因此第三代移動通信倍受注目，而在第三代移動通信中，寬帶DS/CDMA是迄今最為看好的多址接入方式。寬帶CDMA系統與窄帶CDMA系統相比，不僅是帶寬的提高，更是單位帶寬利用率的增加，互操作性和移動性的增強，以及更廣泛的業務范圍和支持更高的移動速率。在CDMA通信系統中，由于多個用戶的隨機接入，所使用的擴頻碼集一般并非嚴格正交，碼片之間的非零互相關系數將引起各用戶間的干擾，這樣不僅會嚴重限制系統的容量，而且強多址信號會淹沒弱用戶信號，使“遠—近”效應的影響加劇。由于用戶的擴頻碼已知，所以用戶間的互相關系數是已知的，接收機可以知道多址干擾中的某些重要信息，如多址干擾的擴頻碼字、組成結構及與目標信號的關系。利用這些信息，接收機可以對各用戶做聯合檢測或從接收信號中減掉相互間的干擾，從而有效地消除多址干擾的負面影響，這種在檢測時利用了多個用戶信息的策略稱為多用戶檢測。對于CDMA這樣一個干擾限制的系統，研究干擾抑制技術將非常有意義，對多址干擾進行抑制將意味著系統容量的直接提高。

2 傳統CDMA接收機存在的缺陷

　　在碼分多址（CDMA）系統中，由于多個用戶的隨機接入，而所使用的擴頻碼集一般又不能嚴格正交，非零互相關系數將引起各用戶間的相互干擾，這種現象稱為多址干擾（Multi-access Interference，MAI）。同時由于移動用戶所在的位置處于動態的變化中，基站接收到的各用戶信號功率可能相差很大，而即使各用戶到基站距離相等，深衰落的存在也會使到達基站信號各不相同，強信號對弱信號有著明顯的抑制作用，會使弱信號的接收性能很差甚至無法通信，這種現象稱為“遠—近”效應。現有的CDMA系統，在接收端都是在匹配濾波器后直接解調，匹配接收機是假定多址干擾具有高斯白噪聲的統計特性，并沒有考慮信道中的多址干擾，而且基于匹配濾波的單用戶接收機對“遠—近”效應極其敏感，因而始終無法提高系統容量。盡管可以采用一些方法平衡和抑制多址干擾，減少彼此間的影響，但并不能從接收信號中真正消除多址干擾，從根本上解決問題。從而當系統中其他用戶信號對特定用戶信號造成的干擾超過信道白噪聲對該用戶信號造成的干擾時，這種多址干擾（MAI）就成為限制系統容量增長的重要因素。正是由于這種多址干擾的存在，在CDMA移動通信系統中，同一信道中可同時傳輸的最大用戶數存在一個極限（在滿足各個用戶特定業務性能指標的前提下）。而且在現有的CDMA系統中，主要采用功率控制技術來克服“遠—近”效應，但是嚴格的功率控制不但實現復雜，同時由于傳輸時延及移動臺的限制使其具有極大的局限性。傳統接收機消除多址干擾（MAI），主要在以下幾個方面進行了研究。

　　（1）設計具有優良相關性質的擴頻碼；

　　（2）應用有效的功率控制機制；

　　（3）應用前向糾錯碼 ( Forward Error Correction, FEC )；

　　（4）采用分扇/自適應天線。

　　這些研究對于提高系統的抗多址干擾能力有一定的作用，但是還不能夠理想地解決問題，于是人們利用空間傳輸中造成干擾的用戶的各種信息進行抗干擾，提出了多用戶檢測理論。

3 多用戶檢測的概念

　　多用戶檢測是第三代移動通信系統中寬帶CDMA通信系統抗干擾的關鍵技術。傳統的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾（MAI）能力較差；多用戶檢測(Multi-User Detection, MUD)技術在傳統檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對多個用戶做聯合檢測或從接收信號中減掉相互間干擾的方法，有效地消除MAI的影響，從而具有優良的抗干擾性能。在理想情況下，應用多用戶檢測技術，系統的性能將接近單用戶時的性能。這顯然消除了“遠—近”效應的影響，可以簡化用戶的功率控制，降低系統對功率控制精度的要求。并且由于MAI的消除，用戶在較小的信噪比下就可達到可靠的性能，單用戶信噪比的降低可以直接轉化為系統容量的增加，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統容量。

　　1979年和1983年，K. S. Schneider，R. Kohno分別提出了多用戶檢測的思想，利用其他用戶的已知信息消除MAI，實現無MAI的多用戶接收，并指出了一些研究方向，這是多用戶檢測的最早的文獻。此后，多用戶檢測取得了很大的發展，形成了幾條比較清晰的思路，理論工作也日漸完善。圖1是典型的多用戶檢測系統模型。

4 各種多用戶檢測方案分析

　　針對傳統CDMA接收機的弱點，1986年S. Verdu提出匹配濾波器加Viterbi譯碼的異步CDMA最佳檢測方法，它實質上是序列檢測問題，即對接收信號序列的整體進行處理，采用最大似然序列準則找出一個接收信號序列，使得給定輸出序列的似然函數最大。最佳多用戶檢測由匹配濾波和Viterbi譯碼算法組成，具有優異的性能，但由于其運算復雜度隨用戶數指數增長（2Ｋ），實際上是無法實時實現的。為簡化多用戶檢測器的結構，而性能又接近于最佳多用戶檢測，次最佳多用戶檢測成為一種理想選擇，并已成為近年來的一個研究熱點。次最佳多用戶檢測技術分為線性多用戶檢測和干擾消除多用戶檢測兩類，前者對傳統檢測器的輸出進行解相關或其他的線性變換以利于接收判決，后者利用可靠已知信息對干擾進行估計，然后在原信號中減去估計干擾以利于接收判決。

4.1 線性多用戶檢測

　　1. 解相關線性多用戶檢測（decorrelating linear MUD）

　　解相關線性多用戶檢測實際上是建立于最大最小準則基礎上，它是在用戶干擾功率未知的情況下，保證接收機在最壞情況下的最佳性能而提出的。線性算子Ｌ=Ｒ-1，所以判決矢量為Ｚ=Ｒ-1Ｙ=ＷＢ+Ｒ-1Ｎ。解相關線性多用戶檢測完全消除了MAI, 但Ｚ中噪聲分量的協方差矩陣為（Ｎ0 /2）Ｒ-1，第ｋ用戶的誤碼率為Ｐｅ（ｋ）=Ｑ（）

　　因為在此式中（Ｒ-1）ｋｋ為Ｒ-1的第ｋ行ｋ列元素，它大于1，所以，解相關線性多用戶檢測方法多址干擾的消除是以噪聲的增強為代價的。

　　此外，解相關線性多用戶檢測的判決變量是無偏的（unbiased）。正因如此噪聲不依賴于干擾功率，最佳地抑制了“遠—近”效應。其性能獨立于干擾功率，不需要估計功率的大小，唯一的要求是已知碼字和定時，實現也相對簡單，因此非常適合于“遠—近”效應的環境。

　　2. 最小的均方誤差多用戶檢測（Minimum Mean Square Error MUD，MMSEMUD）

　　MMSE多用戶檢測是一種高斯白噪聲中的線性最佳檢測，以最小化E [（Ｂ-）T （Ｂ- ）]為準則，它的Ｋ×Ｋ線性算子Ｌ=（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1，Ｋ維判決矢量為Ｚ=Ｌ-1Ｙ=（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1ＲＷＢ+（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1Ｎ，噪聲矢量的Ｋ×Ｋ協方差矩陣為（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1Ｒ（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1。MMSE多用戶檢測是一種有偏估計，系統性能受干擾功率的影響。當MAI占統治地位，噪聲分量不存在時，Ｋ×Ｋ線性算子Ｌ變為Ｒ-1，MMSE多用戶檢測變為解相關線性多用戶檢測；在另一種極端情況下，如果Ｎ0 >>ｗｊ，ｊ=1,2,…，Ｋ，即噪聲遠強于MAI，Ｋ×Ｋ線性算子Ｌ退化為單位矩陣，MMSE多用戶檢測就退化為傳統的單用戶檢測器。我們知道，當干擾完全為高斯白噪聲時，傳統的單用戶檢測器本身就是最佳的。

　　MMSE多用戶檢測的誤碼率公式很復雜，但需要強調的一點是MMSE多用戶檢測和解相關線性多用戶檢測都是線性結構，一定程度上限制了它們的性能。

　　3. 自適應MMSE多用戶檢測

　　1995年Miller S L提出了自適應MMSE多用戶檢測，如圖2所示。其基本原理是：通過一個數據比特周期內的接收信號取樣序列，來獲得一個數據比特的估計值。也就是說，對ｂ1[0]的估計只能依賴于ｔ∈[0, Ｔb]之間的Ｎ個接收信號取樣值（稱之為接收矢量ｕ[0]）。其中：Ｎ是處理增益；Ｔb是數據比特周期；Ｔc=Ｔb /Ｎ是擴頻碼周期；ｂｋ[ｉ]∈{1,1}是用戶ｋ的第ｉ個數據比特。Ｎ抽頭的時延線MMSE自適應多用戶檢測接收機在擴頻增益較大，而接收信號碼元能量比較小時，自適應濾波器系數難以迅速收斂到最小均方誤差值，無法跟蹤信道參數的變化，造成性能下降，而且由于訓練序列的存在，必將加大系統實現的復雜度。

4.2 干擾消除多用戶檢測

　　1. 串行干擾消除多用戶檢測器（Successive Interference Cancellation MUD，SICMUD）

　　SIC檢測器在接收信號中對多個用戶逐個進行數據判決，判出一個就再造并減去該用戶信號造成的MAI干擾，操作順序是根據信號功率的大小來定的，功率較大的信號先進行操作，因此，功率最弱的信號受益最大。SIC在性能上比傳統檢測器有較大提高，而且在硬件上改動不大，易于實現。但是SIC每一級都需要有一個字符的時延，另外當信號功率強度順序發生變化時需要重新排序，最不利的一點是如果初始數據判決不可靠將對下級產生較大的干擾。

　　2.并行干擾消除多用戶檢測器（Parallel Interference Cancellation MUD，PICMUD）

　　PIC檢測器具有多級結構，其每一級并行估計和去除各個用戶造成的MAI干擾，然后進行數據判決。PIC的設計思想和SIC基本相同，但由于PIC是并行處理，克服了SIC時延長的缺點，而且無需在情況發生變化時進行重新排序。但是，采用PIC時，對硬件復雜度要求會相應提高，不過，隨著微電子技術的不斷發展，芯片集成度的不斷提高，很容易滿足系統對硬件規模的要求。從這種意義上來講，PIC更適合于應用于移動通信系統中，在各種MUD中具有較高的實用價值。

　　3. 判決反饋多用戶檢測（Decision Feedback Detector MUD, DFMUD）

　　DF檢測器首先對接收信號進行線性處理，然后進行SIC檢測。線性處理進行部分解相關，避免了噪聲的加強，SIC再根據信號強度遞減順序進行串行干擾消除。DF檢測器的難點在于要進行Cholesky分解和白化矩陣求逆，而且需要估計接收信號的幅度。

5 多用戶檢測技術存在的問題及其局限性

　　多用戶檢測的研究，必須考慮復雜性和處理時延兩大障礙。從處理時延考慮，數10ms的處理時延對語音信號數據是不可接受的；從復雜性考慮，最佳檢測器的指數復雜性是不現實的，次最佳檢測的線性復雜度隨技術的發展可能會得到廣泛應用。

　　多用戶檢測研究的另一個重要的方面是堅韌性。既然任何頻率、幅度、相位和定時上的誤差都將產生不精確的多址消除，帶來系統性能的惡化，多用戶檢測就必須研究方案對不理想條件的堅韌性。有文獻指出，解相關多用戶檢測的性能，在不等功率的情況下，對定時誤差是很敏感的。當然，這只是對目前一些研究狀況的總結，對于這些實際方面的研究仍是多用戶檢測發展的一個重要方面。

　　多用戶檢測技術的局限性主要有，首先多用戶檢測只是消除了本小區內的干擾，小區間的干擾并沒有消除。按照Viterbi推得的公式，如本區干擾因子定為1，區外干擾因子為ｆ，則理想情況下由多用戶檢測帶來的容量增益為（1+ｆ）/ ｆ。在蜂窩系統中ｆ的典型值為0.55，容量增益因子為2.8。其次多用戶檢測的復雜性的限制，使之僅適用于上行信道，不能直接用于下行鏈路的接收，因此由多用戶檢測帶來的上行信道增益不一定能帶來同等的系統總體增益。

　　針對以上多用戶檢測技術的局限性，人們提出了半盲和盲檢測技術。所謂半盲檢測就是干擾用戶特征序列部分已知部分未知條件下的檢測，適用于小區基站。所謂盲檢測就是不知道所有干擾用戶特征序列條件下的檢測，適用于移動臺。兩者的主要思想都是通過子空間跟蹤技術獲得信號子空間，并利用它來消除未知用戶造成的干擾。半盲檢測器的代表有混合型半盲檢測器，它采用了解相關和最小均分誤差相結合的方法。盲檢測器有基于信號子空間的MMSE盲檢測器和基于正交投影的盲檢測器。不過，信號子空間跟蹤結果的準確性直接影響了盲和半盲檢測器的性能。

6 結束語

　　鑒于多用戶檢測技術投入使用尚存的上述問題和困難，因此，在寬帶CDMA技術之上，對多用戶檢測技術進行研究的工作重點是縮短處理時延，同時在增強堅韌性方面做研究，在此基礎上，綜合考慮寬帶CDMA移動通信系統的性能指標和多用戶檢測技術實現的復雜度，結合當前微電子技術及DSP器件的發展及其未來的發展趨勢，努力找到多用戶檢測技術具體實現的切入點，為多用戶檢測技術在第三代寬帶CDMA移動通信系統中最終投入使用提供理論和技術依據。

　　在寬帶CDMA系統中應用多用戶檢測還需要做很多研究工作，盡管如此，寬帶CDMA是第三代移動通信中最有前途的多址接入方式，而多用戶檢測是可以大幅度提高其系統容量的關鍵技術，它們必將在未來的移動通信中發揮重要作用。

----《中國數據通信》