多用戶檢測技術在CDMA中的應用前景

2019-11-03 09:12:02

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供稿：網友

電子科技大學抗干擾通信技術國防重點實驗室唐友喜

2000年到來之后，實用的第三代移動通信系統(3G)離我們越來越近。多用戶檢測技術作為TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA的增強性技術之一，愈來愈受到學術界、產業界的重視。本文在回顧多用戶檢測技術的基礎上，結合窄帶CDMA的特點，介紹多用戶檢測技術在窄帶CDMA中的應用前景。

一、多用戶檢測技術

1979年K.Schneider提出多用戶檢測(Multiple User Detection, MUD)的概念以來，經過20余年的發展，特別是1986年Verdu提出最佳多用戶檢測算法以后，多用戶檢測技術成為無線通信領域最重要的學術研究熱點之一。CDMA系統中多用戶檢測的定義：聯合考慮同時占用某個信道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其它用戶對任一用戶的影響，并同時檢測出所有這些用戶或某些用戶的信息的一種信號檢測方法。多用戶檢測有時又稱聯合檢測(Joint Detection)。含多用戶檢測技術的CDMA接收機稱為先進接收機(Advanced Receiver)。

我們知道，在目前可實現性的前提下，對比FDMA、TDMA及CDMA三種多址技術，CDMA具有很多的優點。由于CDMA通信系統的容量受其本身的多地址干擾（簡稱多址干擾）的大小和多少決定，CDMA優越的結論一般是針對采用功率控制法抗多址干擾的CDMA系統。功率控制法抗多址干擾是一種原始的、簡單的抗多址干擾方法，如果采用多用戶檢測技術抗多址干擾，CDMA系統的性能將進一步提高。CDMA系統中采用多用戶檢測技術的優點主要表現在以下幾個方面：

1.提高CDMA的系統容量，增加用戶數。用戶數的增加，意味著更高的無線頻譜效率。

2.降低CDMA用戶設備（UE）的發射功率，提高UE的待機及通話時間。另一方面，表現為降低了UE射頻部分的成本及故障率。

3.減小射頻輻射對用戶的生理及心理影響，移動通信設備對環境的影響更綠色化。

4.增加通信距離，增大基站的覆蓋面積，降低了基站綜合成本。

二、主要的多用戶檢測方法簡介

經過20余年的發展，對抑制多址干擾的多用戶檢測方法已研究的十分廣泛和具體。根據上面多用戶檢測的定義，在不同的準則下，多用戶檢測具有不同的分類方法。按性能的不同，多用戶檢測可分為最優多用戶檢測法及準最優多用戶檢測法。從結構上看，多用戶檢測又分為線性多用戶檢測及非線性多用戶檢測方法。

１．基站中的多用戶檢測方法

基站（Base Station, 或Node B）中多用戶檢測方法。由于基站知道所有用戶的特征碼(signature sequence)，考慮到算法復雜度之后，基站中的多址干擾抑制方法一般選擇針對多用戶的多用戶檢測方法。下面分別介紹基站中的典型多用戶檢測方法。

（1）最優多用戶檢測法

最優多用戶檢測法，即最大似然序列估計（MLSE）方法，1986年由Verdu提出。該算法的復雜度隨著用戶數成指數增加，從目前器件經濟的可實現性來看，當用戶數大于9時，是不可行的。最優多用戶檢測法為我們提供了性能改善的極限值。

（2）線性準最優多用戶檢測法

由于最優多用戶檢測法的復雜度太高，1989年以后的研究均側重于準最優多用戶檢測法。準最優多用戶檢測可分為線性及非線性兩大類。所謂線性或非線性，即是判斷算法的輸出是否是輸入的線性變換。線性多用戶檢測算法主要包括去相關法（Decorrelator）和最小均方估計法（MMSE）。去相關法及MMSE法的復雜度均隨用戶數線性增長，其中去相關法不需估計各用戶的幅度，具有較好的抗遠近效應能力，而MMSE法需估計各用戶的幅度，抗遠近效應能力不如去相關法，但去相關法對信道噪聲有放大作用，MMSE法則沒有。當信噪比較大時，使用去相關法較好；當信噪比較小進，易于使用MMSE法。

從本質上看，去相關性及MMSE法均需對互相關矩陣求逆，當用戶數很多時，使用去相關法及MMSE法的復雜度還是太大。為此Moshavi等人提出了矩陣求逆的多項式分解法，只取多項式的前幾項代替整個逆陣，從而化簡求逆的復雜度。

（3）非線性準最優多用戶檢測法

由于線性多用戶檢測法復雜度高，收斂慢，從可實現性角度考慮的研究方向主要集中于非線性多用戶檢測方法。非線性多用戶檢測方法主要有多級型、判決反饋型、神經網絡等幾種方法。

多級型多用戶檢測算法，根據每一級各用戶的檢測形式不同，又可劃分很多形式。若每一級各用戶并行的采用匹配濾波器或相關器檢測，這就是傳統的并行干擾對消（parallel interference cancellation: PIC）算法。若每一級的每個用戶，根據信號強度的大小，采用串行的匹配濾波或相關檢測的方法，這就是所謂的串行干擾對消（successive interference cancellation: SIC）算法。當然，每一級各用戶還均可以采用去相關檢測、MMSE等算法，這時的性能會更好一些，但算法實現復雜度也更高一些。多級型多用戶檢測算法的每級一般算法結構相似，因而多級型的每一級的最后（除最后一級），還有一個各用戶信號的再生、還原過程，這也是多級型方法的特點之一。

判決反饋多用戶檢測算法，有與多級型算法類似的種類。從本質上看，判決反饋多用戶檢測算法等價于多級型算法。從結構上來看，判決反饋法將多級型方法采用循環的方式一級來完成，通過對一級的多次循環，完成多級型相同的功能。從實現上來看，判決反饋多用戶檢測算法比多級型算法需要更多的存儲空間。

多用戶檢測從本質上看，是一個組合優化問題。因而，所有解決組合優化的算法原則均可適用于多用戶檢測。其中基于神經網絡的解組合優化問題當然可以適合多用戶檢測。

２．用戶設備中的多用戶檢測方法

對于用戶設備（User Equipment, UE，又稱移動終端: Mobile Station, MS）來說，從安全及復雜度上考慮，它只知道自己使用的特征序列。這時的多址干擾抑制方法（為了方便，我們也稱為多用戶檢測方法），與基站中的的多址干擾抑制方法有很大的差別。用戶設備中多用戶檢測的各種方法。我們把傳統CDMA檢測器作為固定式多用戶檢測方法也歸納進來了。所謂傳統CDMA檢測器，即采用了相關器或匹配濾波器檢測方法。傳統CDMA檢測器為了減弱多址干擾的影響，在系統級中采用了功率控制的方法，它要求到達某一接收機輸入端的各個用戶的功率相等。這是一種最簡單、原始的多址干擾抑制方法，已成功應用于軍、民用CDMA移動通信網。反映為圖2中的固定式多用戶檢測類。

為了更有效的對抗多址干擾，用戶設備一般采用自適應技術來抑制多址干擾。所謂自適應多址干擾抑制算法，即接收機的多址干擾抑制部分采用了自適應濾波器的結構，濾波器的系數是自適應變化的，標準是滿足某種標準下的最優化。自適應式多用戶檢測方法也可劃分為兩大類：線性及非線性。類似于基站中的多用戶檢測方法，用戶設備中的自適應非線性多用戶檢測方法包含有判決反饋、神經網絡方法。下面主要介紹用戶設備中的自適應線性多用戶檢測方法。

（1）線性高復雜度自適應多用戶檢測算法

線性高復雜度自適應多用戶檢測算法，根據自適應算法抽頭間距（也可以表述為自適應算法對輸入信號的采樣間隔）的大小，可以劃分為碼元空間、分數空間兩種。如果抽頭間距等于接收機擴頻碼的一個碼元寬度，這就是碼元空間法。分數空間法則定義為自適應算法抽頭間距只是碼元寬度的一部分。分數空間法自適應多用戶檢測算法則包含最優線性同軛線性算法（optimum linear-conjugate-linear, LCL）及復時間相關自適應濾波算法（complex time dependent adaptive filter, TDAF）。復時間相關自適應濾波算法還可以進一步劃分，濾波算法是基于波形估計濾波式的，還是基于符號估計濾波式。

（2）線性低復雜度自適應多用戶檢測算法

線性低復雜度自適應多用戶檢測算法，依據對高復雜度自適應多用戶檢測算法簡化的方法的不同，可分為兩類：最優簡化法、次優簡化法。其中次優簡化法包含循環位濾波器組法及符號過采樣法。

三、多用戶檢測技術在窄帶ＣＤＭＡ中的應用前景

目前，算法復雜度低、性能優良的多用戶檢測算法是研究的重點之一。當CDMA系統的擴頻序列較長時（一般對應于CDMA系統的用戶容量較大），多用戶檢測算法的復雜度高，處理時延也較大。從目前的器件水平來看，對于窄帶CDMA，例如TD-SCDMA，擴頻序列最大長度為16，使用多用戶檢測算法抑制多址干擾時，有較多種類的算法可以選擇。例如：干擾對消類的方法、MMSE算法等。但對于擴頻序列很長的CDMA系統，如WCDMA、cdma2000，擴頻序列長度最大可達256，目前的器件水平來實現多用戶檢測算法，還有很大的難度。這也反映出了TD-SCDMA的優點。

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