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引言
多用戶檢測(cè)(MUD)是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個(gè)用戶信號(hào)之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾(MAI)存在的原因。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的MAI固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號(hào)功率的增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對(duì)每個(gè)用戶的信號(hào)分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理，因而抗MAI干擾能力較差；多用戶檢測(cè)技術(shù)在傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成MAI干擾的所有用戶信號(hào)信息對(duì)單個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。
多用戶檢測(cè)技術(shù)
多用戶檢測(cè)主要是指利用多個(gè)用戶的碼元、時(shí)間、信號(hào)幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測(cè)單個(gè)用戶的信號(hào)，以達(dá)到較好的接收效果。
多用戶檢測(cè)技術(shù)可分為線性檢測(cè)和干擾消除兩大類。線性多用戶檢測(cè)技術(shù)主要有四種：解相關(guān)檢測(cè)、最小均方誤差檢測(cè)、子空間斜投影檢測(cè)和多項(xiàng)式擴(kuò)展檢測(cè)。解相關(guān)檢測(cè)器的基本思想是首先計(jì)劃各個(gè)用戶信號(hào)(一般取單個(gè)字符或部分字符)之間基于擴(kuò)展碼的互相關(guān)矩陣并求取其逆，然后對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解相關(guān)計(jì)算，最后再對(duì)解相關(guān)信號(hào)進(jìn)行判決。該方法不用估計(jì)接收信號(hào)的幅度，比MLSD計(jì)算量小，但是解相關(guān)操作將加強(qiáng)加性高斯白噪聲(AWGN)，互相關(guān)逆矩陣的計(jì)算量仍然很大；最小均方誤差檢測(cè)器(Minimum Mean-Squared Error Detector，MMSE Detector)，其基本思想是計(jì)算經(jīng) 線性變換的接收數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)檢測(cè)器的軟判決輸出之間的均方差，使之最小的 矩陣即為所求線性變換。MMSE檢測(cè)器考慮了背景噪聲的存在，并利用接收信號(hào)的功率值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在消除MAI干擾和不增強(qiáng)背景噪聲之間取得了一個(gè)平衡點(diǎn)。
干擾消除多用戶檢測(cè)技術(shù)包括串行干擾消除多用戶檢測(cè)、并行干擾消除多用戶檢測(cè)和判決反饋多用戶檢測(cè)。串行干擾消除多用戶檢測(cè)器(SIC)在接收信號(hào)中對(duì)多個(gè)用戶逐個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)判決，判出一個(gè)就再造并減去該用戶信號(hào)造成的MAI干擾，操作順序是根據(jù)信號(hào)功率的大小來定的，功率較大的信號(hào)先進(jìn)行操作，因此，功率最弱的信號(hào)受益最大。SIC在性能上比傳統(tǒng)檢測(cè)器有較大提高，而且在硬件上改變不大，易于實(shí)現(xiàn)，但是SIC每一級(jí)都需要有一個(gè)字符的延時(shí)，另外當(dāng)信號(hào)功率強(qiáng)度順序發(fā)生變化時(shí)需要重新排序，最不利的一點(diǎn)是如果初始數(shù)據(jù)判決不可靠的話將對(duì)下級(jí)產(chǎn)生較大的干擾。并行干擾消除多用戶檢測(cè)器(PIC)具有多級(jí)結(jié)構(gòu)，其每一級(jí)并行估計(jì)和去除各個(gè)用戶造成的MAI干擾，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)判決。PIC的設(shè)計(jì)思想和SIC基本相同，但由于PIC是并行處理，克服了SIC延時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而且無需在情況發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行重新排序，在各種MUD中具有較高的實(shí)用價(jià)值。
MUD系統(tǒng)模型和算法公式
下面我們介紹K個(gè)用戶時(shí)DS-CDMA上行鏈路的標(biāo)準(zhǔn)模型。每個(gè)用戶的BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)，采用偽隨機(jī)序列乘以調(diào)制的數(shù)據(jù)符號(hào)來進(jìn)行擴(kuò)展。通過信道并進(jìn)入基站之后組成的信號(hào)可以用(1)式來表示。
(1)
其中，tk是第K個(gè)用戶所發(fā)送信號(hào)的時(shí)延，n(t)是復(fù)雜的兩面AWGN，第K個(gè)用戶的信號(hào)為：
(2)
其中，PK是第K個(gè)用戶的功率，bk(i)是第K個(gè)用戶在時(shí)間i發(fā)射的BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)，fk是所接收的第K個(gè)用戶的相位數(shù)據(jù)，ak(t)是擴(kuò)展波，由(3)式給定：
(3)
其中G為碼片數(shù)，，p(t)是持續(xù)TC碼片的脈沖形狀。
匹配濾波器(相關(guān)接收機(jī))可以模型化如下，對(duì)于用戶K，其匹配濾波器的輸出為：
(4)
其中，fk和k為估計(jì)的時(shí)延和相位。估測(cè)的比特為：
(5)
解相關(guān)器檢測(cè)器
對(duì)于解相關(guān)器、匹配濾波器的輸出可以用矩陣形式表示，采用基于以下模型的模塊：
y = RWb + n (6)
其中R為相關(guān)矩陣，振幅矩陣W是包含所有用戶調(diào)幅的對(duì)角線矩陣，b為輸出比特，n是噪音矢量。具體展開為：
其中，M為符號(hào)數(shù)。相關(guān)矩陣為：
(11)
其中，相關(guān)矩陣R(i)的輸入為：
(12)
噪音矢量n是加性高斯的。因此，解相關(guān)器輸出為：
(13)
MMSE檢測(cè)器
MMSE接收機(jī)在匹配的濾波器輸出上完成了一個(gè)線性的轉(zhuǎn)換，使均方差最小(MSE)。所檢測(cè)的比特從下式獲得：
(14)
并行干擾消除檢測(cè)器(PIC)
PIC接收機(jī)同時(shí)檢測(cè)到所有的用戶，然后同時(shí)消除干擾，它采用多階段原理，在階段n所接收的信號(hào)為：
(15)
串行干擾消除檢測(cè)器(SIC)
SIC接收機(jī)一次消除一個(gè)用戶。它根據(jù)用戶的功率進(jìn)行排列，將功率較高的用戶首先消除。消除了K-1個(gè)用戶后，用戶K所接收的信號(hào)為：
(16)
多用戶檢測(cè)技術(shù)中的算法選擇
當(dāng)考慮哪個(gè)算法最適合實(shí)際的MUD算法時(shí)，應(yīng)考慮下列準(zhǔn)則：
復(fù)雜性
多用戶檢測(cè)接收機(jī)最終實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性取決于所選擇的結(jié)構(gòu)，沒有ASIC和DSP實(shí)現(xiàn)級(jí)算法的詳細(xì)分析，就無法估測(cè)。然而復(fù)雜性的大致估測(cè)，可以通過估測(cè)每秒鐘算術(shù)操作的數(shù)目和同步 DSP所需的時(shí)鐘周期數(shù)來進(jìn)行。
線性檢測(cè)器(例如解相關(guān)器和MMSE檢測(cè)器)中的理想實(shí)現(xiàn)依賴于用戶數(shù)與多徑成分的數(shù)目的乘積。因此，建議采用重復(fù)的算法，例如可以用組合陡度(CG)方法來實(shí)現(xiàn)，而預(yù)先設(shè)置的組合陡度算法(PCG)似乎是線性多用戶檢測(cè)器的最簡(jiǎn)單算法之一。重復(fù)PCG算法從實(shí)現(xiàn)的角度來看是非常復(fù)雜的，尤其是采用長(zhǎng)擴(kuò)展碼時(shí)，幾乎是不可行的，所以這里建議采用解相關(guān)器的另一種實(shí)現(xiàn)——近似的解相關(guān)器——來簡(jiǎn)化處理要求。符號(hào)級(jí)PIC是復(fù)雜性最小的多用戶檢測(cè)算法，然而對(duì)于長(zhǎng)擴(kuò)展碼，相關(guān)矩陣需要為每個(gè)符號(hào)進(jìn)行更新，因此增加了復(fù)雜性。再生SIC算法也具有較低的復(fù)雜性，然而高時(shí)鐘速率限制了干擾消除過程中的用戶數(shù)。因此，從復(fù)雜性角度來看，PIC接收機(jī)是最適合采用長(zhǎng)擴(kuò)展碼的系統(tǒng)。
性能
在AWGN信道上，解相關(guān)器、MMSE和SD-PIC接收機(jī)幾乎有相同的性能，并且其Eb/N0少于10dB。由于解相關(guān)器存在噪音增強(qiáng)特性，所以MMSE檢測(cè)器性能要比解相關(guān)器性能更優(yōu)越。而HD-PIC(硬決策PIC)比SD-SIC(軟決策PIC)接收機(jī)完成得更好，這主要是因?yàn)镠D-PIC有更可靠的實(shí)驗(yàn)性決策，因此有較少的殘留干擾。獨(dú)立的相位差錯(cuò)對(duì)任何多用戶檢測(cè)接收機(jī)的影響都不是很大，而且相比于時(shí)延差錯(cuò)對(duì)接收性能的嚴(yán)重影響，獨(dú)立的相位差錯(cuò)的影響也顯得微不足道了。因此，隨著相位差錯(cuò)的增加，所有檢測(cè)器性能惡化的情況非常相似。
在平坦的瑞利衰落信道中，所有檢測(cè)器的性能非常近似。由于用戶的瞬間功率是不同的，所以SIC方案的性能與AWGN信道相比已經(jīng)有所改進(jìn)。在頻率選擇性的瑞利衰落信道中，SD-PIC和SD-SIC接收機(jī)的性能比線性接收機(jī)的性能稍差，這主要是由于附加的多徑引起的MAI，降低了信道增益的估測(cè)，而解相關(guān)器和MMSE接收機(jī)不需要對(duì)信道增益單獨(dú)估測(cè)。但是HD-PIC接收機(jī)可以采用信道增益單獨(dú)估測(cè)，并且其性能降低的不會(huì)太多。實(shí)際上，對(duì)于適當(dāng)?shù)男诺涝鲆婀罍y(cè)差錯(cuò)，HD-PIC仍然可以完成解相關(guān)器接收機(jī)的功能。
由于多用戶檢測(cè)器的遠(yuǎn)近期性能，我們應(yīng)該考慮到如下兩個(gè)問題：對(duì)于可變擴(kuò)展因子(VSF)方案，不同的數(shù)據(jù)速率有不同的功率，因此存在一個(gè)固定的遠(yuǎn)近期形式；對(duì)于多碼方案，由不完善的功率控制所導(dǎo)致的接收用戶功率的變化。
在VSF系統(tǒng)中，一個(gè)高功率用戶明顯地降低了SD-PIC方案的性能，原因是由于存在高功率用戶的干擾，所以第一階段對(duì)弱用戶的消除是不準(zhǔn)確的。SIC方案受益于不相等的功率，然而SIC算法不是對(duì)最強(qiáng)用戶的功率靈敏，而是對(duì)第二強(qiáng)用戶的功率靈敏。這主要是因?yàn)槿绻袃蓚�(gè)很強(qiáng)的用戶，第二強(qiáng)用戶會(huì)減弱最強(qiáng)用戶的估測(cè)。這也進(jìn)一步減少了SIC算法的吸引力。實(shí)際上，在時(shí)延估測(cè)差錯(cuò)面前，遠(yuǎn)近期性能將降低，并且所有的方案在性能上彼此更接近。在所有VSF方案中，最有前途的方案是成組SIC(GSIC)。其中用戶根據(jù)它們的擴(kuò)展因子來分類，并在該類中采用PIC或解相關(guān)器。首先檢測(cè)出使用最低擴(kuò)展因子的用戶，并將它們的MAI從其它用戶MF輸出中提取出來，然后PIC或解相關(guān)器進(jìn)一步將其他用戶檢測(cè)出來。但是高比特速率用戶的性能不太好，因?yàn)闆]有檢測(cè)出的低比特速率用戶降低了高比特速率用戶的性能。
功率控制對(duì)MUD算法的影響
第三代寬帶CDMA系統(tǒng)在上行和下行鏈路均采用快速閉環(huán)功率控制。因?yàn)樗械亩嘤脩魴z測(cè)器實(shí)際上都是受遠(yuǎn)近期限制的，即使采用MUD也需要功率控制。在上行鏈路，快速功率控制用三種方式改進(jìn)性能：均衡用戶功率，緩解有害的遠(yuǎn)近效應(yīng)；補(bǔ)償信道衰落，改進(jìn)Eb/N0性能；將傳輸功率最小化，增加移動(dòng)臺(tái)的電池壽命，減少小區(qū)間干擾。在下行鏈路，功率控制也通過改進(jìn)性能來抑制衰落，但與上行鏈路相比，它增加了移動(dòng)臺(tái)所接收信號(hào)之間的功率差別。多用戶檢測(cè)可以促進(jìn)在功率級(jí)上的更大差別，因此對(duì)深度衰落可以提供較好的補(bǔ)償。因此，即使是多用戶檢測(cè)，采用功率控制也是很重要的。
所有寬帶CDMA系統(tǒng)在上行和下行鏈路均采用快速功率控制，快速功率控制試圖補(bǔ)償快衰落的影響。功率控制對(duì)SIC性能的影響最大，當(dāng)用戶功率不同的時(shí)候，SIC方案完成的最好，如果將用戶在符號(hào)基礎(chǔ)上排列，可以獲得與其它方案相等的性能�？紤]到功率排列，為了減輕SIC接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，目前已經(jīng)提議采用基于SIR的功率控制。首先被檢測(cè)出的用戶看到從所有其它用戶來的干擾，最后一個(gè)檢測(cè)出來的用戶僅看到噪聲和其他小區(qū)的干擾。因此，在相同的質(zhì)量目標(biāo)時(shí)，功率控制將調(diào)整用戶的功率，使得第一個(gè)用戶有最大的功率，最后一個(gè)用戶有最小的功率，第一個(gè)用戶的性能與卷積檢測(cè)器的性能相等，而更多的增益則可以通過考慮一個(gè)小區(qū)中用戶的空間分布來獲得。同時(shí)為了使小區(qū)間干擾最小，檢測(cè)處理中的第一個(gè)用戶應(yīng)離基站最近；而對(duì)于那些移動(dòng)性很強(qiáng)的用戶，這種安排就會(huì)顯得很難處理了。
不完善的功率控制會(huì)降低卷積檢測(cè)器的性能，這是因?yàn)闆]有很好的補(bǔ)償衰落。此外，由于不完善的功率控制引起的不相等功率會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)近效應(yīng)。正如前面所討論的，當(dāng)考慮到不完善的參數(shù)估測(cè)時(shí)，沒有一個(gè)多用戶檢測(cè)接收機(jī)是抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的，因此，不完善的功率控制也會(huì)降低多用戶檢測(cè)器的性能。功率控制差錯(cuò)可以模型化為正常記錄分布的隨機(jī)變量，由快速功率控制環(huán)和開環(huán)功率控制引起的在反向鏈路并列的功率控制差錯(cuò)為1.5~2.5dB。基于上述討論，似乎所有的檢測(cè)器在不完善的功率控制下性能的降低情況類似。因此，像常規(guī)的匹配濾波檢測(cè)器一樣，多用戶檢測(cè)器需要同樣嚴(yán)格的功率控制。
結(jié)語
多用戶檢測(cè)技術(shù)具有非常優(yōu)越的抗干擾性能，它不僅解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，而且降低了系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求，因此可以有效地利用上行鏈路頻譜資源，提高系統(tǒng)容量。
但是，多用戶檢測(cè)也存在一些局限性，例如多用戶檢測(cè)不能夠消除其它小區(qū)的MAI干擾對(duì)本小區(qū)的影響，另外由于條件的限制，多用戶檢測(cè)技術(shù)不能直接用于下行鏈路的接收。對(duì)此，人們提出了半盲檢測(cè)和盲檢測(cè)技術(shù)。兩者的主要思想都是通過子空間跟蹤技術(shù)獲得信號(hào)子空間并利用它來消除未知用戶造成的干擾。
雖然多用戶檢測(cè)技術(shù)有它的局限性，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多用戶檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而且必將成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)�！�
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摘自《電子產(chǎn)品世界》
