第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的多用戶檢測(cè)技術(shù)

龔秋莎　楊家瑋　西安電子科技大學(xué)
　　摘要：多址干擾（MAI）是影響碼分多址（CDMA）系統(tǒng)容量的主要因素。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)而言，多用戶檢測(cè)（MUD）技術(shù)可有效消除MAI的影響，提高系統(tǒng)容量。文章主要分析MUD技術(shù)在第三代移動(dòng)通信（3G）中應(yīng)用的必要性，介紹MUD技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、基本思路和MUD接收機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其研究前景進(jìn)行展望。


　　關(guān)鍵詞：第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）　碼分多址　多址干擾　多用戶檢測(cè)


　　1　3G中應(yīng)用多用戶檢測(cè)（MUD）的必要性


　　在3G中，碼分多址（CDMA）接入方式的不足之處在于它是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量和性能主要會(huì)受其他用戶的干擾，即多址干擾（MAI）的限制。同時(shí)，它還存在遠(yuǎn)近效應(yīng)的問題，由于各用戶到基站的距離或衰落深度不同，強(qiáng)信號(hào)將抑制弱信號(hào)，使相對(duì)較弱的用戶信號(hào)得不到正常檢測(cè)。目前，CDMA系統(tǒng)緩解MAI的主要手段是采用嚴(yán)格的功率控制技術(shù)。這種技術(shù)只能在一　定程度上控制遠(yuǎn)近效應(yīng)，卻不能從根本上消除MAI影響，因而對(duì)系統(tǒng)容量的提高很有限。


　　在CDMA系統(tǒng)中，多用戶檢測(cè)（MUD）是最新發(fā)展起來(lái)的用以消除多址干擾的技術(shù)，又稱為聯(lián)合檢測(cè)或干擾抑制方法。它對(duì)各用戶做聯(lián)合檢測(cè)或從接收信號(hào)中減掉相互干擾，有效消除多址干擾和碼間串?dāng)_，以緩解遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，明顯改善系統(tǒng)性能，提高CDMA系統(tǒng)容量。MUD技術(shù)可有效解決3G中的系統(tǒng)容量問題，因此它已成為3G的關(guān)鍵技術(shù)之一，愈來(lái)愈受術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視，得到人們的廣泛關(guān)注。


　　2　MUD的發(fā)展?fàn)顩r


　　MUD理論研究源于八十年代初。早在1979年，Schneider就提出了將多個(gè)用戶的碼元和定時(shí)（還可能包括振幅和相位）信息聯(lián)合起來(lái)，用于檢測(cè)每個(gè)用戶信息的MUD思想，并研究了迫零算法。隨后，Kashihara和Kohno又提出了多址干擾消除接收機(jī)，Schneider和Kohno還給了異步多用戶通信中使用維持比（Viterbi）算法的最優(yōu)接收機(jī)。


　　MUD技術(shù)真正引起廣大研究者的關(guān)注則得益于Verdu的工作。1986年，他提出以匹配濾波器加維特比算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大似然序列檢測(cè)（MLSD），適用于受ISI影響的信道。這種算法的復(fù)雜度仍是用戶數(shù)的指數(shù)冪級(jí)（2^k）,而且MLS檢測(cè)器需要知道接收信號(hào)的幅度和相位，過于復(fù)雜。但這為進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)，促使人們?nèi)�尋找比傳統(tǒng)檢測(cè)器優(yōu)越的各種次優(yōu)多用戶檢測(cè)器。


　　目前已提出的多種MUD方法可從不同角度進(jìn)行分類：按處理方法可分為線性和非線性兩大類；按檢測(cè)器處理信息時(shí)需要知道期望用戶信息量的多少，又可分為盲和非盲多用戶檢測(cè)器。線性多用戶檢測(cè)器包括解相關(guān)檢測(cè)、最小均方誤差檢測(cè)等；非線性檢測(cè)主要包括并行（或串行）干擾抵消算法、多級(jí)檢測(cè)和非線性類概率檢測(cè)等。


　　3　MUD的基本思路


　　在CDMA系統(tǒng)中，小區(qū)干擾分以下三種：接收機(jī)收到的熱噪聲、用戶信號(hào)的碼間干擾（ISI）和多址干擾（MAI）。這三種干擾各有不同的消除方法。在實(shí)際系統(tǒng)中，熱噪聲的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MAI干擾的影響。在通常使用的無(wú)線通信系統(tǒng)中，均通過限制接收機(jī)噪聲系數(shù)的方法來(lái)確定接收機(jī)的靈敏度。ISI的形成原因有兩種：（1）信號(hào)傳輸時(shí)未滿足Nyquist第一準(zhǔn)則，在抽樣時(shí)刻存在失真，可采用升余弦濾波器等方法來(lái)避免；（2）由無(wú)線信道的多徑等特性造成，這種干擾是無(wú)法避免的，可通過均衡等辦法消除。


　　在用戶接收機(jī)完全同步并采用理想正交擴(kuò)頻地址碼的條件下，各用戶之間不會(huì)產(chǎn)生多用戶干擾。但在多徑衰落信道中，理想的完全同步難以實(shí)現(xiàn)，因此擴(kuò)頻碼也難以保持完全的正交性。理論上已證明，同時(shí)具有理想自相關(guān)和理想互相關(guān)特性的二進(jìn)制擴(kuò)頻碼是不存在的，這就是著名的Welch界。在實(shí)際CDMA通信系統(tǒng)中，各用戶信號(hào)之間存在一定的相關(guān)性，這就是MAI存在的根源。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的MAI固然很小，但隨著用戶數(shù)增加或信號(hào)功率增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾，限制系統(tǒng)的容量和性能。MAI分小區(qū)間干擾和小區(qū)內(nèi)干擾兩部分。小區(qū)間干擾是指其它同頻小區(qū)信號(hào)造成的干擾，可通過合理的小區(qū)配置來(lái)減小其影響。即使在最惡劣的情況下，小區(qū)間干擾功率也不超過內(nèi)部干擾功率的60％，因此系統(tǒng)容量主要了決于對(duì)小區(qū)內(nèi)干擾的處理。


　　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)頻碼區(qū)配處理，而對(duì)MAI不作處理，僅通過擴(kuò)頻碼波形的設(shè)計(jì)、功率控制、FEC編碼、扇形/自適應(yīng)天線的方法來(lái)降低其影響，因此抗MAI干擾能力較差。MUD技術(shù)是在傳統(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。從信息論的觀點(diǎn)來(lái)看，傳統(tǒng)接收機(jī)把MAI等效為高斯噪聲，同時(shí)也把有用的信息作為噪聲丟棄了，導(dǎo)致誤碼率增高。而MUD技術(shù)則充分利用系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)有用信息（如用戶的碼元、定時(shí)、信號(hào)幅度和相位等），聯(lián)合檢測(cè)單個(gè)用戶信息，從而獲得最佳判決效果。應(yīng)用MUD技術(shù)可降低系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感度，簡(jiǎn)化功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更有效利用上行鏈路頻譜資源，從而提高系統(tǒng)的用戶容量和性能。在理想的MUD系統(tǒng)中，小區(qū)的MAI將會(huì)完全消除，檢測(cè)后對(duì)應(yīng)的最大系統(tǒng)容量增益的典型值為2.8倍。


　　4　MUD接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)


　　充分利用有用偽碼多址的已知結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計(jì)信息聯(lián)合檢測(cè)的MUD接收機(jī)。有些類型的MUD接收機(jī)會(huì)把MUD部分放在匹配濾波器之前，或?qū)�兩者結(jié)合在一起。


　　線性MUD的基本結(jié)構(gòu)是在匹配濾波器后加一個(gè)線性變換矩陣T，以去除MAI的影響，不同的線性多用戶檢測(cè)器采用不同的線性變換矩陣T進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。線性MUD的通病在于需要進(jìn)行矩陣求逆，這也是工程實(shí)現(xiàn)中的瓶頸所在。


　　非線性MUD引用非線性函數(shù)來(lái)消除MAI，它們利用接收機(jī)對(duì)干擾用戶信號(hào)的判決結(jié)果來(lái)解調(diào)期望用戶的信號(hào)。在理想研究上，非線性MUD由于沒有系統(tǒng)的數(shù)字描述和分析工具，故分析不夠成熟；但它利用干擾消除等方法，避開了互相關(guān)矩陣計(jì)算，比線性多用戶檢測(cè)器易于實(shí)現(xiàn)。因此在性能和復(fù)雜性的折衷方面，非線性MUD似乎優(yōu)于現(xiàn)有的線性MUD。


　　5　結(jié)束語(yǔ)


　　目前，在CDMA系統(tǒng)中，MUD技術(shù)還存在一定局限，主要表現(xiàn)在：


　　*只消除小區(qū)內(nèi)干擾，無(wú)法消除小區(qū)間干擾；


　　*算法復(fù)雜度高，在實(shí)際系統(tǒng)中不易實(shí)現(xiàn)。


　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，這些局限必將突破。同時(shí)，人們也在尋求MUD技術(shù)與其它技術(shù)結(jié)合的方法，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化。目前研究較多的有MUD技術(shù)與空時(shí)二級(jí)信號(hào)處理、多載波調(diào)制、信道編碼、功率控制等技術(shù)的結(jié)合。


　　MUD技術(shù)是可大幅度提高CDMA系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步完善第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，并推進(jìn)第三代移動(dòng)通信時(shí)代的到來(lái)。


摘自《電信快報(bào)》2002.11