3G关键技术：多用户检测
https://www.doczj.com/doc/3b10939543.html, ( 2003/5/28 00:00 )
朱松俭任立刚宋梅宋俊德
（北京邮电大学PCN&&CAD中心北京100876）
摘要本文主要介绍3G系统的核心技术——多用户检测。在分析传统CDMA接收机的缺陷的基础上，介绍了多用户检测技术的概念和各种检测方案的特点、性能及不足，指出了现有多用户检测技术存在的问题和局限性，对于多用户检测技术在第三代宽带CDMA移动通信系统中的应用与实现作了分析，并指出研究的方向。
关键词多用户检测宽带CDMA 多址干扰远近效应
1 引言
随着移动通信的迅猛发展，现有的包括GSM和IS-95通信系统已很难满足发展要求，因此第三代移动通信倍受注目，而在第三代移动通信中，宽带DS/CDMA是迄今最为看好的多址接入方式。宽带CDMA 系统与窄带CDMA系统相比，不仅是带宽的提高，更是单位带宽利用率的增加，互操作性和移动性的增强，以及更广泛的业务范围和支持更高的移动速率。在CDMA通信系统中，由于多个用户的随机接入，所使用的扩频码集一般并非严格正交，码片之间的非零互相关系数将引起各用户间的干扰，这样不仅会严重限制系统的容量，而且强多址信号会淹没弱用户信号，使“远—近”效应的影响加剧。由于用户的扩频码已知，所以用户间的互相关系数是已知的，接收机可以知道多址干扰中的某些重要信息，如多址干扰的扩频码字、组成结构及与目标信号的关系。利用这些信息，接收机可以对各用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间的干扰，从而有效地消除多址干扰的负面影响，这种在检测时利用了多个用户信息的策略称为多用户检测。对于CDMA这样一个干扰限制的系统，研究干扰抑制技术将非常有意义，对多址干扰进行抑制将意味着系统容量的直接提高。
2 传统CDMA接收机存在的缺陷
在码分多址（CDMA）系统中，由于多个用户的随机接入，而所使用的扩频码集一般又不能严格正交，非零互相关系数将引起各用户间的相互干扰，这种现象称为多址干扰（Multi-Access Interference，MAI）。同时由于移动用户所在的位置处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，而即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站信号各不相同，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信，这种现象称为“远—近”效应。现有的CDMA系统，在接收端都是在匹配滤波器后直接解调，匹配接收机是假定多址干扰具有高斯白噪声的统计特性，并没有考虑信道中的多址干扰，而且基于匹配滤波的单用户接收机对“远—近”效应极其敏感，因而始终无法提高系统容量。尽管可以采用一些方法平衡和抑制多址干扰，减少彼此间的影响，但并不能从接收信号中真正消除多址干扰，从根本上解决问题。从而当系统中其他用户信号对特定用户信号造成的干扰超过信道白噪声对该用户信号造成的干扰时，这种多址干扰（MAI）就成为限制系统容量增长的重要因素。正是由于这种多址干扰的存在，在CDMA移动通信系统中，同一信道中可同时传输的最大用户数存在一个极限（在满足各个用户特定业务性能指标的前提下）。而且在现有的CDMA系统中，主要采用功率控制技术来克服“远—近”效应，但是严格的功率控制不但实现复杂，同时由于传输时延及移动台的限制使其具有极大的局限性。传统接收机消除多址干扰（MAI），主要在以下几个方面进行了研究。
（1）设计具有优良相关性质的扩频码；
（2）应用有效的功率控制机制；
（3）应用前向纠错码( Forward Error Correction, FEC )；
（4）采用分扇/自适应天线。
这些研究对于提高系统的抗多址干扰能力有一定的作用，但是还不能够理想地解决问题，于是人们利用空间传输中造成干扰的用户的各种信息进行抗干扰，提出了多用户检测理论。
3 多用户检测的概念
多用户检测是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰（MAI）能力较差；多用户检测(Multi-User Detection, MUD)技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除MAI的影响，从而具有优良的抗干扰性能。在理想情况下，应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户时的性能。这显然消除了“远—近”效应的影响，可以简化用户的功率控制，降低系统对功率控制精度的要求。并且由于MAI的消除，用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能，单用户信噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。
1979年和1983年，K. S. Schneider，R. Kohno分别提出了多用户检测的思想，利用其他用户的已知信息消除MAI，实现无MAI的多用户接收，并指出了一些研究方向，这是多用户检测的最早的文献。此后，多用户检测取得了很大的发展，形成了几条比较清晰的思路，理论工作也日渐完善。图1是典型的多用户检测系统模型。
4 各种多用户检测方案分析
针对传统CDMA接收机的弱点，1986年S. Verdu提出匹配滤波器加Viterbi译码的异步CDMA最佳检测方法，它实质上是序列检测问题，即对接收信号序列的整体进行处理，采用最大似然序列准则找出一个接收信号序列，使得给定输出序列的似然函数最大。最佳多用户检测由匹配滤波和Viterbi译码算法组成，具有优异的性能，但由于其运算复杂度随用户数指数增长（2Ｋ），实际上是无法实时实现的。为简化多用户检测器的结构，而性能又接近于最佳多用户检测，次最佳多用户检测成为一种理想选择，并已成为近年来的一个研究热点。次最佳多用户检测技术分为线性多用户检测和干扰消除多用户检测两类，前者对传统检测器的输出进行解相关或其他的线性变换以利于接收判决，后者利用可靠已知信息对干扰进行估计，然后在原信号中减去估计干扰以利于接收判决。
4.1 线性多用户检测
1. 解相关线性多用户检测（decorrelating linear MUD）
解相关线性多用户检测实际上是建立于最大最小准则基础上，它是在用户干扰功率未知的情况下，保证接收机在最坏情况下的最佳性能而提出的。线性算子Ｌ=Ｒ-1，所以判决矢量为Ｚ=Ｒ-1Ｙ=ＷＢ+Ｒ-1Ｎ。解相关线性多用户检测完全消除了MAI, 但Ｚ中噪声分量的协方差矩阵为（Ｎ0 /2）Ｒ-1，第ｋ用户的误码率为
Ｐｅ（ｋ）=Ｑ（）
因为在此式中（Ｒ-1）ｋｋ为Ｒ-1的第ｋ行ｋ列元素，它大于1，所以，解相关线性多用户检测方法多址干扰的消除是以噪声的增强为代价的。
此外，解相关线性多用户检测的判决变量是无偏的（unbiased）。正因如此噪声不依赖于干扰功率，最佳地抑制了“远—近”效应。其性能独立于干扰功率，不需要估计功率的大小，唯一的要求是已知码字和定时，实现也相对简单，因此非常适合于“远—近”效应的环境。
2. 最小的均方误差多用户检测（Minimum Mean Square Error MUD，MMSEMUD）
MMSE多用户检测是一种高斯白噪声中的线性最佳检测，以最小化E [（Ｂ-）T （Ｂ- ）]为准则，它的Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ=（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1，Ｋ维判决矢量为Ｚ=Ｌ-1Ｙ=（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1ＲＷＢ+（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1Ｎ，噪声矢量的Ｋ×Ｋ协方差矩阵为（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1Ｒ（Ｒ+Ｎ0 /2·Ｉ）-1。MMSE多用户检测是一种有偏估计，系统性能受干扰功率的影响。当MAI占统治地位，噪声分量不存在时，Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ变为Ｒ-1，MMSE多用户检测变为解相关线性多用户检测；在另一种极端情况下，如果Ｎ0 >>ｗｊ，ｊ=1,2,…，Ｋ，即噪声远强于MAI，Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ退化为单位矩阵，MMSE多用户检测就退化为传统的单用户检测器。我们知道，当干扰完全为高斯白噪声时，传统的单用户检测器本身就是最佳的。
MMSE多用户检测的误码率公式很复杂，但需要强调的一点是MMSE多用户检测和解相关线性多用户检测都是线性结构，一定程度上限制了它们的性能。
3. 自适应MMSE多用户检测
1995年Miller S L提出了自适应MMSE多用户检测，如图2所示。其基本原理是：通过一个数据比特周期内的接收信号取样序列，来获得一个数据比特的估计值。也就是说，对ｂ1[0]的估计只能依赖于ｔ∈[0, Ｔb]之间的Ｎ个接收信号取样值（称之为接收矢量ｕ[0]）。其中：Ｎ是处理增益；Ｔb是数据比特周期；Ｔc=Ｔb /Ｎ是扩频码周期；ｂｋ[ｉ]∈{1,1}是用户ｋ的第ｉ个数据比特。Ｎ抽头的时延线MMSE 自适应多用户检测接收机在扩频增益较大，而接收信号码元能量比较小时，自适应滤波器系数难以迅速收敛到最小均方误差值，无法跟踪信道参数的变化，造成性能下降，而且由于训练序列的存在，必将加大系统实现的复杂度。
4.2 干扰消除多用户检测
1. 串行干扰消除多用户检测器（Successive Interference Cancellation MUD，SICMUD）
SIC检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判出一个就再造并减去该用户信号造成的MAI干扰，操作顺序是根据信号功率的大小来定的，功率较大的信号先进行操作，因此，功率最弱的信号受益最大。SIC在性能上比传统检测器有较大提高，而且在硬件上改动不大，易于实现。但是SIC每一级都需要有一个字符的时延，另外当信号功率强度顺序发生变化时需要重新排序，最不利的一点是如果初始数据判决不可靠将对下级产生较大的干扰。
2.并行干扰消除多用户检测器（Parallel Interference Cancellation MUD，PICMUD）
PIC检测器具有多级结构，其每一级并行估计和去除各个用户造成的MAI干扰，然后进行数据判决。PIC的设计思想和SIC基本相同，但由于PIC是并行处理，克服了SIC时延长的缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序。但是，采用PIC时，对硬件复杂度要求会相应提高，不过，随着微电子技术的不断发展，芯片集成度的不断提高，很容易满足系统对硬件规模的要求。从这种意义上来讲，PIC更适合于应用于移动通信系统中，在各种MUD中具有较高的实用价值。
3. 判决反馈多用户检测（Decision Feedback Detector MUD, DFMUD）
DF检测器首先对接收信号进行线性处理，然后进行SIC检测。线性处理进行部分解相关，避免了噪声的加强，SIC再根据信号强度递减顺序进行串行干扰消除。DF检测器的难点在于要进行Cholesky分解和白化矩阵求逆，而且需要估计接收信号的幅度。
5 多用户检测技术存在的问题及其局限性
多用户检测的研究，必须考虑复杂性和处理时延两大障碍。从处理时延考虑，数10ms的处理时延对语音信号数据是不可接受的；从复杂性考虑，最佳检测器的指数复杂性是不现实的，次最佳检测的线性复杂度随技术的发展可能会得到广泛应用。
多用户检测研究的另一个重要的方面是坚韧性。既然任何频率、幅度、相位和定时上的误差都将产生不精确的多址消除，带来系统性能的恶化，多用户检测就必须研究方案对不理想条件的坚韧性。有文献指出，解相关多用户检测的性能，在不等功率的情况下，对定时误差是很敏感的。当然，这只是对目前一些研究状况的总结，对于这些实际方面的研究仍是多用户检测发展的一个重要方面。
多用户检测技术的局限性主要有，首先多用户检测只是消除了本小区内的干扰，小区间的干扰并没有消除。按照Viterbi推得的公式，如本区干扰因子定为1，区外干扰因子为ｆ，则理想情况下由多用户检测带来的容量增益为（1+ｆ）/ ｆ。在蜂窝系统中ｆ的典型值为0.55，容量增益因子为2.8。其次多用户检测的复杂性的限制，使之仅适用于上行信道，不能直接用于下行链路的接收，因此由多用户检测带来的上行信道增益不一定能带来同等的系统总体增益。
针对以上多用户检测技术的局限性，人们提出了半盲和盲检测技术。所谓半盲检测就是干扰用户特征序列部分已知部分未知条件下的检测，适用于小区基站。所谓盲检测就是不知道所有干扰用户特征序列条件下的检测，适用于移动台。两者的主要思想都是通过子空间跟踪技术获得信号子空间，并利用它来消除未知用户造成的干扰。半盲检测器的代表有混合型半盲检测器，它采用了解相关和最小均分误差相结合的方法。盲检测器有基于信号子空间的MMSE盲检测器和基于正交投影的盲检测器。不过，信号子空间跟踪结果的准确性直接影响了盲和半盲检测器的性能。
6 结束语
鉴于多用户检测技术投入使用尚存的上述问题和困难，因此，在宽带CDMA技术之上，对多用户检测技术进行研究的工作重点是缩短处理时延，同时在增强坚韧性方面做研究，在此基础上，综合考虑宽带CDMA移动通信系统的性能指标和多用户检测技术实现的复杂度，结合当前微电子技术及DSP器件的发展及其未来的发展趋势，努力找到多用户检测技术具体实现的切入点，为多用户检测技术在第三代宽带CDMA移动通信系统中最终投入使用提供理论和技术依据。
在宽带CDMA系统中应用多用户检测还需要做很多研究工作，尽管如此，宽带CDMA是第三代移动通信中最有前途的多址接入方式，而多用户检测是可以大幅度提高其系统容量的关键技术，它们必将在未来的移动通信中发挥重要作用。