多用戶檢測(cè)技術(shù)在CDMA中的應(yīng)用前景

2019-11-03 09:12:02

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

電子科技大學(xué)抗干擾通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐友喜

2000年到來(lái)之后，實(shí)用的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)離我們?cè)絹?lái)越近。多用戶檢測(cè)技術(shù)作為T(mén)D-SCDMA、cdma2000、WCDMA的增強(qiáng)性技術(shù)之一，愈來(lái)愈受到學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的重視。本文在回顧多用戶檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合窄帶CDMA的特點(diǎn)，介紹多用戶檢測(cè)技術(shù)在窄帶CDMA中的應(yīng)用前景。

一、多用戶檢測(cè)技術(shù)

1979年K.Schneider提出多用戶檢測(cè)(Multiple User Detection, MUD)的概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，特別是1986年Verdu提出最佳多用戶檢測(cè)算法以后，多用戶檢測(cè)技術(shù)成為無(wú)線通信領(lǐng)域最重要的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)之一。CDMA系統(tǒng)中多用戶檢測(cè)的定義：聯(lián)合考慮同時(shí)占用某個(gè)信道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其它用戶對(duì)任一用戶的影響，并同時(shí)檢測(cè)出所有這些用戶或某些用戶的信息的一種信號(hào)檢測(cè)方法。多用戶檢測(cè)有時(shí)又稱聯(lián)合檢測(cè)(Joint Detection)。含多用戶檢測(cè)技術(shù)的CDMA接收機(jī)稱為先進(jìn)接收機(jī)(Advanced Receiver)。

我們知道，在目前可實(shí)現(xiàn)性的前提下，對(duì)比FDMA、TDMA及CDMA三種多址技術(shù)，CDMA具有很多的優(yōu)點(diǎn)。由于CDMA通信系統(tǒng)的容量受其本身的多地址干擾（簡(jiǎn)稱多址干擾）的大小和多少?zèng)Q定，CDMA優(yōu)越的結(jié)論一般是針對(duì)采用功率控制法抗多址干擾的CDMA系統(tǒng)。功率控制法抗多址干擾是一種原始的、簡(jiǎn)單的抗多址干擾方法，如果采用多用戶檢測(cè)技術(shù)抗多址干擾，CDMA系統(tǒng)的性能將進(jìn)一步提高。CDMA系統(tǒng)中采用多用戶檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.提高CDMA的系統(tǒng)容量，增加用戶數(shù)。用戶數(shù)的增加，意味著更高的無(wú)線頻譜效率。

2.降低CDMA用戶設(shè)備（UE）的發(fā)射功率，提高UE的待機(jī)及通話時(shí)間。另一方面，表現(xiàn)為降低了UE射頻部分的成本及故障率。

3.減小射頻輻射對(duì)用戶的生理及心理影響，移動(dòng)通信設(shè)備對(duì)環(huán)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(cè)方法簡(jiǎn)介

經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，對(duì)抑制多址干擾的多用戶檢測(cè)方法已研究的十分廣泛和具體。根據(jù)上面多用戶檢測(cè)的定義，在不同的準(zhǔn)則下，多用戶檢測(cè)具有不同的分類方法。按性能的不同，多用戶檢測(cè)可分為最優(yōu)多用戶檢測(cè)法及準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)法。從結(jié)構(gòu)上看，多用戶檢測(cè)又分為線性多用戶檢測(cè)及非線性多用戶檢測(cè)方法。

１．基站中的多用戶檢測(cè)方法

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

（1）最優(yōu)多用戶檢測(cè)法

最優(yōu)多用戶檢測(cè)法，即最大似然序列估計(jì)（MLSE）方法，1986年由Verdu提出。該算法的復(fù)雜度隨著用戶數(shù)成指數(shù)增加，從目前器件經(jīng)濟(jì)的可實(shí)現(xiàn)性來(lái)看，當(dāng)用戶數(shù)大于9時(shí)，是不可行的。最優(yōu)多用戶檢測(cè)法為我們提供了性能改善的極限值。

（2）線性準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)法

由于最優(yōu)多用戶檢測(cè)法的復(fù)雜度太高，1989年以后的研究均側(cè)重于準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)法。準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)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(cè)算法主要包括去相關(guān)法（Decorrelator）和最小均方估計(jì)法（MMSE）。去相關(guān)法及MMSE法的復(fù)雜度均隨用戶數(shù)線性增長(zhǎng)，其中去相關(guān)法不需估計(jì)各用戶的幅度，具有較好的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)能力，而MMSE法需估計(jì)各用戶的幅度，抗遠(yuǎn)近效應(yīng)能力不如去相關(guān)法，但去相關(guān)法對(duì)信道噪聲有放大作用，MMSE法則沒(méi)有。當(dāng)信噪比較大時(shí)，使用去相關(guān)法較好；當(dāng)信噪比較小進(jìn)，易于使用MMSE法。

從本質(zhì)上看，去相關(guān)性及MMSE法均需對(duì)互相關(guān)矩陣求逆，當(dāng)用戶數(shù)很多時(shí)，使用去相關(guān)法及MMSE法的復(fù)雜度還是太大。為此Moshavi等人提出了矩陣求逆的多項(xiàng)式分解法，只取多項(xiàng)式的前幾項(xiàng)代替整個(gè)逆陣，從而化簡(jiǎn)求逆的復(fù)雜度。

（3）非線性準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)法

由于線性多用戶檢測(cè)法復(fù)雜度高，收斂慢，從可實(shí)現(xiàn)性角度考慮的研究方向主要集中于非線性多用戶檢測(cè)方法。非線性多用戶檢測(cè)方法主要有多級(jí)型、判決反饋型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等幾種方法。

多級(jí)型多用戶檢測(cè)算法，根據(jù)每一級(jí)各用戶的檢測(cè)形式不同，又可劃分很多形式。若每一級(jí)各用戶并行的采用匹配濾波器或相關(guān)器檢測(cè)，這就是傳統(tǒng)的并行干擾對(duì)消（parallel interference cancellation: PIC）算法。若每一級(jí)的每個(gè)用戶，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的大小，采用串行的匹配濾波或相關(guān)檢測(cè)的方法，這就是所謂的串行干擾對(duì)消（successive interference cancellation: SIC）算法。當(dāng)然，每一級(jí)各用戶還均可以采用去相關(guān)檢測(cè)、MMSE等算法，這時(shí)的性能會(huì)更好一些，但算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也更高一些。多級(jí)型多用戶檢測(cè)算法的每級(jí)一般算法結(jié)構(gòu)相似，因而多級(jí)型的每一級(jí)的最后（除最后一級(jí)），還有一個(gè)各用戶信號(hào)的再生、還原過(guò)程，這也是多級(jí)型方法的特點(diǎn)之一。

判決反饋多用戶檢測(cè)算法，有與多級(jí)型算法類似的種類。從本質(zhì)上看，判決反饋多用戶檢測(cè)算法等價(jià)于多級(jí)型算法。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，判決反饋法將多級(jí)型方法采用循環(huán)的方式一級(jí)來(lái)完成，通過(guò)對(duì)一級(jí)的多次循環(huán)，完成多級(jí)型相同的功能。從實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，判決反饋多用戶檢測(cè)算法比多級(jí)型算法需要更多的存儲(chǔ)空間。

多用戶檢測(cè)從本質(zhì)上看，是一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題。因而，所有解決組合優(yōu)化的算法原則均可適用于多用戶檢測(cè)。其中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解組合優(yōu)化問(wèn)題當(dāng)然可以適合多用戶檢測(cè)。

２．用戶設(shè)備中的多用戶檢測(cè)方法

對(duì)于用戶設(shè)備（User Equipment, UE，又稱移動(dòng)終端: Mobile Station, MS）來(lái)說(shuō)，從安全及復(fù)雜度上考慮，它只知道自己使用的特征序列。這時(shí)的多址干擾抑制方法（為了方便，我們也稱為多用戶檢測(cè)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(shè)備中多用戶檢測(cè)的各種方法。我們把傳統(tǒng)CDMA檢測(cè)器作為固定式多用戶檢測(cè)方法也歸納進(jìn)來(lái)了。所謂傳統(tǒng)CDMA檢測(cè)器，即采用了相關(guān)器或匹配濾波器檢測(cè)方法。傳統(tǒng)CDMA檢測(cè)器為了減弱多址干擾的影響，在系統(tǒng)級(jí)中采用了功率控制的方法，它要求到達(dá)某一接收機(jī)輸入端的各個(gè)用戶的功率相等。這是一種最簡(jiǎn)單、原始的多址干擾抑制方法，已成功應(yīng)用于軍、民用CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)。反映為圖2中的固定式多用戶檢測(cè)類。

為了更有效的對(duì)抗多址干擾，用戶設(shè)備一般采用自適應(yīng)技術(shù)來(lái)抑制多址干擾。所謂自適應(yīng)多址干擾抑制算法，即接收機(jī)的多址干擾抑制部分采用了自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)，濾波器的系數(shù)是自適應(yīng)變化的，標(biāo)準(zhǔn)是滿足某種標(biāo)準(zhǔn)下的最優(yōu)化。自適應(yīng)式多用戶檢測(cè)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(cè)方法，用戶設(shè)備中的自適應(yīng)非線性多用戶檢測(cè)方法包含有判決反饋、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。下面主要介紹用戶設(shè)備中的自適應(yīng)線性多用戶檢測(cè)方法。

（1）線性高復(fù)雜度自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法

線性高復(fù)雜度自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法，根據(jù)自適應(yīng)算法抽頭間距（也可以表述為自適應(yīng)算法對(duì)輸入信號(hào)的采樣間隔）的大小，可以劃分為碼元空間、分?jǐn)?shù)空間兩種。如果抽頭間距等于接收機(jī)擴(kuò)頻碼的一個(gè)碼元寬度，這就是碼元空間法。分?jǐn)?shù)空間法則定義為自適應(yīng)算法抽頭間距只是碼元寬度的一部分。分?jǐn)?shù)空間法自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法則包含最優(yōu)線性同軛線性算法（optimum linear-conjugate-linear, LCL）及復(fù)時(shí)間相關(guān)自適應(yīng)濾波算法（complex time dependent adaptive filter, TDAF）。復(fù)時(shí)間相關(guān)自適應(yīng)濾波算法還可以進(jìn)一步劃分，濾波算法是基于波形估計(jì)濾波式的，還是基于符號(hào)估計(jì)濾波式。

（2）線性低復(fù)雜度自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法

線性低復(fù)雜度自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法，依據(jù)對(duì)高復(fù)雜度自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法簡(jiǎn)化的方法的不同，可分為兩類：最優(yōu)簡(jiǎn)化法、次優(yōu)簡(jiǎn)化法。其中次優(yōu)簡(jiǎn)化法包含循環(huán)位濾波器組法及符號(hào)過(guò)采樣法。

三、多用戶檢測(cè)技術(shù)在窄帶ＣＤＭＡ中的應(yīng)用前景

目前，算法復(fù)雜度低、性能優(yōu)良的多用戶檢測(cè)算法是研究的重點(diǎn)之一。當(dāng)CDMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻序列較長(zhǎng)時(shí)（一般對(duì)應(yīng)于CDMA系統(tǒng)的用戶容量較大），多用戶檢測(cè)算法的復(fù)雜度高，處理時(shí)延也較大。從目前的器件水平來(lái)看，對(duì)于窄帶CDMA，例如TD-SCDMA，擴(kuò)頻序列最大長(zhǎng)度為16，使用多用戶檢測(cè)算法抑制多址干擾時(shí)，有較多種類的算法可以選擇。例如：干擾對(duì)消類的方法、MMSE算法等。但對(duì)于擴(kuò)頻序列很長(zhǎng)的CDMA系統(tǒng)，如WCDMA、cdma2000，擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度最大可達(dá)256，目前的器件水平來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)算法，還有很大的難度。這也反映出了TD-SCDMA的優(yōu)點(diǎn)。

----《通信世界》