３Ｇ系統(tǒng)多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)研究

陳志宇

摘要：多址干擾(MAD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(hù)檢測(cè)(MUD)技術(shù)可有效消除MAI的影響，提高系統(tǒng)容量。主要分析MUD技術(shù)在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：3G；碼分多址；多址干擾；多用戶(hù)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198(2009)12-0265-02

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)。CDMA系統(tǒng)中采用多用戶(hù)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(hù)數(shù)。用戶(hù)數(shù)的增加，意味著更高的無(wú)線頻譜效率。

(2)降低CDMA用戶(hù)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(hù)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。

13G中應(yīng)用多用戶(hù)檢測(cè)(MUD)的應(yīng)用

在3G中，碼分多址(CDMA)接入方式的不足之處在于它是一個(gè)白干擾系統(tǒng)，其容量和性能主要會(huì)受其他用戶(hù)的干擾，即多址干擾(MAD的限制。同時(shí)，它還存在遠(yuǎn)近效應(yīng)的問(wèn)題，由于各用戶(hù)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(hù)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(hù)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(chēng)為聯(lián)合檢測(cè)或干擾抑制方法。它對(duì)各用戶(hù)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(wèn)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(wèn)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。

2MUD的發(fā)展歷史

MUD理論研究源于80年代初。早在1979年，Schneider就提出了將多個(gè)用戶(hù)的碼元和定時(shí)信息聯(lián)合起來(lái)，用于檢測(cè)每個(gè)用戶(hù)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(hù)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(hù)數(shù)的指數(shù)冪級(jí)(2k)，而且MLS檢測(cè)器需要知道接收信號(hào)的幅度和相位，過(guò)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)ふ冶葌鹘y(tǒng)檢測(cè)器優(yōu)越的各種次優(yōu)多用戶(hù)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(lèi)：按處理方法可分為線性和非線性?xún)纱箢?lèi)；按檢測(cè)器處理信息時(shí)需要知道期望用戶(hù)信息量的多少，又可分為盲和非盲多用戶(hù)檢測(cè)器。線性多用戶(hù)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(lèi)概率檢測(cè)等。

3MUD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(hù)信號(hào)的碼問(wèn)干擾(ISI)和多址干擾(MAD。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(guò)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(mǎn)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)由元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(guò)均衡等辦法消除。

在用戶(hù)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，備用戶(hù)之間不會(huì)產(chǎn)生多用戶(hù)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(hù)信號(hào)之問(wèn)存在一定的相關(guān)性，這就是MAI存在的根源。由個(gè)別用戶(hù)產(chǎn)生的MAI固然很小，但隨著用戶(hù)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。MAl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(guò)合理的小區(qū)配置來(lái)減小其影響。即使在最?lèi)毫拥那闆r下，小區(qū)間干擾功率也不超過(guò)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(hù)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(guò)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。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(hù)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。

4MUD接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)

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(hù)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(hù)信號(hào)的判決結(jié)果來(lái)解調(diào)期望用戶(hù)的信號(hào)。在理想研究上，非線性MUD由于沒(méi)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(kāi)了互相關(guān)矩陣計(jì)算，比線性多用戶(hù)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。