CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多用戶檢測(cè)技術(shù)

劉萍

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CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多用戶檢測(cè)技術(shù)

劉萍

公誠(chéng)管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510635

現(xiàn)階段的移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)深入到我們的日常生活中。分析了多用戶檢測(cè)技術(shù)的主要算法，并探討了多用戶檢測(cè)的發(fā)展方向。

CDMA；移動(dòng)通信；多用戶檢測(cè)；線性

移動(dòng)通信的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)了GSM等技術(shù)的發(fā)展，也在不斷地滿足人們的需求，隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械牡匚灰苍絹?lái)越重要，DS／CDMA便應(yīng)運(yùn)而生，并且成為了移動(dòng)通信中使用最為多的多址接入方式。CDMA的英文全稱是Code Division Muhiple Access，它建立在正交編碼與相關(guān)接收理論的基礎(chǔ)上，并且是以擴(kuò)頻通信技術(shù)當(dāng)成存在基礎(chǔ)的多址技術(shù)。[1]

在CDMA這種移動(dòng)通信技術(shù)中，傳輸信息的不同主要在于信號(hào)由不同的編碼序列組成，因此，CDMA的擴(kuò)頻信號(hào)需要嚴(yán)格正交。多址干擾不同于人為干擾，接收機(jī)能夠利用多址干擾信息來(lái)減少多址干擾的負(fù)面影響，這就是多用戶檢測(cè)技術(shù)。

1 多用戶檢測(cè)技術(shù)的主要算法

從理論上說(shuō)，最佳多用戶檢測(cè)技術(shù)就可以做到完全消除多址干擾，以便最終將每個(gè)用戶的誤碼率降到最小。但算法也會(huì)因?yàn)橛脩舻脑龆嘧兊酶鼮閺?fù)雜，并且這種方法要運(yùn)作一定要建立在了解所有用戶的特征序列和信號(hào)幅度上，因此，此算法實(shí)用性不強(qiáng)。為了彌補(bǔ)上述算法的不足，多種次最佳多用戶檢測(cè)算法變應(yīng)運(yùn)而生，它主要包括以下兩大類：

1.1 線性多用戶檢測(cè)算法

這種方法的檢測(cè)是為了找到一個(gè)線性變換將充分統(tǒng)計(jì)量映射到多用戶的符號(hào)序列集。將傳統(tǒng)相關(guān)器的輸出矩陣進(jìn)行線性變換，再對(duì)變換后的輸出序列進(jìn)行判決，線性多用戶檢測(cè)算法復(fù)雜度與用戶數(shù)成線性關(guān)系。[2]

1.1.1 解相關(guān)多用戶檢測(cè)算法

為了處理CDMA系統(tǒng)中各個(gè)用戶擴(kuò)頻波形相互間的線性關(guān)聯(lián)性，有效的解除多址干擾，于是便出現(xiàn)了最大最小準(zhǔn)則的解相關(guān)多用戶檢測(cè)算法，這種算法可以有效消除MAI，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提高，且不用估計(jì)接受信號(hào)幅度。系統(tǒng)性能跟干擾用戶的容量無(wú)關(guān)，誤碼率與干擾用戶功率無(wú)關(guān)。但這種算法只是將多址干擾考慮在內(nèi)了，并沒(méi)有提及信道中的自噪音，算法消除多址干擾會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，難以得到最優(yōu)判決。因此，便出現(xiàn)了正交多用戶檢測(cè)，此算法通過(guò)最優(yōu)化解相關(guān)輸出端的噪音信號(hào)來(lái)抵消多址干擾與噪音干擾，在性能上優(yōu)于匹配濾波檢測(cè)器和解相關(guān)檢測(cè)器。

1.1.2 最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)算法

解相關(guān)檢測(cè)器在完全抵消多址干擾的同時(shí)，放大了噪音信號(hào)，在低的SNR下，誤碼率性能可能低于傳統(tǒng)的檢測(cè)器。為了解決這一問(wèn)題，出現(xiàn)了最小均方誤差檢測(cè)算，該算法是基于發(fā)送的數(shù)據(jù)比特與傳統(tǒng)檢測(cè)器軟輸出的均方誤差最小化為準(zhǔn)則，在多址干擾與噪音放大之間取了一個(gè)很好的折中。MMSE檢測(cè)算法是一種有偏估計(jì)，且系統(tǒng)性能受干擾功率影響。MMSE檢測(cè)算法不需要知道其他用戶的特征波形，在擴(kuò)頻碼線性相關(guān)時(shí)，仍能正常工作。但該算法需要估計(jì)接收信號(hào)的幅度，并需求一個(gè)逆矩陣，使得運(yùn)算量較大。[3]

1.1.3 自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法

自適應(yīng)多用戶檢測(cè)利用了自適應(yīng)均衡原理，可分為自適應(yīng)解相關(guān)多用戶檢測(cè)與自適應(yīng)MMSE多用戶檢測(cè)。后者是基于MMSE準(zhǔn)則，利用一些自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在時(shí)不變和慢衰落多徑信道中，該檢測(cè)在抑制干擾的同時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行多徑分集組合，但在快速衰落多徑信道中RLS和MLS算法顯得無(wú)效。目前比較成熟的算法有基于隨機(jī)梯度算法和遞歸最小二乘算法。另外，為了降低跟蹤信道的負(fù)擔(dān)，提出了組合差分解調(diào)和RLS算法實(shí)現(xiàn)的差分最小二乘算法(DLS)；為了分離獨(dú)立衰落的多徑分量，提出將RAKE結(jié)構(gòu)和MMSE檢測(cè)結(jié)合的算法；以及采用Kalman濾波進(jìn)行信道跟蹤的算法等。

1.1.4 盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法

前述的大多數(shù)算法都需要用戶的所有信息，且需要一定的訓(xùn)練序列來(lái)調(diào)整信道參數(shù)。當(dāng)信道突變時(shí)(如新干擾的出現(xiàn)和消失)，特別在快速衰落的多徑信道中，由于傳輸中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)本身就不很可靠，對(duì)自適應(yīng)多用戶檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定性和收斂性會(huì)受到嚴(yán)重影響。此外。發(fā)送訓(xùn)練序列由于增加了系統(tǒng)的額外開(kāi)銷。故降低了傳輸速率。為此，提出了盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法，該算法不需要其他用戶信息(如干擾用戶特征波形、定時(shí)、接收信號(hào)幅度等)和訓(xùn)練序列。只需目標(biāo)用戶的特征波形和定時(shí)。根據(jù)接收機(jī)所需要的先驗(yàn)知識(shí)，可以將盲多用戶檢測(cè)分為兩類：第一，半盲檢測(cè)就是干擾用戶特征序列部分已知條件下的檢測(cè)，適用于小區(qū)基站。第二，盲檢測(cè)是不知道所有干擾用戶特征序列條件下的檢測(cè)，適用于移動(dòng)臺(tái)。兩者的主要思想都是通過(guò)空間跟蹤技術(shù)獲得信號(hào)自控并利用它來(lái)消除未知用戶造成的干擾。第二類多用戶檢測(cè)可以歸結(jié)為更一般的多輸入多輸出系統(tǒng)的盲辨識(shí)問(wèn)題，主要應(yīng)用在偵聽(tīng)方面。根據(jù)盲算法的代價(jià)函數(shù)不同，可以分為以下幾種：基于最小輸出能量(MOE)準(zhǔn)則的盲多用戶檢測(cè)算法，基于恒模準(zhǔn)則的盲多用戶檢測(cè)算法(CMA)，基于子空間的盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法，還有Griffiths盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)算法等。

1.2 非線性多用戶檢測(cè)

非線性多用戶檢測(cè)算法又稱為面向決策的多用戶檢測(cè)，由于沒(méi)有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與分析工具，在理論上研究較為困難，但可利用一些工程數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行粗略的分析描述和仿真。從工程設(shè)計(jì)上看，往往優(yōu)于線性檢測(cè)算法。

1983年Kohno提出多用戶干擾抵消器的研究。早期在非線性方面研究最多的是基于反饋判決的干擾抵消技術(shù)，其基本設(shè)計(jì)思路是先解出各用戶的信息數(shù)據(jù)比特，再依據(jù)信道估計(jì)值對(duì)該信息數(shù)據(jù)比特進(jìn)行噪音重構(gòu)(重構(gòu)出期望用戶的干擾信號(hào))，最后從原接收信號(hào)中減去這一重構(gòu)多址干擾信號(hào)，以達(dá)到干擾抵消的目的。[4]

1.2.1 串行干擾消除多用戶檢測(cè)算法

采用串行的匹配濾波或相關(guān)檢測(cè)，是個(gè)多級(jí)結(jié)構(gòu)模型。第一級(jí)的所有用戶，根據(jù)信號(hào)功率的大小進(jìn)行排列。第一級(jí)的功能包括：由傳統(tǒng)檢測(cè)器輸出功率最強(qiáng)的信號(hào)；對(duì)其進(jìn)行硬判決；根據(jù)判決結(jié)果、該信號(hào)的擴(kuò)頻碼、估計(jì)用戶的幅度和相位信息得到該信號(hào)的時(shí)域估計(jì)值；從接收到的信號(hào)中減去該估計(jì)值，得到下一級(jí)的輸入信號(hào)。后續(xù)各級(jí)重復(fù)以上步驟。在每級(jí)判決中消除當(dāng)前最強(qiáng)的用戶。串行多用戶檢測(cè)器(Successive interference cancellation，簡(jiǎn)稱SIC)在性能上比傳統(tǒng)的檢測(cè)器有很大的提高，且電路實(shí)現(xiàn)也較容易。但是每次抵消都引入一定的處理時(shí)延，用戶較多時(shí)通信質(zhì)量顯著下降。所以，在串行多用戶檢測(cè)(SIC)方案中，每個(gè)分組用戶不能太多，一般取4個(gè)用戶。當(dāng)接收信號(hào)的功率發(fā)生變化時(shí)，要對(duì)它們重新排序，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。另外初始數(shù)據(jù)判決不可靠，使整個(gè)SIC性能大為降低。

1.2.2 并行干擾消除多用戶檢測(cè)算法

為了克服SIC檢測(cè)器時(shí)延與重排序的問(wèn)題，人們提出了并行干擾消除器(Parallel Interference Cancellation，PIC)。它與串行多用戶檢測(cè)在設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)上基本相似，也具有多級(jí)結(jié)構(gòu)，同一級(jí)中各用戶采用并行匹配濾波器或相關(guān)器檢測(cè)，利用接收信號(hào)的初始值（或前級(jí)判決值）構(gòu)造所有用戶的干擾信號(hào)，然后再同時(shí)并行，從接收信號(hào)中抵消掉所有用戶的干擾。它在電路實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜。后來(lái)出現(xiàn)了在衰落信道中的串并混合型多用戶檢測(cè)算法，該算法具有較高的準(zhǔn)確性、誤碼率較低等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 迫零解相關(guān)多用戶檢測(cè)算法

針對(duì)接收信號(hào)功率不一致的情況，提出了迫零解相關(guān)檢測(cè)算法。該方法是將接收到的信號(hào)先進(jìn)行部分分解相關(guān)處理，然后再對(duì)其進(jìn)行串行干擾消除處理。該法有效地避免了在處理中噪音的加強(qiáng)，但算法比較復(fù)雜。因?yàn)椋?jì)算中不僅要估計(jì)接收信號(hào)的幅度，而且須進(jìn)行Cholesky分解和自化矩陣求逆。

2 多用戶檢測(cè)的發(fā)展方向

當(dāng)前的多用戶檢測(cè)算法在復(fù)雜度計(jì)算與時(shí)延問(wèn)題處理方面尚有一些局限性，且如果估算算法中頻率、幅度、定時(shí)、相位等參數(shù)有誤時(shí)，會(huì)讓相關(guān)的矩陣出現(xiàn)很大的偏差，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能大幅度減少。再者，現(xiàn)階段的MUD算法只是考慮了同小區(qū)內(nèi)的干擾，而沒(méi)有考慮相鄰小區(qū)間的同頻率用戶干擾。所以，今后的算法要在計(jì)算復(fù)雜度、收斂性以及系統(tǒng)的魯棒性等方面進(jìn)行綜合的考慮，力求找到切實(shí)可行的多用戶檢測(cè)算法。

針對(duì)以上多用戶檢測(cè)算法的一些不足，近幾年研究的熱點(diǎn)趨向于以下幾方面：

2.1 半盲與盲多用戶檢測(cè)的研究

盲多用戶檢測(cè)技術(shù)因不需訓(xùn)練序列、效率高、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。前面已提到了一些盲多用戶檢測(cè)的算法。最大的不足是算法收斂速度慢，特別是在多徑信道下。

2.2 多用戶檢測(cè)與空間處理相結(jié)合

在寬帶CDMA系統(tǒng)中，同信道干擾和碼間干擾成為影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要障礙?？諘r(shí)聯(lián)合處理能有效地抑制同信道干擾和碼間干擾。因?yàn)榭臻g濾波能抑制不同目標(biāo)用戶入射方向的多址接入干擾，且可以把不同用戶和路徑的信號(hào)集中起來(lái)，進(jìn)而可增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，故該技術(shù)可增加系統(tǒng)容量。

2.3 多用戶檢測(cè)與優(yōu)化算法相結(jié)合

優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)意義是在不等式約束條件下，求目標(biāo)函數(shù)最小或最大的一組設(shè)計(jì)變量值。由于優(yōu)化不要求迭代過(guò)程嚴(yán)格收斂于數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)解，而是與其相鄰的一個(gè)解，這樣不僅可節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又可得到滿意的優(yōu)化結(jié)果。

近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)的提出為解決多用戶檢測(cè)問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑，由于多用戶檢測(cè)可以歸結(jié)為組合優(yōu)化問(wèn)題，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度并行、高度相互聯(lián)結(jié)、較好的容錯(cuò)性以及較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，適合于解決優(yōu)化問(wèn)題。

總之，雖說(shuō)多用戶檢測(cè)技術(shù)存在一定的缺陷，但是其優(yōu)點(diǎn)大于缺陷，它優(yōu)越的抗干擾性能是不能否認(rèn)的，多用戶檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，并且日益變成了CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。

[1]王艷，付永慶，孫曉巖.一種新的盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)技術(shù)[J]．通信技術(shù)，2003（4）：63-65．

[2]王正茂，葉梧.衰落信道中的串并混合型多用戶檢測(cè)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（12）：18-21．

[3]李俊強(qiáng)，曹志剛.編碼的多載波CDMA系統(tǒng)中的Turbo時(shí)空多用戶檢測(cè)[J].電子學(xué)報(bào)，2003，31（4）：487-493．

[4]劉宇紅，龐偉正.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多用戶檢測(cè)器[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21（5）：64-67．

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