３Ｇ系統多用戶檢測技術研究

陳志宇

摘要：多址干擾(MAD是影響碼分多址(CDMA)系統容量的主要因素。相對于傳統的檢測技術而言，多用戶檢測(MUD)技術可有效消除MAI的影響，提高系統容量。主要分析MUD技術在3G中應用的必要性，介紹MUD技術的發展狀況、基本思路和MUD接收機結構，并對其研究前景進行展望。

關鍵詞：3G；碼分多址；多址干擾；多用戶檢測

中圖分類號：TP393.03文獻標識碼：A文章編號：1672-3198(2009)12-0265-02

我們知道，在目前可實現性的前提下，對比FDMA、TDMA及CDMA三種多址技術，CDMA具有很多的優點。CDMA系統中采用多用戶檢測技術的優點主要表現在以下幾個方面：

(1)提高CDMA的系統容量，增加用戶數。用戶數的增加，意味著更高的無線頻譜效率。

(2)降低CDMA用戶設備(UE)的發射功率，提高UE的待機及通話時間。另一方面，表現為降低了UE射頻部分的成本及故障率。

(3)減小射頻輻射對用戶的生理及心理影響，移動通信設備對環境的影響更綠色化。

(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中應用多用戶檢測(MUD)的應用

在3G中，碼分多址(CDMA)接入方式的不足之處在于它是一個白干擾系統，其容量和性能主要會受其他用戶的干擾，即多址干擾(MAD的限制。同時，它還存在遠近效應的問題，由于各用戶到基站的距離或衰落深度不同，強信號將抑制弱信號，使相對較弱的用戶信號得不到正常檢測。目前，CDMA系統緩解MAI的主要手段是采用嚴格的功率控制技術。這種技術只能在一定程度上控制遠近效應，卻不能從根本上消除MAI影響，因而對系統容量的提高很有限。

在CDMA系統中，多用戶檢測(MUD)是最新發展起來的用以消除多址干擾的技術，又稱為聯合檢測或干擾抑制方法。它對各用戶做聯合檢測或從接收信號中減掉相互干擾，有效消除多址干擾和碼間串擾，以緩解遠近效應問題，明顯改善系統性能，提高CDMA系統容量。MUD技術可有效解決3G中的系統容量問題，因此它已成為3G的關鍵技術之一，愈來愈受術界和產業界的重視，得到人們的廣泛關注。

2MUD的發展歷史

MUD理論研究源于80年代初。早在1979年，Schneider就提出了將多個用戶的碼元和定時信息聯合起來，用于檢測每個用戶信息的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，Schneider和Kohno還給了異步多用戶通信中使用維持比(Viterbi)算法的最優接收機。

MUD技術真正引起廣大研究者的關注則得益于Verdu的工作。1986年，他提出以匹配濾波器加維特比算法來實現最大似然序列檢測(MLSD)，適用于受ISI影響的信道。這種算法的復雜度仍是用戶數的指數冪級(2k)，而且MLS檢測器需要知道接收信號的幅度和相位，過于復雜。但這為進一步研究奠定了理論基礎，促使人們去尋找比傳統檢測器優越的各種次優多用戶檢測器。

目前已提出的多種MUD方法可從不同角度進行分類：按處理方法可分為線性和非線性兩大類；按檢測器處理信息時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器。線性多用戶檢測器包括解相關檢測、最小均方誤差檢測等；非線性檢測主要包括并行(或串行)干擾抵消算法、多級檢測和非線性類概率檢測等。

3MUD的基本思路

在CDMA系統中，小區干擾分以下三種：接收機收到的熱噪聲、用戶信號的碼問干擾(ISI)和多址干擾(MAD。這三種干擾各有不同的消除方法。在實際系統中，熱噪聲的影響遠遠小于MAI干擾的影響。在通常使用的無線通信系統中，均通過限制接收機噪聲系數的方法來確定接收機的靈敏度。ISI的形成原因有兩種：(1)信號傳輸時未滿足Nyquist第一準則，在抽樣時刻存在失真，可采用升余弦濾波器等方法來避免；(2)由元線信道的多徑等特性造成，這種干擾是無法避免的，可通過均衡等辦法消除。

在用戶接收機完全同步并采用理想正交擴頻地址碼的條件下，備用戶之間不會產生多用戶干擾。但在多徑衰落信道中，理想的完全同步難以實現。因此擴頻碼也難以保持完全的正交性。理論上已證明，同時具有理想自相關和理想互相關特性的二進制擴頻碼是不存在的，這就是著名的Welch界。在實際CDMA通信系統中，各用戶信號之問存在一定的相關性，這就是MAI存在的根源。由個別用戶產生的MAI固然很小，但隨著用戶數增加或信號功率增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統的一個主要干擾，限制系統的容量和性能。MAl分小區間干擾和小區內干擾兩部分。小區間干擾是指其它同頻小區信號造成的干擾，可通過合理的小區配置來減小其影響。即使在最惡劣的情況下，小區間干擾功率也不超過內部干擾功率的60％，因此系統容量主要了決于對小區內干擾的處理。

傳統的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論，對每個用戶的信號分別進行擴頻碼區配處理，而對MAI不作處理，僅通過擴頻碼波形的設計、功率控制、FEC編碼、扇形/自適應天線的方法來降低其影響，因此抗MAI干擾能力較差。應用MUD技術可降低系統對遠近效應的敏感度，簡化功率控制系統的設計，更有效利用上行鏈路頻譜資源，從而提高系統的用戶容量和性能。在理想的MUD系統中，小區的MAI將會完全消除，檢測后對應的最大系統容量增益的典型值為2.8倍。

4MUD接收機的一般結構

線性MUD的基本結構是在匹配濾波器后加一個線性變換矩陣T，以去除MAI的影響，不同的線性多用戶檢測器采用不同的線性變換矩陣T進行聯合檢測。線性MUD的通病在于需要進行矩陣求逆，這也是工程實現中的瓶頸所在。

非線性MUD引用非線性函數來消除MAI，它們利用接收機對干擾用戶信號的判決結果來解調期望用戶的信號。在理想研究上，非線性MUD由于沒有系統的數字描述和分析工具，故分析不夠成熟；但它利用干擾消除等方法，避開了互相關矩陣計算，比線性多用戶檢測器易于實現。因此在性能和復雜性的折衷方面，非線性MUD似乎優于現有的線性MUD。