摘? 要: 研究了應用于CDMA移動通信系統中的各種多用戶檢測技術的原理和優缺點，指出目前多用戶檢測技術主要分為線性多用戶檢測和干擾消除多用戶檢測兩種。并對各種多用戶檢測的特點進行了分析比較。
關鍵詞: 移動通信? 碼分多址(CDMA)? 多用戶檢測? 干擾消除
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1 第三代移動通信簡介
移動通信發展的最終目標是實現任何人可以在任何地點?任何時間與他人進行任何方式的通信。到目前為止，移動通信系統已發展到第三代。第一代移動通信系統是采用FDMA方式的模擬蜂窩系統，如AMPS?TACS等，其缺點是容量小，不能滿足飛速發展的移動通信業務量的需要。第二代移動通信系統采用TDMA或CDMA為主的數字蜂窩系統，如GSM/DCS1800?IS136?IS-95等，其容量和功能都比模擬系統有了很大的提高，但其業務種類主要限于話音和低速數據(<=9.6kbit/s)。而社會的發展對通信業務種類和數量需求的劇增，使得人們已不再滿足于第二代系統。于是，一種能夠提供全球漫游，支持多媒體業務且有足夠容量的第三代移動通信系統就應運而生。
第三代移動通信系統是按照國際電聯(International Telecommunication Union，ITU)提出的IMT-2000標準進行設計的新一代移動通信系統，簡稱為3G(The Third Generation)系統。事實上，國際電聯(ITU)早在1985年就提出了第三代移動通信系統的概念，當時稱為未來公共陸地移動通信系統(FPLMTS)，后考慮到該系統預計在2000年左右成型，且主要工作于2000Mhz頻段，故日本等國家建議更名為國際移動電信系統，即IMT-2000。三代移動通信系統有以下特點:
(1)全球化，IMT-2000是一個全球性的系統，它包含多種系統，在設計上具有高度的通用性，該系統中的業務以及它與固定網之間的業務可以兼容，能提供全球漫游。
(2)多媒體化，提供高質量的多媒體業務。如話音?可變速率數據?活動視頻和高清晰的圖象等多種業務，實現多種信息一體化。
(3)綜合化，能把現存的尋呼系統?蜂窩無線通信系統?衛星移動通信系統綜合在統一的系統中，以提供多種業務。
(4)智能化，主要表現在優化網絡結構方面(引入智能網概念)和收發信機的軟件無線電化。e.個人化，用戶可用唯一個人電信號碼(PTN)在任何終端上獲取所需要的電信業務，這就超越了傳統的終端移動性，實現個人移動性。
在1999年10月份的ITU芬蘭會議上，第三代移動通信(IMT-2000)的無線接口技術規范獲得通過，標志著第三代技術的格局最終確定。它分為CDMA和TDMA兩大類共五種技術，其中主流技術為三種CDMA技術:IMT-2000 CDMA-DS(直接擴頻)即歐洲和日本共同提出的WCDMA技術;IMT-2000 CDMA-MC(多載波)即美國提出的cdma2000技術;IMT-2000 CDMA TDD(時分雙工)包括我國提出的TD-SCDMA和歐洲提出的UTRA TDD。因此，CDMA技術已經成為三代移動通信系統中的主流技術。
2 CDMA系統特點
與傳統的FDMA?TDMA系統相比，CDMA系統具有頻譜效率高?軟容量?保密性好?易于無縫切換和宏分集等優點，但同時也要克服多址干擾和遠近效應這兩個嚴重影響系統容量問題。
在CDMA系統中，依靠不同的擴頻碼來區分不同的用戶，如果不同的擴頻碼之間是完全正交的，則各個用戶之間將沒有干擾存在。但不幸的是，在CDMA系統中，由于多個用戶的隨機接入以及用戶擴頻碼之間的互相關性，用戶地址碼之間不能保證正交性，從而引起多址干擾。多址干擾包括小區內干擾和鄰區干擾兩種。隨著用戶數的增加，這種干擾將越來越嚴重，從而導致系統性能的急劇惡化。這種惡化無法靠提高信噪比來解決。傳統的單用戶檢測系統完全按照經典的直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼的處理，因此抗多址干擾的能力較差。
無線電信號經過移動信道時會受到來自不同途徑的衰落。由于用戶離基站的距離不同，因而衰落也不同。如果移動臺以相同的功率發射，將會導致基站接收近站點移動臺的信號比接收遠站點移動臺的信號強的多。這樣將會導致強信號抑制弱信號，使得相對較弱的用戶信號得不到正常的檢測，這就是眾所周知的遠近效應問題。現有系統都是靠嚴格的功率控制來解決這一問題的，但如果功率控制的誤差超過1dB，系統的性能將會有明顯的惡化，而精確的功率控制非常復雜，將導致費用的上升。
傳統的CDMA信號檢測技術將根據直接序列擴頻理論對基帶接收信號進行地址碼相關計算，獨立處理每個用戶的信號，因此稱為相關檢測或單用戶檢測。它不具備抗多址干擾和遠近效應的能力。
3 CDMA系統模型
為了有效的說明CDMA系統以及多用戶檢測的基本原理，本文中我們將CDMA通信系統進行簡化，設有K個用戶，采用直接序列擴頻，信道為單路徑同步信道，則接收信號的基帶表示為：
其中Ak?bk(t){±1}?sk(t)是第k個用戶接收信號的幅度?信息比特和具有單位功率的簽名波形，擴頻碼采用短碼，即碼周期長度等于擴頻增益N=T/Tc，T?Tc分別是比特間隔和碼片間隔，不特殊說明的情況下，碼片調制波形為方波，用戶數K≤N。n(t)是一個具有單位功率譜密度的零均值復高斯白噪聲，σ2是信道中的噪聲功率。
CDMA通信系統中傳統的檢測器是由K個相關器組成的。相關檢測器可以由匹配濾波器代替，所以又稱為匹配濾波檢測器。CDMA工作原理的核心在于偽隨機碼(Pseudo Noise Code，PN碼)的相關性，用公式表示為:
????
設互相關矩陣為R，則有R={ρij}:。所以第k個用戶的相關器輸出為:
其中，
。等式(3)中的第二項為多址干擾項。傳統檢測器沒有考慮多址干擾的影響，當干擾用戶數量增加時，多址干擾也會增加，尤其是當存在遠近效應時，目標用戶較弱的信號可能會被其他用戶較強的信號淹沒。為了消除多址干擾和遠近效應，提出了多用戶檢測的概念。
將等式(3)寫為矩陣形式，得:
4 多用戶檢測
多用戶檢測是近十年來在相關檢測的基礎上發展起來的一種有效的抗干擾措施，它利用多址干擾的各種可知信息對目標用戶的信號進行聯合檢測，從而具有較好的抗多址干擾能力，可以更加有效的利用反相鏈路頻譜資源，顯著提高系統容量，而且由于多用戶檢測技術具有抗遠近效應的能力，可以降低系統對功率控制的要求。多用戶檢測的思想最早可以追溯到1983年，在1986年多用戶檢測取得了重大突破，S.Verdu認為多址干擾是具有一定結構的有效信息。他在文獻[1]中以匹配濾波器加維特比算法實現最大似然序列檢測(Maxinum-Likeli-hood Sequence Detection，MLS檢測)，適用于受ISI影響的信道。理論上證明采用最大似然(ML)檢測可以逼近單用戶接收性能，并有效地克服了遠近效應，大大地提高了系統容量，從而開始了對多用戶檢測的廣泛研究。但維特比算法的復雜度是用戶數的指數冪級，即2k，而且MLS檢測器需要知道接收信號的幅度和相位，這要通過估計來得到。由于最優多用戶檢測技術的復雜度太高無法實現，在以后的十幾年里，出現了許多次優多用戶檢測方案，主要分為線性多用戶檢測和干擾消除多用戶檢測兩個方面。線性多用戶檢測對傳統檢測器的輸出進行解相關或其他的線性變換以利于接收判決，而干擾消除利用可靠已知信息對干擾進行估計，然后在原信號中減去估計干擾以利于接收判決。
4.1?線性多用戶檢測
線性多用戶檢測主要有下面幾類:解相關檢測，最小均方誤差檢測，盲子空間多用戶檢測[3][4]和多項式檢測。其中前三類只能用于短碼系統，而多項式檢測可以在長碼系統中應用。
(1)解相關多用戶檢測
在系統模型(4)中的等式的左右兩端同時乘以一個矩陣R-1，則檢測的輸出為:
這種方法稱為解相關多用戶檢測算法。由上式可見，解相關檢測可以完全消除多址干擾，而且不需要估計接收信號的幅度。與最大似然序列檢測器相比，解相關檢測的計算復雜度只隨用戶數成線性增加，從而大大降低了實現的復雜度。
從式(5)中可以看出，噪聲項為R-1n，如果各用戶的擴頻碼不正交，則解相關檢測的噪聲比傳統檢測的噪聲要大，也就是說，解相關檢測的性能是以提高背景噪聲為代價換取消除多址干擾的。
(2)MMSE多用戶檢測
使用最小均方誤差準則，可以得到MMSE多用戶檢測。MMSE檢測也是對匹配濾波器的輸出進行線性變換。由于MMSE準則是使得均方誤差
最小，所以可以求得線性變換為:
MMSE檢測器在消除多址干擾和不增強背景噪聲之間進行了折衷。考慮LMMSE和R-1之間的差別可以看出，MMSE對相關矩陣進行的是部份或修正取逆，修正的大小與背景噪聲的大小成反比，噪聲越大，相關矩陣的不完全取逆越重，這樣就避免了加強噪聲。MMSE類似于抗ISI的MMSE線性均衡器。
由于MMSE考慮了背景噪聲的影響，MMSE的性能要強于解相關檢測器，但代價是必須對信號的幅度進行估計，另外它的性能依賴于干擾用戶的功率，這樣在抗遠近效應方面性能就不如解相關檢測器。MMSE在實現上與解相關一樣，需要對矩陣求逆。
(3)多項式擴展多用戶檢測
S.Moshavi在文獻[5]中提出了一種稱為多項式擴展的多用戶檢測方法。這一算法的基本思想是應用的矩陣多項式來逼近一個線性變換，假設:
而對d的軟估計為:
其中LPE可以為解相關檢測器的線性變換矩陣R-1，也可以是MMSE檢測器的變換矩陣LMMSE，PE檢測器通過選擇合適的wi來優化其性能。表示PE檢測器的級數，多級級聯即可產生R的高階多項式。實際上，多項式擴展多用戶檢測實質上還是解相關檢測或者是最小均方誤差檢測，只不過提出了將線性變換陣展開的一種方法。但多項式擴展多用戶檢測有一個最重要的特點是在長碼系統和短碼系統中同樣容易實現。
4.2 干擾消除多用戶檢測
干擾消除檢測器一般由多級組成，其基本思想是在接收端估計對每個用戶的多址干擾，然后從接收信號中部分或全部消除多址干擾。這種消除器與抗ISI的反饋均衡器類似，所以又稱為判決反饋檢測器。用于估計多址干擾的判決可以是軟判決或硬判決，硬判決要求對信號幅度進行可靠的估計，文獻[6]中指出不可靠的估計將嚴重降低檢測性能。干擾抵消多用戶檢測主要有串行干擾抵消?并行干擾抵消和判決反饋檢測三種。
(1) 串行干擾抵消(SIC)
串行干擾抵消每一級只檢測一個用戶信號，因此K個用戶需要K級判決，采用的是串行結構。各用戶的操作順序是根據信號功率下降順序來確定的。以第一級為例，檢測前先對K個用戶的接收信號能量按從大到小的順序排序。然后用傳統檢測器判決出最強的信號，再利用判決出的信號和對該用戶信號幅度及時延的估計，從接收信號中減去恢復的信號。重復以上過程直到最后一個用戶為止。這樣，在判決第k個用戶的時候，已經消除了前k-1個用戶信號的影響。由于判決順序由信號強度的強弱決定，信號能量大的先判決，所以被檢測用戶的信號在剩余的用戶信號中能量總是最大的，這就大大增加了檢測的可靠性。
SIC相對于傳統的檢測器可以獲得很大的性能增益，而且硬件實現簡單。但有兩個缺點影響SIC的實用化:第一，SIC需要不斷的對各個用戶重新排序，因為用戶的功率總在變化。第一階的判決很重要，如果第一階判決錯誤，干擾消除后多址干擾增加，引起后面各階性能都將嚴重下降。
????(2)并行干擾抵消(PIC)
并行干擾抵消也是多級的。但和SIC不同的是，PIC在每一階都同時判決?再生和消除所有多址干擾，也就是說，PIC利用前級判決的信息構造所有用戶的干擾信號，然后從接收信號中抵消掉干擾信號，最后同時判決。PIC的處理延遲小，但計算量大;而SIC的處理時延大，但計算量小。
當SIC的級數增加時，系統性能將提高，但運算量和時延也相應增加。試驗和仿真表明，SIC級數大于三級時，系統性能提高的不明顯，因此在實際中選取三級比較合適。
文獻[7]指出當功率控制不理想時，如在多徑信道中，PIC性能劣于SIC;反之，PIC優于SIC;另外，SIC對弱用戶信號檢測的性能更好，但這是以降低強用戶檢測性能為代價的;以上說明實際系統中應該在時延和性能間折中，即SIC和PIC結合檢測。
????(3)判決反饋多用戶檢測
判決反饋多用戶檢測器主要針對接收信號功率不一致時提出的方法，它包括一個前置濾波器和一個后置濾波器。首先對匹配濾波器輸出的信號進行排序，并經過前置濾波器處理，然后與前一時刻的反饋信號比較送給判決器判決，判決后的信息反饋回來給下一時刻的信號處理。文獻[8]討論了在異步信道中的一些判決反饋檢測，而且證明了解相關判決反饋檢測是判決反饋檢測的最優方法。解相關判決反饋檢測又叫迫零判決反饋檢測(ZF-DF)。我們將以ZF-DF檢測為例具體說明判決反饋檢測的原理。
利用Cholesky展開定理可以將R化成R=FTF，其中F是下三角陣，ZF-DF檢測的前置濾波器為(FT)-1。經過前置濾波器處理后的信號有如下特征:噪聲為功率不變的高斯白噪聲;第k個用戶的信號只受第1到k-1個用戶的干擾，因此前置濾波器具有部分解相關的功能。后面采用逐級干擾抵消技術，第1個用戶信號直接判決;重構前k-1個用戶的干擾信號，從第k個用戶信號中減掉所有干擾用戶信號，最后判決。
ZF-DF的漸近效率為，抗遠近效應能力為/ηk=(F11)2，因此，并沒有達到最優的抗遠近效應能力。如果以前的判決都是正確的，那么最后判決的弱用戶信號將逼近單用戶接收性能，因此，相對于解相關檢測，ZF-DF是以降低大功率用戶的性能為代價，提高了弱用戶的性能。但同時也具有解相關檢測和串行干擾抵消檢測的缺點，因此，ZF-DF目前只是理論上很好的檢測技術。
文獻[8]中還討論了幾種其它判決反饋檢測，如部分判決反饋。它的基本思想是考慮弱信號的判決不準確，從而將檢測某一信號只消除部分信號的干擾。這樣既提高了性能，也簡化了實現的復雜度。
4.3? 其他方面的多用戶檢測技術
用神經網絡實現多用戶檢測可以考慮系統的非線性?非平穩性和非高斯性，因此，基于神經網絡的多用戶檢測近來也受到人們的注意。另外，CMA算法在均衡和智能天線中得到了廣泛的應用，文獻[9]將它用在了多用戶檢測中，從而拉開了在多用戶檢測中使用CMA算法的序幕。滿足收斂條件的恒模算法的收斂速度和穩態性能都很好，但恒模算法存在多個局部收斂點，對于初始向量和收斂步長參數的選擇有很大的依賴性，容易收斂到局部最小點上。因此，CMA多用戶檢測技術的研究還有很長一段路要走。
在現階段，多用戶檢測技術仍未實用化，所以在所有的3G方案中均未詳細定義其應用。但是3GPP已經定義了適于線性多用戶檢測技術和盲檢測技術的短碼調制方案，而適用于長碼方案的干擾消除器很有可能成為第一種實用化的多用戶檢測技術。
在未來的移動通信系統中，由于用戶數急劇膨脹，系統中的多址干擾會日益嚴重，而移動數據業務對誤碼率提出了更高的要求，因此對多用戶檢測技術的需求會更加迫切，多用戶檢測技術很有可能會寫入下一代移動通信的標準中。現有的多用戶檢測技術主要集中在小區內干擾的消除。隨著載波頻率的提高，小區的范圍會變得越來越模糊，甚至可能出現個人小區的概念。在這種情況下，小區間的多用戶檢測技術急待研究。另外，在使用了多天線系統后，多用戶檢測技術和多天線系統的聯合檢測也是研究的一個方向。
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參考文獻
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