多用户检测技术在CDMA中的应用前景

阳光无线

  电子科技大学抗干扰通信技术国防重点实验室 唐友喜

2000年到来之后，实用的第三代移动通信系统(3G)离我们越来越近。多用户检测技术作为TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA的增强性技术之一，愈来愈受到学术界、产业界的重视。本文在回顾多用户检测技术的基础上，结合窄带CDMA的特点，介绍多用户检测技术在窄带CDMA中的应用前景。

一、多用户检测技术

1979年K.Schneider提出多用户检测(Multiple User Detection, MUD)的概念以来，经过20余年的发展，特别是1986年Verdu提出最佳多用户检测算法以后，多用户检测技术成为无线通信领域最重要的学术研究热点之一。CDMA系统中多用户检测的定义：联合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其它用户对任一用户的影响，并同时检测出所有这些用户或某些用户的信息的一种信号检测方法。多用户检测有时又称联合检测(Joint Detection)。含多用户检测技术的CDMA接收机称为先进接收机(Advanced Receiver)。

我们知道，在目前可实现性的前提下，对比FDMA、TDMA及CDMA三种多址技术，CDMA具有很多的优点。由于CDMA通信系统的容量受其本身的多地址干扰（简称多址干扰）的大小和多少决定，CDMA优越的结论一般是针对采用功率控制法抗多址干扰的CDMA系统。功率控制法抗多址干扰是一种原始的、简单的抗多址干扰方法，如果采用多用户检测技术抗多址干扰，CDMA系统的性能将进一步提高。CDMA系统中采用多用户检测技术的优点主要表现在以下几个方面：

1.提高CDMA的系统容量，增加用户数。用户数的增加，意味着更高的无线频谱效率。

2.降低CDMA用户设备（UE）的发射功率，提高UE的待机及通话时间。另一方面，表现为降低了UE射频部分的成本及故障率。

3.减小射频辐射对用户的生理及心理影响，移动通信设备对环境的影响更绿色化。

4.增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低了基站综合成本。

二、主要的多用户检测方法简介

经过20余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法已研究的十分广泛和具体。根据上面多用户检测的定义，在不同的准则下，多用户检测具有不同的分类方法。按性能的不同，多用户检测可分为最优多用户检测法及准最优多用户检测法。从结构上看，多用户检测又分为线性多用户检测及非线性多用户检测方法。

１．基站中的多用户检测方法

基站（Base Station, 或Node B）中多用户检测方法。由于基站知道所有用户的特征码(signature sequence)，考虑到算法复杂度之后，基站中的多址干扰抑制方法一般选择针对多用户的多用户检测方法。下面分别介绍基站中的典型多用户检测方法。

（1）最优多用户检测法

最优多用户检测法，即最大似然序列估计（MLSE）方法，1986年由Verdu提出。该算法的复杂度随着用户数成指数增加，从目前器件经济的可实现性来看，当用户数大于9时，是不可行的。最优多用户检测法为我们提供了性能改善的极限值。

（2）线性准最优多用户检测法

由于最优多用户检测法的复杂度太高，1989年以后的研究均侧重于准最优多用户检测法。准最优多用户检测可分为线性及非线性两大类。所谓线性或非线性，即是判断算法的输出是否是输入的线性变换。线性多用户检测算法主要包括去相关法（Decorrelator）和最小均方估计法（MMSE）。去相关法及MMSE法的复杂度均随用户数线性增长，其中去相关法不需估计各用户的幅度，具有较好的抗远近效应能力，而MMSE法需估计各用户的幅度，抗远近效应能力不如去相关法，但去相关法对信道噪声有放大作用，MMSE法则没有。当信噪比较大时，使用去相关法较好；当信噪比较小进，易于使用MMSE法。

从本质上看，去相关性及MMSE法均需对互相关矩阵求逆，当用户数很多时，使用去相关法及MMSE法的复杂度还是太大。为此Moshavi等人提出了矩阵求逆的多项式分解法，只取多项式的前几项代替整个逆阵，从而化简求逆的复杂度。

（3）非线性准最优多用户检测法

由于线性多用户检测法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考虑的研究方向主要集中于非线性多用户检测方法。非线性多用户检测方法主要有多级型、判决反馈型、神经网络等几种方法。

多级型多用户检测算法，根据每一级各用户的检测形式不同，又可划分很多形式。若每一级各用户并行的采用匹配滤波器或相关器检测，这就是传统的并行干扰对消（parallel interference cancellation: PIC）算法。若每一级的每个用户，根据信号强度的大小，采用串行的匹配滤波或相关检测的方法，这就是所谓的串行干扰对消（successive interference cancellation: SIC）算法。当然，每一级各用户还均可以采用去相关检测、MMSE等算法，这时的性能会更好一些，但算法实现复杂度也更高一些。多级型多用户检测算法的每级一般算法结构相似，因而多级型的每一级的最后（除最后一级），还有一个各用户信号的再生、还原过程，这也是多级型方法的特点之一。

判决反馈多用户检测算法，有与多级型算法类似的种类。从本质上看，判决反馈多用户检测算法等价于多级型算法。从结构上来看，判决反馈法将多级型方法采用循环的方式一级来完成，通过对一级的多次循环，完成多级型相同的功能。从实现上来看，判决反馈多用户检测算法比多级型算法需要更多的存储空间。

多用户检测从本质上看，是一个组合优化问题。因而，所有解决组合优化的算法原则均可适用于多用户检测。其中基于神经网络的解组合优化问题当然可以适合多用户检测。

２．用户设备中的多用户检测方法

对于用户设备（User Equipment, UE，又称移动终端: Mobile Station, MS）来说，从安全及复杂度上考虑，它只知道自己使用的特征序列。这时的多址干扰抑制方法（为了方便，我们也称为多用户检测方法），与基站中的的多址干扰抑制方法有很大的差别。用户设备中多用户检测的各种方法。我们把传统CDMA检测器作为固定式多用户检测方法也归纳进来了。所谓传统CDMA检测器，即采用了相关器或匹配滤波器检测方法。传统CDMA检测器为了减弱多址干扰的影响，在系统级中采用了功率控制的方法，它要求到达某一接收机输入端的各个用户的功率相等。这是一种最简单、原始的多址干扰抑制方法，已成功应用于军、民用CDMA移动通信网。反映为图2中的固定式多用户检测类。

为了更有效的对抗多址干扰，用户设备一般采用自适应技术来抑制多址干扰。所谓自适应多址干扰抑制算法，即接收机的多址干扰抑制部分采用了自适应滤波器的结构，滤波器的系数是自适应变化的，标准是满足某种标准下的最优化。自适应式多用户检测方法也可划分为两大类：线性及非线性。类似于基站中的多用户检测方法，用户设备中的自适应非线性多用户检测方法包含有判决反馈、神经网络方法。下面主要介绍用户设备中的自适应线性多用户检测方法。

（1）线性高复杂度自适应多用户检测算法

线性高复杂度自适应多用户检测算法，根据自适应算法抽头间距（也可以表述为自适应算法对输入信号的采样间隔）的大小，可以划分为码元空间、分数空间两种。如果抽头间距等于接收机扩频码的一个码元宽度，这就是码元空间法。分数空间法则定义为自适应算法抽头间距只是码元宽度的一部分。分数空间法自适应多用户检测算法则包含最优线性同轭线性算法（optimum linear-conjugate-linear, LCL）及复时间相关自适应滤波算法（complex time dependent adaptive filter, TDAF）。复时间相关自适应滤波算法还可以进一步划分，滤波算法是基于波形估计滤波式的，还是基于符号估计滤波式。

（2）线性低复杂度自适应多用户检测算法

线性低复杂度自适应多用户检测算法，依据对高复杂度自适应多用户检测算法简化的方法的不同，可分为两类：最优简化法、次优简化法。其中次优简化法包含循环位滤波器组法及符号过采样法。

三、多用户检测技术在窄带ＣＤＭＡ中的应用前景

目前，算法复杂度低、性能优良的多用户检测算法是研究的重点之一。当CDMA系统的扩频序列较长时（一般对应于CDMA系统的用户容量较大），多用户检测算法的复杂度高，处理时延也较大。从目前的器件水平来看，对于窄带CDMA，例如TD-SCDMA，扩频序列最大长度为16，使用多用户检测算法抑制多址干扰时，有较多种类的算法可以选择。例如：干扰对消类的方法、MMSE算法等。但对于扩频序列很长的CDMA系统，如WCDMA、cdma2000，扩频序列长度最大可达256，目前的器件水平来实现多用户检测算法，还有很大的难度。这也反映出了TD-SCDMA的优点。