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第三代移动通信系统的多用户检测技术
2015-12-15 21:21:30   来源:   评论:0 点击:

1 3G中应用多用户检测(MUD)的必要性  在3G中,码分多址(CDMA)接入方式的不足之处在于它是一个自干扰系统,其容量和性能主要会受其他

1 3G中应用多用户检测(MUD)的必要性

  在3G中,码分多址(CDMA)接入方式的不足之处在于它是一个自干扰系统,其容量和性能主要会受其他用户的干扰,即多址干扰(MAI)的限制。同时,它还存在远近效应的问题,由于各用户到基站的距离或衰落深度不同,强信号将抑制弱信号,使相对较弱的用户信号得不到正常检测。目前,CDMA系统缓解MAI的主要手段是采用严格的功率控制技术。这种技术只能在一 定程度上控制远近效应,却不能从根本上消除MAI影响,因而对系统容量的提高很有限。

  在CDMA系统中,多用户检测(MUD)是最新发展起来的用以消除多址干扰的技术,又称为联合检测或干扰抑制方法。它对各用户做联合检测或从接收信号中减掉相互干扰,有效消除多址干扰和码间串扰,以缓解远近效应问题,明显改善系统性能,提高CDMA系统容量。MUD技术可有效解决3G中的系统容量问题,因此它已成为3G的关键技术之一,愈来愈受术界和产业界的重视,得到人们的广泛关注。

2 MUD的发展状况

  MUD理论研究源于八十年代初。早在1979年,Schneider就提出了将多个用户的码元和定时(还可能包括振幅和相位)信息联合起来,用于检测每个用户信息的MUD思想,并研究了迫零算法。随后,Kashihara和Kohno又提出了多址干扰消除接收机,Schneider和Kohno还给了异步多用户通信中使用维持比(Viterbi)算法的最优接收机。

  MUD技术真正引起广大研究者的关注则得益于Verdu的工作。1986年,他提出以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测(MLSD),适用于受ISI影响的信道。这种算法的复杂度仍是用户数的指数幂级(2k),而且MLS检测器需要知道接收信号的幅度和相位,过于复杂。但这为进一步研究奠定了理论基础,促使人们去寻找比传统检测器优越的各种次优多用户检测器。

  目前已提出的多种MUD方法可从不同角度进行分类:按处理方法可分为线性和非线性两大类;按检测器处理信息时需要知道期望用户信息量的多少,又可分为盲和非盲多用户检测器。线性多用户检测器包括解相关检测、最小均方误差检测等;非线性检测主要包括并行(或串行)干扰抵消算法、多级检测和非线性类概率检测等。

3 MUD的基本思路

  在CDMA系统中,小区干扰分以下三种:接收机收到的热噪声、用户信号的码间干扰(ISI)和多址干扰(MAI)。这三种干扰各有不同的消除方法。在实际系统中,热噪声的影响远远小于MAI干扰的影响。在通常使用的无线通信系统中,均通过限制接收机噪声系数的方法来确定接收机的灵敏度。ISI的形成原因有两种:(1)信号传输时未满足Nyquist第一准则,在抽样时刻存在失真,可采用升余弦滤波器等方法来避免;(2)由无线信道的多径等特性造成,这种干扰是无法避免的,可通过均衡等办法消除。

  在用户接收机完全同步并采用理想正交扩频地址码的条件下,各用户之间不会产生多用户干扰。但在多径衰落信道中,理想的完全同步难以实现,因此扩频码也难以保持完全的正交性。理论上已证明,同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进制扩频码是不存在的,这就是著名的Welch界。在实际CDMA通信系统中,各用户信号之间存在一定的相关性,这就是MAI存在的根源。由个别用户产生的MAI固然很小,但随着用户数增加或信号功率增大,MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰,限制系统的容量和性能。MAI分小区间干扰和小区内干扰两部分。小区间干扰是指其它同频小区信号造成的干扰,可通过合理的小区配置来减小其影响。即使在最恶劣的情况下,小区间干扰功率也不超过内部干扰功率的60%,因此系统容量主要了决于对小区内干扰的处理。

  传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论,对每个用户的信号分别进行扩频码区配处理,而对MAI不作处理,仅通过扩频码波形的设计、功率控制、FEC编码、扇形/自适应天线的方法来降低其影响,因此抗MAI干扰能力较差。MUD技术是在传统检测技术的基础上,充分利用造成MAI干扰的所有用户信号信息,对单个用户的信号进行检测,从而具有优良的抗干扰性能,解决了远近效应问题。从信息论的观点来看,传统接收机把MAI等效为高斯噪声,同时也把有用的信息作为噪声丢弃了,导致误码率增高。而MUD技术则充分利用系统传输的相关有用信息(如用户的码元、定时、信号幅度和相位等),联合检测单个用户信息,从而获得最佳判决效果。应用MUD技术可降低系统对远近效应的敏感度,简化功率控制系统的设计,更有效利用上行链路频谱资源,从而提高系统的用户容量和性能。在理想的MUD系统中,小区的MAI将会完全消除,检测后对应的最大系统容量增益的典型值为2.8倍。

4 MUD接收机的一般结构

  充分利用有用伪码多址的已知结构信息与统计信息联合检测的MUD接收机。有些类型的MUD接收机会把MUD部分放在匹配滤波器之前,或将两者结合在一起。

  线性MUD的基本结构是在匹配滤波器后加一个线性变换矩阵T,以去除MAI的影响,不同的线性多用户检测器采用不同的线性变换矩阵T进行联合检测。线性MUD的通病在于需要进行矩阵求逆,这也是工程实现中的瓶颈所在。

  非线性MUD引用非线性函数来消除MAI,它们利用接收机对干扰用户信号的判决结果来解调期望用户的信号。在理想研究上,非线性MUD由于没有系统的数字描述和分析工具,故分析不够成熟;但它利用干扰消除等方法,避开了互相关矩阵计算,比线性多用户检测器易于实现。因此在性能和复杂性的折衷方面,非线性MUD似乎优于现有的线性MUD。

5 结束语

  目前,在CDMA系统中,MUD技术还存在一定局限,主要表现在:

  *只消除小区内干扰,无法消除小区间干扰;

  *算法复杂度高,在实际系统中不易实现。

  随着数字信号处理技术和微电子技术的发展,这些局限必将突破。同时,人们也在寻求MUD技术与其它技术结合的方法,以实现联合优化。目前研究较多的有MUD技术与空时二级信号处理、多载波调制、信道编码、功率控制等技术的结合。

  MUD技术是可大幅度提高CDMA系统容量的关键技术,它的发展将会进一步完善第三代移动通信系统,并推进第三代移动通信时代的到来。

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