多用户检测技术综述_多相流检测技术综述

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多用户检测技术综述

摘 要 本文主要介绍3G系统的核心技术——多用户检测技术。在分析传统检测的基础上，介绍了最新的多用户检测技术的概念和各种检测方案的特点、性能及不足，并指出了现有多用户检测技术存在的问题和局限性，对于多用户检测技术在第三代宽带CDMA移动通信系统中的应用与实现也作了一定的分析和展望。

关键词多用户检测 宽带CDMA 多址干扰 远近效应

正文

一、多用户检测的概念

多用户检测是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术，其定义为：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个用户的影响，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)。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匹配处理，因而抗多址干扰（MAI）能力较差；多用户检测(Multi-User Detection, MUD)技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除MAI的影响，从而具有优良的抗干扰性能。在理想情况下，应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户时的性能。这显然消除了“远—近”效应的影响，可以简化用户的功率控制，降低系统对功率控制精度的要求。并且由于MAI的消除，用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能，单用户信噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。

1979年和1983年，K.S.Schneider，R.Kohno分别提出了多用户检测的思想，利用其他用户的已知信息消除MAI，实现无MAI的多用户接收，并指出了一些研究方向，这是多用户检测的最早的文献。此后，多用户检测取得了很大的发展，形成了几条比较清晰的思路，理论工作也日渐完善。

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检测法则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法均需要对互相关矩阵求逆，当用户数量很多时，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。多项式分解法跟踪信道参数的变化，造成性能下降，而且由于训练序列的存在，必将加大系统实现的复杂度。

（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，这就是串行干扰对消（succeive 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。

自适应线性多用检测方法

（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、当前多用户检测技术存在的局限及最新发展

多用户检测的研究，必须考虑复杂性和处理时延两大障碍。从处理时延考虑，数10ms的处理时延对语音信号数据是不可接受的；从复杂性考虑，最佳检测器的指数复杂性是不现实的，次最佳检测的线性复杂度随技术的发展可能会得到广泛应用。多用户检测技术的局限性主要有，首先多用户检测只是消除了本小区内的干扰，小区间的干扰并没有消除。其次多用户检测的复杂性的限制，使之仅适用于上行信道，不能直接用于下行链路的接收，因此由多用户检测带来的上行信道增益不一定能带来同等的系统总体增益。

针对以上多用户检测技术的局限性，人们提出了半盲和盲检测技术。所谓半盲检测就是干扰用户特征序列部分已知部分未知条件下的检测，适用于小区基站。所谓盲检测就是不知道所有干扰用户特征序列条件下的检测，适用于移动台。两者的主要思想都是通过子空间跟踪技术获得信号子空间，并利用它来消除未知用户造成的干扰。半盲检测器的代表有混合型半盲检测器，它采用了解相关和最小均分误差相结合的方法。盲检测器有基于信号子空间的MMSE盲检测器和基于正交投影的盲检测器。不过，信号子空间跟踪结果的准确性直接影响了盲和半盲检测器的性能。

结束语

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。在宽带CDMA系统中应用多用户检测还需要做很多研究工作，尽管如此，宽带CDMA是第三代移动通信中最有前途的多址接入方式，而多用户检测是可以大幅度提高其系统容量的关键技术，它们必将在未来的移动通信中发挥重要作用。

参考文献

杨峰义，第三代移动通信系统，北京人民邮电出版社，2000

吴伟陵，移动通信中的关键技术，北京，北京邮电大学出版社，2000

John G.Pioakis著，张力军，张宗橙，郑宝玉等译，数字通信，北京，电子工业出版社，2001。