第三代移动通信系统的多用户检测技术

龚秋莎　杨家玮　西安电子科技大学
　　摘要：多址干扰（MAI）是影响码分多址（CDMA）系统容量的主要因素。相对于传统的检测技术而言，多用户检测（MUD）技术可有效消除MAI的影响，提高系统容量。文章主要分析MUD技术在第三代移动通信（3G）中应用的必要性，介绍MUD技术的发展状况、基本思路和MUD接收机结构，并对其研究前景进行展望。

　　关键词：第三代移动通信系统（3G）　码分多址　多址干扰　多用户检测

　　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（2^k）,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。

摘自《电信快报》2002.11