多用户检测技术

在传统的CDMA接收机中各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下。由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交。因而造成多个用户之间的相互干扰并限制系统容量的提高。这就需要使用多用户检测技术。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处理。这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。如何把多用户干扰报销算法的复杂度降低到可接受的程度则是多用户检测技术能否实用的关键。

概述

多用户检测技术

多用户检测技术(MUD) 是通过取消小区间干扰来改进性能，增加系统容量。实际容量的增加取决于算法的有效性、无线环境和系统负载。除了系统的改进，还可以有效的缓解远近效应。由于信道的非正交性和不同用户扩频码字的非正交性，导致用户间存在相互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。也就是根据多用户检测算法，在经过非正交信道和非正交的扩频码字，重新定义用户判决的分界线，在这种新的分界线上，可以达到更好的判决效果, 去除用户之间的相互干扰。

多用户检测的主要优点：它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段，也是消除或减弱CDMA中多径衰落干扰的有效手段，并且能够消除或减弱CDMA中远近效应，简化CDMA系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求，弥补CDMA中由于正交扩频互相关性不理想所带来的一系列消极影响，改善CDMA系统性能，提高系统容量、扩大小区覆盖范围。

多用户检测的主要缺点：大大增加CDMA系统的设备复杂度，增加CDMA系统的处理时延，特别是对于采用自适应算法，以及对于扩频码较长的系统更是如此。多用户检测一般需要知道很多附加信息，如所有用户的扩频码、衰落信道的主要统计参量：幅度、相位、延时等，这对于时变信道，需要不停地对每个用户信道进行实时估计才能实现，一般而言是非常困难的，而且参量估计的精度将直接影响多用户检测器的性能好坏。

工作原理

多用户检测技术

假设有n 个用户，每个用户发送数据比特b1 b2⋯bn，通过扩频码字进行频率扩展，经过无线信道传输，加入了噪声n(t)，接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关，接收机相乘器由乘法器、积分和信息转存功能部分组成。解扩后的结果通过多用户检测算法去除用户之间的干扰，得到用户的信号估计值b^1 b^2 ⋯bn^。多用户检测将不期望的多接入干扰从接入信号中分离。多用户检测输出的是估测的数据比特。从原理图上就可以看出：多用户检测的关键取决于相关器的同步扩频码字跟踪、各个用户信号的检测性能、相对能量的大小信道估计的准确性等接收机的性能, 也就是取决于捕捉到的能量、相位的影响和码跟踪差错。在理想情况下，与没有MUD的系统相比，MUD 用户检测提高减少干扰2.8 倍因子。实际情况下, MUD 的有效性不到100% , 也就是说取决于检测方案、信道估计、时延估测和功率控制差错。

发展历程

多用户检测的想法最早在1979 年由Schneider提出来。1983 年Kohno et.al.发表了基于干扰消除算法的接收器的研究成果。1984 年Sergio Verdu 提议和分析了最优多用户检测和最大序列检测器，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然序列检测(MLSD)可以逼近单用户接收性能，并有效地克服了远近效应，大大提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。

但是MLSD 结构是匹配滤波器加上Viterbi 算法，其复杂度为2^k，K 为用户数，这在工程上基本无法实现。后来开始研究各种次优化的多用户检测器，它可以用合理的复杂性实现较优化的性能，即在保证一定性能的条件下能够将复杂度降到工程可以接受的程度。次优多用户检测方案，主要分为线性多用户检测和干扰消除多用户检测两个方面。线性多用户检测对传统检测器的输出进行解相关或其他的线性变换以利于接收判决，而干扰消除利用可靠已知信息对干扰进行估计，然后在原信号中减去估计干扰以利于接收判决。

线性多用户检测

线性多用户检测主要有下面几类：解相关检测，最小均方误差检测，盲子自适应多用户检测和多项式检测。其中前三类只能用于短码系统，而多项式检测可以在长码系统中应用。

1. 线性多用户检测

多用户检测技术

由Lupas 和Verdu 提议的解相关器( 又称为零驱动检测器) 结构如图所示。这种检测器是将多用户通信环境的多址干扰等效为一个信道的传输响应矩阵，即码字之间的相关矩阵R ，该矩阵仅与各用户的扩频序列以及序列间的相对时延有关。得到信道传输的逆矩阵T，就可以将多用户信号经过K 个匹配滤波器的输出，再通过此逆矩阵进行求逆运算，以等效地消除各用户扩频序列间的相关性，从而达到消除多址干扰的目的。实际上T是一个非因果的无限冲击响应的矩阵传递函数，是不可实现的。在实际情况中要将T 截断为有限长具体实现可以采用横向滤波器。

这种检测器具有以下特点：必须知道所有用户的扩频码及其特性；必须得到所有用户的定时；必须计算互相关矩阵R 的逆矩阵；其性能独立于干扰功率，不需估计功率的大小；不需对用户幅度进行估计。它的缺点是：放大噪声功率，扩大噪声的影响，而且造成解调信号很大的时延，也就是说解相关检测的性能是以提高背景噪声为代价换取消除多址干扰。

2. MMSE 多用户检测

使用最小均方误差准则，可以得到MMSE多用户检测。与解相关不同它不会增强噪声。MMSE 检测器是在消除多址干扰和增大信道噪声这两者之间采取折中而达到某种平衡，从性能上来说，在信噪比低的情况下，MMSE 检测器优于解相关检测器，在信噪比高的情况下，解相关检测器比MMSE 性能更优。

MMSE检测器的主要缺陷在于它需要估计接收信号的强度，对估计误差比较敏感。另外，它的性能依赖于干扰用户的功率。因此与解相关检测器相比，MMSE检测的抗远近效应能力有所损失。

3. 多项式扩展(PE)多用户检测

S.Moshavi提出了一种称为多项式扩展的多用户检测方法。这一算法的基本思想是应用的矩阵多项式来逼近一个线性变换。多项式扩展多用户检测实质上还是解相关检测或者是最小均方误差检测，只不过提出了将线性变换阵展开的一种方法。但多项式扩展多用户检测有一个最重要的特点是在长码系统和短码系统中同样容易实现。

4. 盲自适应多用户检测

对于快时变信道，由于需要频繁发送训练序列，从而大大降低了系统的有效性和可靠性。因此，人们开始直接从业务信号本身提取信道状态信息的自适应检测技术，成为盲自适应检测。但是，盲算法的最大问题是其收敛速度能否跟得上信道时变衰落的变化速度。由于盲自适应多用户检测既不需要训练序列，也不需要其他用户的扩频码信息，所需要的信息几乎与传统的检测器相同，因此，它本质上是一种单用户抗多径自适应检测。盲算法的收敛速度慢是通病，特别对于快速时变信道，这是一个致命的弱点。但对于慢时变的移动信道，它仍是很有吸引力的算法。

干扰消除多用户检测

干扰消除检测器一般由多级组成，其基本思想是在接收端估计对每个用户的多址干扰，然后从接收信号中部分或全部消除多址干扰。这种消除器与抗ISI的反馈均衡器类似，所以又称为判决反馈检测器。用于估计多址干扰的判决可以是软判决或硬判决，硬判决要求对信号幅度进行可靠的估计。干扰抵消多用户检测主要有串行干扰抵消、并行干扰抵消和判决反馈检测三种。

1. 串行干扰消除(SIC)

是逐步减去最大用户的干扰，SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判出一个就再造同时减去该用户信号造成的MAI干扰，按照信号功率大小的顺序来进行操作，功率较大信号先进行操作，由此可知，功率大的信号首先受益。SIC在性能上与传统检测器相比有较大提高，而且在硬件上改动不大，从而易于实现。但SIC 每一级都需要有一个字符的时延，在信号功率发生变化时需要重新排序，如果初始数据判决不可靠将对下级产生较大的干。

SIC相对于传统的检测器可以获得很大的性能增益，而且硬件实现简单。但有两个缺点影响SIC的实用化：第一，SIC需要不断的对各个用户重新排序，因为用户的功率总在变化。第一阶的判决很重要，如果第一阶判决错误，干扰消除后多址干扰增加，引起后面各阶性能都将严重下降。

2. 并行干扰消除(PIC)

并行干扰抵消也是多级的。但和SIC不同的是，PIC在每一阶都同时判决、再生和消除所有多址干扰，也就是说，PIC利用前级判决的信息构造所有用户的干扰信号，然后从接收信号中抵消掉干扰信号，最后同时判决。PIC的处理延迟小，但计算量大；而SIC的处理时延大，但计算量小。当SIC的级数增加时，系统性能将提高，但运算量和时延也相应增加。试验和仿真表明，SIC级数大于三级时，系统性能提高的不明显，因此在实际中选取三级比较合适。

当功率控制不理想时，如在多径信道中，PIC性能劣于SIC ；反之，PIC优于SIC；另外SIC对弱用户信号检测的性能更好，但这是以降低强用户检测性能为代价的；以上说明实际系统中应该在时延和性能间折中，即SIC 和PIC结合检测。

3. 判决反馈多用户检测

判决反馈多用户检测器主要针对接收信号功率不一致时提出的方法，它包括一个前置滤波器和一个后置滤波器。首先对匹配滤波器输出的信号进行排序，并经过前置滤波器处理；然后与前一时刻的反馈信号比较送给判决器判决，判决后的信息反馈回来给下一时刻的信号处理。有文献讨论了在异步信道中的一些判决反馈检测，而且证明了解相关判决反馈检测是判决反馈检测的最优方法。解相关判决反馈检测又叫迫零判决反馈检测（ZF-DF）.

其他方面的多用户检测

用神经网络实现多用户检测可以考虑系统的非线性、非平稳性和非高斯性，因此，基于神经网络的多用户检测近来也受到人们的注意。另外，CMA算法在均衡和智能天线中得到了广泛的应用，有文献将它用在了多用户检测中，从而拉开了在多用户检测中使用CMA算法的序幕。满足收敛条件的恒模算法的收敛速度和稳态性能都很好，但恒模算法存在多个局部收敛点，对于初始向量和收敛步长参数的选择有很大的依赖性，容易收敛到局部最小点上。因此，CMA多用户检测技术的研究还有很长一段路要走。

在现阶段，多用户检测技术仍未实用化，所以在所有的3G方案中均未详细定义其应用。但是3GPP已经定义了适于线性多用户检测技术和盲检测技术的短码调制方案，而适用于长码方案的干扰消除器很有可能成为第一种实用化的多用户检测技术。

发展前景

在未来的移动通信系统中，由于用户数急剧膨胀，系统中的多址干扰会日益严重，而移动数据业务对误码率提出了更高的要求，因此对多用户检测技术的需求会更加迫切，多用户检测技术很有可能会写入下一代移动通信的标准中。现有的多用户检测技术主要集中在小区内干扰的消除。随着载波频率的提高，小区的范围会变得越来越模糊，甚至可能出现个人小区的概念。在这种情况下，小区间的多用户检测技术急待研究。另外，在使用了多天线系统后，多用户检测技术和多天线系统的联合检测也是研究的一个方向。

相关词条

干扰消除，移动通信，3G

参考资料

[1]. 第三代移动通信中的多用户检测技术，《电子技术应用》

[2]. 第三代移动通信系统中的多用户检测技术，《山东通信技术》