多用戶檢測

1979年K.Schneider提出多用戶檢測(MultipleUser Detection，MUD)的概念以來，經過20餘年的發展，特別是1986年Verdu提出最佳多用戶檢測演演算法以後，多用戶檢測技術成為無線通信領域最重要的學術研究熱點之一。CDMA系統中多用戶檢測的定義；聯合考慮同時佔用某個通道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其它用戶對任一用戶的影響，並同時檢測出所有這些用戶或某些用戶的信息的一種信號檢測方法。最佳多用戶檢測器就是最大似然序列估計(MLSE)檢測器，該檢測器將產生最大似然序列b，依據從接收信號r(t)中找出發送的序列b，使得b的概率最大化。在DS/CDMA系統中MLSE檢測器可以用Vitezbi演演算法。雖然最佳檢測器有極好的性能，但演演算法的複雜度太高，實現困難。

在蜂窩移動碼分多址通信中，干擾大概分為三種類型：加性白雜訊干擾、多徑干擾與多用戶間的多址干擾。由於在同一個小區間同時通信的用戶不是一個而是多個，在碼分多址中多個用戶佔用同一時隙、同一頻率，當同時通信用戶數較多時，多址干擾成為最主要的干擾。CDMA系統是一個多入多出（MIMO）系統，採用傳統的單入單出（SISO）檢測方法，如匹配濾波器，不能充分利用用戶間的信息，而將多址干擾認為是高斯白雜訊。所以多址干擾不僅嚴重影響系統的抗干擾性，而且也嚴格限制了系統的容量提高。

在多徑衰落環境下，由於各個用戶之間所用的擴頻碼通常難以保持正交，因而造成多個用戶之間的相互干擾，並限制系統容量的提高。

解決以上問題的一個有效方法是使用多用戶檢測技術（MUD）。由於通道的非正交性和不同用戶擴頻瑪字的非正交性，導致用戶間存在相互干擾，多用戶檢測的作用就是去除多用戶之間的相互干擾。也就是根據多用戶檢測演演算法，在經過非正交通道和非正交的擴頻碼字，重新定義用戶判決的分界線，在這種新的分界線上，可以達到更好的判決效果，去除用戶之間的相互干擾。

多用戶檢測技術的優點主要表現在以下幾個方面：

1、提高CDMA的系統容量，增加用戶數。用戶數的增加，意味著更高的無線頻譜效率。

2、降低CDMA用戶設備（UE）的發射功率，提高UE的待機及通話時間。另一方面，表現為降低了UE射頻部分的成本及故障率。

3、減小射頻輻射對用戶的生理及心理影響，移動通信設備對環境的影響更綠色化。

4、增加通信距離，增大基站的覆蓋面積，降低了基站綜合成本。

多用戶檢測的主要優點是可以有效地減弱和消除多徑干擾、多址干擾和遠近效應；簡化功率控制；減少正交擴頻碼互相關性不理想所帶來的消極影響；改善系統性能、提高系統容量、增加小區覆蓋範圍。

多用戶檢測的主要缺點是大大增加設備的複雜度；增加系統時延；通過不停的通道估計來獲取用戶擴頻碼的主要特徵參量，通道估計的精度直接影響多用戶檢測的性能。

經過20餘年的發展，對抑制多址干擾的多用戶檢測方法已研究的十分廣泛和具體。根據上面多用戶檢測的定義，在不同的準則下，多用戶檢測具有不同的分類方法。按性能的不同，多用戶檢測可分為最優多用戶檢測法及准最優多用戶檢測法。從結構上看，多用戶檢測又分為線性多用戶檢測及非線性多用戶檢測方法。

檢測方案包括線性演演算法和干擾消除演演算法。線性演演算法主要有解相關器(零驅動檢測器，用互相關矩陣的反轉乘以匹配濾波器的輸出)和線性最小均方誤差演演算法；干擾消除演演算法的想法是估測多址接入和多徑引入的干擾，然後減去干擾估測值。

在選擇多用戶檢測演演算法時，要考慮到複雜性和性能兩個方面。複雜性程度是通過估算單位時間內演演算法操作的數目和同步數字信號處理所需的時鐘周期數來衡量的；性能是指在加性高斯白雜訊和瑞利衰落通道上的性能。

基站（BaseStation,或NodeB）中多用戶檢測方法。由於基站知道所有用戶的特徵碼(signaturesequence)，考慮到演演算法複雜度之後，基站中的多址干擾抑制方法選擇針對多用戶的多用戶檢測方法。下面分別介紹基站中的典型多用戶檢測方法。

（1）最優多用戶檢測法

最優多用戶檢測法，即最大似然序列估計（MLSE）方法，1986年由Verdu提出。該演演算法的複雜度隨著用戶數成指數增加，當用戶數大於9時，是不可行的。最優多用戶檢測法提供了性能改善的極限值。

（2）線性准最優多用戶檢測法

由於最優多用戶檢測法的複雜度太高，1989年以後的研究均側重於准最優多用戶檢測法。准最優多用戶檢測可分為線性及非線性兩大類。所謂線性或非線性，即是判斷演演算法的輸出是否是輸入的線性變換。線性多用戶檢測演演算法主要包括去相關法（Decorrelator）和最小均方估計法（MMSE）。去相關法及MMSE法的複雜度均隨用戶數線性增長，其中去相關法不需估計各用戶的幅度，具有較好的抗遠近效應能力，而MMSE法需估計各用戶的幅度，抗遠近效應能力不如去相關法，但去相關法對通道雜訊有放大作用，MMSE法則沒有。當信噪比較大時，使用去相關法較好；當信噪比較小進，易於使用MMSE法。

去相關性及MMSE法均需對互相關矩陣求逆，當用戶數很多時，使用去相關法及MMSE法的複雜度還是太大。為此Moshavi等人提出了矩陣求逆的多項式分解法，只取多項式的前幾項代替整個逆陣，從而化簡求逆的複雜度。

（3）非線性准最優多用戶檢測法

由於線性多用戶檢測法複雜度高，收斂慢，從可實現性角度考慮的研究方向主要集中於非線性多用戶檢測方法。非線性多用戶檢測方法主要有多級型、判決反饋型、神經網路等幾種方法。

多級型多用戶檢測演演算法，根據每一級各用戶的檢測形式不同，又可劃分很多形式。若每一級各用戶并行的採用匹配濾波器或相關器檢測，這就是傳統的并行干擾對消（parallelinterferencecancellation:PIC）演演算法。若每一級的每個用戶，根據信號強度的大小，採用串列的匹配濾波或相關檢測的方法，這就是所謂的串列干擾對消（successiveinterferencecancellation:SIC）演演算法。當然，每一級各用戶還均可以採用去相關檢測、MMSE等演演算法，這時的性能會更好一些，但演演算法實現複雜度也更高一些。多級型多用戶檢測演演算法的每級演演算法結構相似，因而多級型的每一級的最後（除最後一級），還有一個各用戶信號的再生、還原過程，這也是多級型方法的特點之一。

判決反饋多用戶檢測演演算法，有與多級型演演算法類似的種類。從本質上看，判決反饋多用戶檢測演演算法等價於多級型演演算法。從結構上來看，判決反饋法將多級型方法採用循環的方式一級來完成，通過對一級的多次循環，完成多級型相同的功能。從實現上來看，判決反饋多用戶檢測演演算法比多級型演演算法需要更多的存儲空間。

多用戶檢測從本質上看，是一個組合優化問題。因而，所有解決組合優化的演演算法原則均可適用於多用戶檢測。其中基於神經網路的解組合優化問題當然可以適合多用戶檢測。

對於用戶設備（UserEquipment,UE，又稱移動終端:MobileStation,MS）來說，從安全及複雜度上考慮，它只知道自己使用的特徵序列。這時的多址干擾抑制方法（為了方便，也稱為多用戶檢測方法），與基站中的的多址干擾抑制方法有很大的差別。用戶設備中多用戶檢測的各種方法。把傳統CDMA檢測器作為固定式多用戶檢測方法也歸納進來了。所謂傳統CDMA檢測器，即採用了相關器或匹配濾波器檢測方法。傳統CDMA檢測器為了減弱多址干擾的影響，在系統級中採用了功率控制的方法，它要求到達某一接收機輸入端的各個用戶的功率相等。這是一種最簡單、原始的多址干擾抑制方法，已成功應用于軍、民用CDMA移動通信網。

為了更有效的對抗多址干擾，用戶設備採用自適應技術來抑制多址干擾。所謂自適應多址干擾抑制演演算法，即接收機的多址干擾抑制部分採用了自適應濾波器的結構，濾波器的係數是自適應變化的，標準是滿足某種標準下的最優化。自適應式多用戶檢測方法也可劃分為兩大類：線性及非線性。類似於基站中的多用戶檢測方法，用戶設備中的自適應非線性多用戶檢測方法包含有判決反饋、神經網路方法。下面主要介紹用戶設備中的自適應線性多用戶檢測方法。

（1）線性高複雜度自適應多用戶檢測演演算法

線性高複雜度自適應多用戶檢測演演算法，根據自適應演演算法抽頭間距（也可以表述為自適應演演算法對輸入信號的採樣間隔）的大小，可以劃分為碼元空間、分數空間兩種。如果抽頭間距等於接收機擴頻碼的一個碼元寬度，這就是碼元空間法。分數空間法則定義為自適應演演算法抽頭間距只是碼元寬度的一部分。分數空間法自適應多用戶檢測演演算法則包含最優線性同軛線性演演算法（optimumlinear-conjugate-linear,LCL）及復時間相關自適應濾波演演算法（complextimedependentadaptivefilter,TDAF）。復時間相關自適應濾波演演算法還可以進一步劃分，濾波演演算法是基於波形估計濾波式的，還是基於符號估計濾波式。

（2）線性低複雜度自適應多用戶檢測演演算法

線性低複雜度自適應多用戶檢測演演算法，依據對高複雜度自適應多用戶檢測演演算法簡化的方法的不同，可分為兩類：最優簡化法、次優簡化法。其中次優簡化法包含循環位濾波器組法及符號過採樣法。

隨後又提出了大量次最佳多用戶檢測器方案，主要分線性多用戶檢測器和非線性多用戶檢測器兩大類。其中線性多用戶檢測器主要包括：傳統信號檢測器、解相關多用戶檢測器(DECMUD)、最小均方誤差檢測器(MMSEMUD)等；非線性多用戶檢測器主要包括：多級多用戶檢測器、判決反饋檢測器、相減干擾抵消檢測器等。

由於演演算法複雜度低、性能優良的多用戶檢測演演算法是研究的重點之一。當CDMA系統的擴頻序列較長時（對應於CDMA系統的用戶容量較大），多用戶檢測演演算法的複雜度高，處理時延也較大。從器件水平來看，對於窄帶CDMA，例如TD-SCDMA，擴頻序列最大長度為16，使用多用戶檢測演演算法抑制多址干擾時，有較多種類的演演算法可以選擇。例如：干擾對消類的方法、MMSE演演算法等。但對於擴頻序列很長的CDMA系統，如WCDMA、cdma2000，擴頻序列長度最大可達256，器件水平來實現多用戶檢測演演算法，還有很大的難度。這也反映出了TD-SCDMA的優點。

假設有n個用戶，每個用戶發送數據比特b1b2…bn，通過擴頻碼字進行頻率擴展，經過無線通道傳輸，加入了雜訊n(t)，接收端接收的用戶信號與同步的擴頻碼字相關，接收機相乘器由乘法器、積分和信息轉存功能部分組成。解擴后的結果通過多用戶檢測演演算法去除用戶之間的干擾，得到用戶的信號估計值b^1b^2…bn^。多用戶檢測將不期望的多接入干擾從接入信號中分離。多用戶檢測輸出的是估測的數據比特。從原理圖上就可以看出：多用戶檢測的關鍵取決於相關器的同步擴頻碼字跟蹤、各個用戶信號的檢測性能、相對能量的大小通道估計的準確性等接收機的性能，也就是取決於捕捉到的能量、相位的影響和碼跟蹤差錯。在理想情況下，與沒有MUD的系統相比，MUD用戶檢測提高減少干擾2.8倍因子。實際情況下,MUD的有效性不到100%,也就是說取決於檢測方案、通道估計、時延估測和功率控制差錯。

多用戶檢測的性能取決於捕捉到的各用戶信號的能量、相位和碼跟蹤誤差以及採用的檢測方案、通道估計、時延估測和功率控制誤差等因素。