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移动通信

3G的关键技术研究

摘要第三代移动通信系统（IMT-2000）是以宽带CDMA（码分多址）技术为主。

其中Turbo码、智能天线和多用户检测作为第三代移动通信系统的关键技术。

本文主要介绍了多用户检测。

多用户检测（Multi．UserDetection，MUD）技术作为CDMA系统抗干扰的关键技术，在传统检测技术的基础上，充分利用了造成多址干扰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干扰的方法，有效地消除多址干扰的影响，从而其有优良的抗干扰性能，最理想的状况下可以使系统的性能将接近单用户时的性能。

关键词第三代移动通信，多用户检测

ABSTRACT

Thethirdgeneration（3G）mobilecommunicationsystemismainlybasedonthewidebandwidthCDMAtechnology.Turbocodeadaptiveantennaarraysandmulti—usersdetectionarethecriticaltechnologyofthe3Gcommunication

system.antennaarrayswillbedediscussedindetailinourpaper.Themulti-userdetectiontechnologyisdevelopedasthecriticalantiinterferencecomponentintheCDMAsystem.Thistechnologyhasusedtheapproachesofthemulti--usersjointdetectionbyallmulti--addressinterferenceuserssignalandthe

cross—interferenceimpairingfromreceivedsignal，whichcouldeliminatetheeffectofmulti—accessinterferenceandprovideanexcellentanti—interferencecapability．Thisapproachcouldmakethecommunicationsystemapproximateperformanceofsingleusersystem．Theadaptiveantennaarraystechnology，whichisbasedonthelateralandbeamformingantennaarrays，hasshownitspotentialinsystemcapacityextension，frequencyutilizingrateimprovementandcellcoveragerateenhancement．

KeyWords：

TheThirdGenerationMobileCommunicationSystem

AdaptiveAntennaArray

一、引言

　一、第三代移动通信概述

第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的IMT-2000／FPLMTS系统标准的新一代移动通信系统，要求具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系统间的漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且要提供广泛的多媒体业务。

国际电联设定了IMT-2000系统具体的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激活因子和业务量模型要求。

与第二代移动通信相比，第三代移动通信系统具有以下突出的优点：

1、系统全球性：

相比较第二代移动通信地区性的特点，第三代移动通信标准是一个全球化的标准。

2、业务多样性：

为了满足21世纪对信息业务的要求，语音和数据等传统业务之外，图像及多媒体等多业务也成为第三代移动通信系统的重要业务内容。

3、满足移动高速率多业务的需求：

大动态范围内快速移动下，数据速率至少为144Kb／s，小范围内慢速移动下速率为384Kb／s，室内环境下速率至少为2．084Mb／s。

4、满足高质量业务的需求：

要求各类移动终端的接收质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求。

5、高度灵活性：

按需分配带宽，以支持大范围可变速率信息的传送，与有线网实现无缝连接。

二、移动通信系统的发展

移动通信是近些来通信各领域中发展最快的领域之一。

在系统技术层面上，第二代数字移动通信（2G）和第二代半移动通信（2．5G）技术己发展成熟；第三代移动通信（3G）技术也在日益发展完善，形成了以欧洲宽带码分多址（WCDMA）、美洲CDMA2000和中国TD．SCDMA为代表的几大技术阵营；B3G和4G技术的研发也在积极的进行。

在系统应用层面上，随着第三代移动通信的商用化，第二代模拟移动通信系统已经逐渐向3G系统全面过渡。

三、第三代移动通信系统的关键技术

第三代移动通信系统中，为了解决面临的主要问题，应用了很多新的技术，主要包括：

l、信道编码技术：

采用信道编码技术进一步改善通信质量。

目前主要采用前向信道纠错编码和交织技术以进一步克服衰落效应。

2、多用户检测：

有效利用所有用户的信号幅度、定时、延迟等信息，而不是作为干扰信号来处理，从而大幅度地降低多径多址干扰。

3、功率控制：

为了克服宽带CDMA系统的远近效应，需要动态范围达80dB的功率控制。

上行链路功率控制方式分为开环和闭环两种，开环功率控制主要用于克服距离衰减，闭环功率控制主要用于克服多普勒频率产生的衰减，以此保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的功率。

下行链路采用插入功控子信道实现前向的闭环功控。

4、智能天线：

通过调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列

的方向图形状，达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的；利用信号入射方向差别，将同频率、同时隙的信号区分开来，从而达到成倍地扩展通信系统容量的目的。

5、切换技术移动通信系统采用蜂窝结构，在跨越空间划分的小区时，必须要进行越区切换。

即完成移动台到基站的空中接口的转换以及基站到网入口和网入口到交换中心的相应的转移。

6、其他技术，比如软件无线电、多载波技术，Rake接收等技术。

本文着重介绍了其中两种关键技术，多用户检测技术和智能天线。

二、多用户检测技术

一、多用户检测技术的提出

在CDMA通信系统中，由于多个用户的随机接入，所使用的扩频码集一般并非严格正交，码片之间的非零互相关系数将引起各用户间的干扰，这样不仅会严重限制系统的容量，而且强多址信号会淹没弱用户信号，使“远—近”效应的影响加剧。

由于用户的扩频码已知，所以用户间的互相关系数是已知的，接收机可以知道多址干扰中的某些重要信息，如多址干扰的扩频码字、组成结构及与目标信号的关系。

利用这些信息，接收机可以对各用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间的干扰，从而有效地消除多址干扰的负面影响，这种在检测时利用了多个用户信息的策略称为多用户检测。

对于CDMA这样一个干扰限制的系统，研究干扰抑制技术将非常有意义，对多址干扰进行抑制将意味着系统容量的直接提高。

多用户检测技术主要分为两大类：

线性多用户检测和干扰抵消。

在线性多用户检测中，对传统的解相关器软输出的信号进行一种线性的映射（变换）以产生新的一组有希望提供更好性能的输出。

在干扰抵消多用户检测中，产生对干扰的预测并进行抵消。

二、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。

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-UserDetection,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。

三、多用户检测算法

传统的匹配滤波接收机或相关接收机存在干扰远近效应的问题，由Verdu提出的最佳多用户算法，是由匹配滤波器和动态编程算法（Viterbi算法）实现的最大似然序列估测器（MLSE）。

最佳多用户检测算法理论上可获得最小的误码率，提供最佳的检测性能。

但是最佳检测算法计算复杂度和用户个数呈指数关系，计算量太大，需要的参数多，实际中很难使用，因此人们一直在探索计算复杂度低的次优算法。

多用户检测算法包括线性检测和干扰抵消类算法两种。

其中线性多用户检测技术主要有四种：

解相关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展检测。

多用户检测算法的另一种分类是线性检测和非线性算法。

四、多用户检测技术的发展

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。

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。

五、线性多用户检测

1.解相关线性多用户检测（decorrelatinglinearMUD）

解相关线性多用户检测实际上是建立于最大最小准则基础上，它是在用户干扰功率未知的情况下，保证接收机在最坏情况下的最佳性能而提出的。

线性算子Ｌ=Ｒ-1，所以判决矢量为Ｚ=Ｒ-1Ｙ=ＷＢ+Ｒ-1Ｎ。

解相关线性多用户检测完全消除了MAI,但Ｚ中噪声分量的协方差矩阵为（Ｎ0/2）Ｒ-1，第ｋ用户的误码率为Ｐｅ（ｋ）=Ｑ（）

因为在此式中（Ｒ-1）ｋｋ为Ｒ-1的第ｋ行ｋ列元素，它大于1，所以，解相关线性多用户检测方法多址干扰的消除是以噪声的增强为代价的。

此外，解相关线性多用户检测的判决变量是无偏的（unbiased）。

正因如此噪声不依赖于干扰功率，最佳地抑制了“远—近”效应。

其性能独立于干扰功率，不需要估计功率的大小，唯一的要求是已知码字和定时，实现也相对简单，因此非常适合于“远—近”效应的环境。

2.最小的均方误差多用户检测（MinimumMeanSquareErrorMUD）

MMSE多用户检测是一种高斯白噪声中的线性最佳检测，以最小化E[（Ｂ-）T（Ｂ-）]为准则，它的Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ=（Ｒ+Ｎ0/2·Ｉ）-1，Ｋ维判决矢量为Ｚ=Ｌ-1Ｙ=（Ｒ+Ｎ0/2·Ｉ）-1ＲＷＢ+（Ｒ+Ｎ0/2·Ｉ）-1Ｎ，噪声矢量的Ｋ×Ｋ协方差矩阵为（Ｒ+Ｎ0/2·Ｉ）-1Ｒ（Ｒ+Ｎ0/2·Ｉ）-1。

MMSE多用户检测是一种有偏估计，系统性能受干扰功率的影响。

当MAI占统治地位，噪声分量不存在时，Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ变为Ｒ-1，MMSE多用户检测变为解相关线性多用户检测；在另一种极端情况下，如果Ｎ0>>ｗｊ，ｊ=1,2,…，Ｋ，即噪声远强于MAI，Ｋ×Ｋ线性算子Ｌ退化为单位矩阵，MMSE多用户检测就退化为传统的单用户检测器。

我们知道，当干扰完全为高斯白噪声时，传统的单用户检测器本身就是最佳的。

MMSE多用户检测的误码率公式很复杂，但需要强调的一点是MMSE多用户检测和解相关线性多用户检测都是线性结构，一定程度上限制了它们的性能。

3.自适应MMSE多用户检测

1995年MillerSL提出了自适应MMSE多用户检测，如图2所示。

其基本原理是：

通过一个数据比特周期内的接收信号取样序列，来获得一个数据比特的估计值。

也就是说，对ｂ1[0]的估计只能依赖于ｔ∈[0,Ｔb]之间的Ｎ个接收信号取样值（称之为接收矢量ｕ[0]）。

其中：

Ｎ是处理增益；Ｔb是数据比特周期；Ｔc=Ｔb/Ｎ是扩频码周期；ｂｋ[ｉ]∈{1,1}是用户ｋ的第ｉ个数据比特。

Ｎ抽头的时延线MMSE自适应多用户检测接收机在扩频增益较大，而接收信号码元能量比较小时，自适应滤波器系数难以迅速收敛到最小均方误差值，无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。

六、干扰消除多用户检测

1.串行干扰消除多用户检测器

（SuccessiveInterferenceCancellationMUD，SICMUD）

SIC检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判出一个就再造并减去该用户信号造成的MAI干扰，操作顺序是根据信号功率的大小来定的，功率较大的信号先进行操作，因此，功率最弱的信号受益最大。

SIC在性能上比传统检测器有较大提高，而且在硬件上改动不大，易于实现。

但是SIC每一级都需要有一个字符的时延，另外当信号功率强度顺序发生变化时需要重新排序，最不利的一点是如果初始数据判决不可靠将对下级产生较大的干扰。

2.并行干扰消除多用户检测器（ParallelInterferenceCancellationMUD）

PIC检测器具有多级结构，其每一级并行估计和去除各个用户造成的MAI干扰，然后进行数据判决。

PIC的设计思想和SIC基本相同，但由于PIC是并行处理，克服了SIC时延长的缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序。

但是，采用PIC时，对硬件复杂度要求会相应提高，不过，随着微电子技术的不断发展，芯片集成度的不断提高，很容易满足系统对硬件规模的要求。

从这种意义上来讲，PIC更适合于应用于移动通信系统中，在各种MUD中具有较高的实用价值。

3.判决反馈多用户检测（DecisionFeedbackDetectorMUD,DFMUD）

DF检测器首先对接收信号进行线性处理，然后进行SIC检测。

线性处理进行部分解相关，避免了噪声的加强，SIC再根据信号强度递减顺序进行串行干扰消除。

DF检测器的难点在于要进行Cholesky分解和白化矩阵求逆，而且需要估计接收信号的幅度。

六、多用户检测技术存在的问题及其局限性

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。

多用户检测研究的另一个重要的方面是坚韧性。

既然任何频率、幅度、相位和定时上的误差都将产生不精确的多址消除，带来系统性能的恶化，多用户检测就必须研究方案对不理想条件的坚韧性。

有文献指出，解相关多用户检测的性能，在不等功率的情况下，对定时误差是很敏感的。

当然，这只是对目前一些研究状况的总结，对于这些实际方面的研究仍是多用户检测发展的一个重要方面。

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。

按照Viterbi推得的公式，如本区干扰因子定为1，区外干扰因子为ｆ，则理想情况下由多用户检测带来的容量增益为（1+ｆ）/ｆ。

在蜂窝系统中ｆ的典型值为0.55，容量增益因子为2.8。

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。

三、结束语

多用户检测技术作为第三代移动通信的关键技术之一，能够进一步提高CDMA系统容量，改善系统性能。

　鉴于多用户检测技术投入使用尚存的上述问题和困难，因此，在宽带CDMA技术之上，对多用户检测技术进行研究的工作重点是缩短处理时延，同时在增强坚韧性方面做研究，在此基础上，综合考虑宽带CDMA移动通信系统的性能指标和多用户检测技术实现的复杂度，结合当前微电子技术及DSP器件的发展及其未来的发展趋势，努力找到多用户检测技术具体实现的切入点，为多用户检测技术在第三代宽带CDMA移动通信系统中最终投入使用提供理论和技术依据。

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。

本文中，介绍了多用户检测技术的算法，基本原理及存在问题。

通过公式推导给出了不同的线性检测方案的理论表达形式，并对干扰消除类的多用户检测方法进行了分析和比较。

参考文献

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