DS－CDMA移动通信系统中的数据检测技术（上）

文章编号：1009－6868(2001)03－0004－06 文献标识码：A 中图分类号：TN929 .533

　　DS－CDMA是码分多址方案中的一种无线用户复用寻址接入技术，即众多用户在公共共享 无线频道上同时发射各自数据信息，接收机接收到的信号是信道噪声与从本小区内和邻近小 区内所有用户发射信号之和。码分多址移动通信系统中接收机的任务就是利用各用户所分配 的DS地址序列特性从其它干扰用户的数据流中选择出所期望用户发出的数据。

　　在不考虑多址用户干扰前提下，常规接收机以相关接收匹配滤波器阵列进行所期望用户 的地址序列与接收信号的相关处理，基于码分多址扩频通信中处理增益选择出具有对应最大 信噪比的信号并从中提取数据信息。这种常规相关接收法存在两个缺点，即：若忽略不同用 户DS地址序列互相关引起的干扰影响，通信系统从噪声有限系统变成干扰有限系统；因远近 效应难以解决被干扰用户大信号压倒的期望用户小信号的检测。

　　为解决DS－CDMA移动通信系统中的干扰影响可采取下述措施：

(1)精心设计无线链路，如IS－95，使系统可工作在高干扰电平无线通信环境中；
(2)采取功率控制来减弱远近效应；
(3)采用减少干扰用户影响的技术，如干扰抑制、智能天线、RAKE接收；
(4)先进数据检测技术。

　　在DS－CDMA移动通信系统中，从受干扰的接收信号中提取所期望信号的技术可分成干扰 抑制和数据检测技术。其中数据检测技术可分成3类：须知所期望用户的信道冲激响应和码 序列；仅知所期望用户码序列；无须知所期望用户任何信息。

　　图1为CDMA数据检测方法按若干准则的分类方法，基本上分为单用户检测和多用户检测。

图1 CDMA数据检测技术分类

　　1、单用户检测中匹配滤波器阵列

　　单用户检测是不需系统中其它用户的任何信息，仅解调某一期望用户信号的方案。这就 是常规匹配滤波器阵列。
　　假如，K个移动站异步地向一个接收机发射各自信号。接收机所接收的信号表达式为：

　　其中，L为信道传播中多径径数，和分别为第k个用户、第l条路径的多径信号强度、时延和相位位移。n(t)为零均值N0/2双边 功率谱密度的高斯噪声过程。

　　图2为在RAKE基础上匹配滤波器阵列接收机原理框图。其中Sk和分别表示第k个用 户的地址码序和已估值的复共轭信道脉冲响应。

图2 RAKE接收机结构

　　接收复基带信号经过在RAKE上的匹配滤波器阵列进行相干解调和解扩处理，令y为匹配 滤波器产生的关于数据比特估值比特d'的判决统计量，为第k个用户、第l条路径的第n个数据比特在时刻匹配滤波器的输出。它表示为：

　　其中S为所期望信号，ISI为多径传播引起的符号间干扰，MAI为多址用户干扰。对表达式(2)，也可以矢量来描述：r=SHd＋n。其中S、H、d分别为用户扩频地址序列和时延矩阵、 信道脉冲响应矩阵及发射数据矩阵。若K=3，L=1，意味着单径传播信道无ISI现象发生。

　　匹配滤波器阵列输出的矢量描述为：

　　若检测路径上脉冲响应，这意味着在理想信道进行数据估值。应该注意的是：即 使在接收端采取快速功率控制，接收机做到接收所有用户功率相同。理想正交地址码在多径 传播环境中产生的不同时延，仍会产生较高互相关电平，限制了接收机性能和容量的提高，为维持可接受的性能指标，只好减少用户数目来解决。

　　改进方法之一有以时延间隔小于TC的自适应最小均方(LMS)滤波器代替匹配滤波器阵列 。在数据发射前，先以双方默契的训练序列进行训练；在数据传输阶段，自适应滤波算法再 不断地校正滤波器参数。这样就不需掌握有关信道估值和其它用户地址码信息，就可以抑制 掉窄带和多址用户干扰。其应用前提条件是信道变化速率低于LMS自适应算法收敛速率。

　　改进方法之二是采用修改型最小均方误差(MMSE)准则接收机。它需增加相位估值器用于 消除接收信号中相位变量。接收信号与相位估值相乘会得到第k个用户第n个比特估值，即：

　　w是均方误差最小的矢量。

　　2、多用户检测中的联合检测

　　多用户检测可以分为干扰抑制和联合检测两大类。干扰抑制的机理是指定期望数据估值 信号的再生与被扣除；而联合检测的机理是在相关滤波器阵列后加置滤波器并执行矩阵线性 或非线性变换。联合检测有下述几种方案：

　　(1) 最大似然序列估值器(MLSE)。MLSE的实施是在匹配滤波器阵列后加置Viterbi译码器，其运算复杂性与O(2K)成正比，其系统性能是最优的，往往作为各种方案性能比较的基准。

　　(2) 解相关检测器。在MLSE的基础上，寻找运算复杂性与用户数K成正比而性能次优的 检测方案。解相关检测器方案基本有两类：

• 多径解相关检测器(MD)方案
  　　多径解相关检测器如图3所示。由图3知，MD方案仅需知道对应期望信号的时间位移、相 位和振幅，而不是它的功率。相对于某个用户多径传播路径信号而言，所接收到的其它信号 可视为独立干扰源。这样，干扰源数目等于用户数与多径路数之积，多径解相关检测器方案 计算所有干扰源之间的互相关系数并构成相关矩阵R。匹配滤波器阵列的输出为：Y=RHd＋n (8)
  　　式中H和d分别是接收信号振幅和发端已传输的数据。已传输数据的估值为：d'=R－1y=Hd＋R－1n (9)
  　　为了确保R－1的存在，应认真选择相应用户地址码序列，这是MD方案成败的关键之一。

图3 多径解相关检测器

• 归零分组线性均衡器
  (ZF－BLE)方案
  　　归零分组线性均衡器结构如图4所示，其基本思想是干扰源定义为传输信号与信道冲激 响应的卷积输出，总的干扰数就等于用户数。ZF－BLE方案的性能取决于信道参数估值。检 测器就是执行传输信号与信道冲激响应卷积矩阵的逆运算，则信号的估值为：d'=(ATA)－1ATr (10)
  　　其中A为卷积码，r=Ad＋n为信道冲激响应矩阵。
  　　就两种方案比较而言，MD和ZF－BLE的接收机均存在较复杂运算量，而MD 方案要给每条 路径提供信道估值器和自适应递推最小二乘滤波器，而ZF－BLE方案的信道估值则可用来提 供数据估值。

图4 归零分组线性均衡器

　　(3)最小均方误差检测器(MMSE)方案

　　MMSE检测器是基于比特估值E[(d－d')T(d－d') 的均方误差准则，其中估值d'是以线性 变换取得的，即：d'=(R＋N0/2I)－1·y (11)
　　与式(9)相比，可见式(11)噪声N0愈小，估值d'的精度愈高。MMSE方案考虑了噪声和MAI 的影响，其性能优于MD方案。由于执行矩阵逆运算，MMSE的运算复杂的缺点是显著的。此外 ，它还需知干扰用户接收信号功率有关信息，这给应用带来困难。

　　(4) 递推多用户检测(Iterative MuD)方案

　　递推多用户检测方案是一种新技术，其基本思路是Turbo码的检测。如图5示意，递推干扰抵消器接收机利用匹配滤波器阵列的输出，产生信道条件概率P(y(t)|d(t))，在测度产生器中计算每个用户的似然函数P(y(t)|dk(t))，单个用户软判决译码器再把有关似然符号干 扰源信息输入到测度产生器，进行递推运算。此方案的运算量在O(2K)＋O(2m)数量级，其中 K是用户总数，m是编码约束长度。

图5 递归干扰抵消模型（标有下划线为矢量）

　　3、多用户检测中的干扰抵消

　　干扰抵消是多用户检测的第二个应用。干扰抵消的机理包括了必要参数估值、信号再生 和不需要信号的抵消。它需要高精确度地掌握信道的相位、振幅、时延参数和被干扰数据信 号的估值。

　　干扰抵消可分成3类，即级连式干扰抵消(SIC)方案、并行干扰抵消(PIC)方案和混合式 干扰抵消(HIC)方案，下面分别进行讨论。

　　(1)级连式干扰抵消(SIC)方案

　　SIC方案中检测和抵消过程是级连串行的。在每一级，所有用户依据它们的信号强弱顺 序进行排列，首先对最强信号进行检测和抵消。此过程重复进行到所有用户信号被检测和抵 消一次，这样就可确保SIC方案较低的运算量。其工作原理详见图6。

图6 SIC方案

　　当用户数较大时，级连式干扰抵消方案会产生较大的时延。若每级时延1bit，则K个用户将达到K－1 bit时延。另外级连式干扰抵消方案还会由于估值不精确产生误差传输效应。

[摘要] 在第3代DS－CDMA移动通信系统研究中，先进的数据检测技术是解决码分多址通信中多址 干扰、多径干扰和信道噪声干扰的手段之一。文章讨论了单用户和多用户信号检测问题，重点 介绍干扰抑制和联合检测。

[关键词] 数据检测 干扰抑制 移动通信

[Abstract] To the third generation DS－CDMA mobile communication system, the advanced data detection technique is one of means used for combating the multiple access i nterference,multiple－path interference and channel noise. In this paper, both si ngle user detection and multi－user detection are discussed. Interference cancell ation and joint detection are also introduced in detail.

[Keywords] Data detection Interference cancellation Mobile communications