基于PIC的MC-CDMA系統(tǒng)多級型多用戶檢測技術(shù)

摘要：為了抑制MAI和遠(yuǎn)近效應(yīng)以提高系統(tǒng)的性能，采用多級型多用戶檢測技術(shù)，充分利用各個用戶的擴(kuò)頻序列時延幅度和相位信息時各用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測，利用前級判決的信息構(gòu)造所有用戶的干擾信號，然后從接收信號抵消掉干擾信號，從總體上提高各用戶的性能。仿真驗證表明，PIC的處理延遲小，且在用戶增多的情況下誤碼率大為降低，但隨著級數(shù)的增加，計算復(fù)雜度增大，故實際應(yīng)用中一般選三級為宜。
關(guān)鍵詞：多用戶檢測；多址干擾；并行干擾抵消；誤碼率

    在CDMA系統(tǒng)中分配給各個用戶的擴(kuò)頻碼如果沒有嚴(yán)格正交，將會引起用戶之間的相互干擾，即多址干擾。隨著用戶數(shù)的增多，多址干擾的增強(qiáng)，用戶的誤碼性能會變差。另一方面，移動用戶的位置不斷變化及深度衰落的存在，強(qiáng)功率用戶的信號會抑制弱功率用戶的信號，系統(tǒng)性能嚴(yán)重弱化，即所謂的遠(yuǎn)近效應(yīng)，因此抑制MAI和遠(yuǎn)近效應(yīng)以提高系統(tǒng)的性能，增加容量是十分迫切的要求，而多用戶檢測技術(shù)成為近年來的主要解決方法之一。
    多用戶檢測技術(shù)可以充分利用各個用戶的擴(kuò)頻序列時延幅度和相位信息對各用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測，從總體上提高各用戶的性能。它解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著增加系統(tǒng)容量。在多用戶檢測中，一類重要的技術(shù)是基于干擾抵消的多級檢測。
    本文首先介紹干擾抵消檢測算法，重點分析了PIC的概念。在基于PIC的多級型多用戶檢測技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明該方案在運(yùn)算復(fù)雜性和系統(tǒng)性能之間取得了良好的折中。

1 并行干擾抵消檢測算法
    干擾抵消(IC)基本原理是利用已檢測的信號重構(gòu)期望用戶的干擾信號，并從接收信號中刪除掉。IC包括串行干擾抵消(SIC)和并行干擾抵消(PIC)，所不同的是SIC每次只檢測一個用戶，而PIC利用前級判決的信息構(gòu)造所有用戶的干擾信號，然后從接收信號抵消掉干擾信號，最后判決，因此PIC的處理延遲小，但計算量大。下面將詳細(xì)介紹PIC的基本原理。
1．1 并行干擾抵消器(PIC)
    并行干擾抵消方案是指抵消工作在并行模式下。對于傳統(tǒng)的PIC，用戶k在第i級的判決信號可以表示為
   
    其中，表示由前一級獲得的第j個用戶的符號估計值，它可以通過基于判決的線性過程或基于匹配濾波的線性過程來獲得。第0級可以通過匹配濾波器(相關(guān)器)來得到。多級PIC的基本原理可以用圖1來表示。

1．2 選擇性并行干擾消除(S-PIC)
    并行干擾消除(PIC)，是在同一級檢測中重構(gòu)出所有用戶信號，然后從總的接收信號中減去所有干擾信號而獲得有用信號。但是由于第一級判決輸出只采用一般的檢測合并技術(shù)(單用戶檢測)而存在MAI，所以不能完全正確的重構(gòu)所有干擾用戶的信號，導(dǎo)致在進(jìn)行PIC時，有可能引入新的干擾。在這種情況下，某些用戶在第一級判決輸出原本正確，但是由于其他用戶的錯誤判決，而經(jīng)過PIC后反而變錯。為了避免這一差錯，提出了選擇性并行干擾(S-PIC，Selective Parallel Interference Cancellation)，即根據(jù)第一級檢測出來的各個用戶的可靠性分組，來決定是否進(jìn)行重構(gòu)，下面介紹其主要思想。
    用戶第一級檢測合并后的判決變量，根據(jù)兩個歸一化的可靠閥值S1，S2(0<S2<S1<1)來進(jìn)行分組，分組依據(jù)下面的不等式組(其中GMC為擴(kuò)頻碼長)
   
    如果u∈U1，認(rèn)為非常可靠，這是第一級判決可以作為最終的判決輸出，不需要做PIC。同時可以重構(gòu)為干擾信號被其他的用戶在進(jìn)行PIC運(yùn)算時引用。如果u∈U2，認(rèn)為部分可靠這時第一級判決不可以作為最終的判決輸出，需要進(jìn)一步做PIC來消除MAI。但可以重構(gòu)為干擾信號被其他的用戶在進(jìn)行PIC運(yùn)算時引用。
    如果u∈U3，認(rèn)為十分不可靠，這時第一級判決不可以作為最終的判決輸出，需要進(jìn)一步做PIC來消除MAI。而且因為的可靠性差，為了防止給其他可靠性高的用戶引入更大的干擾，不再重構(gòu)為干擾信號而被其他的用戶在進(jìn)行PIC運(yùn)算時引用。

    如表1所示，U1組內(nèi)的用戶不用再做PIC，U3組內(nèi)的用戶不再進(jìn)行重構(gòu)，只有U2組內(nèi)的用戶進(jìn)行常規(guī)的PIC檢測。所以S-PIC在PIC的基礎(chǔ)上，大大降低了接收機(jī)的計算復(fù)雜度。所面臨的任務(wù)就是如何選擇最佳的閥值S1、S2，使得系統(tǒng)的平均誤碼率最小。

2 基于HC的多級檢測方法
    多級檢測的概念一開始是出現(xiàn)在DS-CDMA系統(tǒng)的多用戶系統(tǒng)中，其基本思想是：先由前一級獲得數(shù)據(jù)和干擾的初步估計，然后在后一級消除對干擾的估計，從而提高檢測的可靠性。
    針對多址干擾(MAI)，研究由各種單用戶檢測方法組合而成的多級檢測技術(shù)，基于PIC的MC-CDMA系統(tǒng)多級檢測原理框圖如圖2所示。

    為不失一般性，設(shè)第0個用戶為期望用戶，對初始級，采用SUD得到數(shù)據(jù)判決值為

    初始數(shù)據(jù)估計非常重要，初始數(shù)據(jù)估計不準(zhǔn)確，會引起誤差傳播效應(yīng)。同時，PIC的性能很容易受到干擾信號估計偏差的影響。

3 仿真分析
    圖3描述了幾種檢測方式的誤碼率。如圖3可見，這幾種檢測方式的誤碼率都是隨著信噪比的增大而減小。其中匹配濾波器的誤碼率最大。其余3種檢測方式的誤碼率均小于匹配濾波器。

    如圖4可見，隨著用戶數(shù)目增加，這幾種檢測方式的誤碼率呈現(xiàn)遞增趨勢。其中匹配濾波器的誤碼率最大。其它三種檢測合并技術(shù)的誤碼率小于匹配濾波器的誤碼率。在小信噪比時，MMSE，SIC，PIC的誤碼率較為接近，隨著用戶數(shù)目的增加，最小均方誤差的誤碼率大于串行干擾抵消和并行干擾抵消的誤碼率。當(dāng)信噪比達(dá)到某值時，匹配濾波器的誤碼率最大，而并行干擾抵消的誤碼率最小，是最優(yōu)的多用戶檢測技術(shù)。

4 結(jié)束語
    本文采用多級型多用戶檢測技術(shù)，引入并行干擾抵消技術(shù)，充分利用各個用戶的擴(kuò)頻序列時延幅度和相位信息對各用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測，抑制MAI和遠(yuǎn)近效應(yīng)以提高系統(tǒng)的性能。通過仿真驗證，相對于其他檢測技術(shù)，當(dāng)信噪比增大時，并行干擾抵消(PIC)的誤碼率最小，使系統(tǒng)性能得到很好的改善，是最優(yōu)的多用戶檢測技術(shù)。但隨著級數(shù)的更加，系統(tǒng)性能的優(yōu)化越來越小，且相應(yīng)的運(yùn)算復(fù)雜性越來越高，因此，在實際應(yīng)用中，進(jìn)行到三級PIC即可。