聯(lián)合檢測聯(lián)合檢測技術(shù)簡介

聯(lián)合檢測(JD，JointDetection)是多用戶檢測(Multi-UserDetection)的一種。CDMA系統(tǒng)中多個(gè)用戶的信號在時(shí)域和頻域上是混疊的，接收時(shí)需要在數(shù)字域上用一定的信號分離方法把各個(gè)用戶的信號分離開來。信號分離的方法大致可以分為單用戶檢測技術(shù)和多用戶檢測技術(shù)兩種。在實(shí)際的CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，存在多址干擾(MAI)，這是由于各個(gè)用戶信號之間存在一定的相關(guān)性。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的MAI固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾。傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)信號分離方法是把MAI看作熱噪聲一樣的干擾，導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重惡化，系統(tǒng)容量也隨之下降。這種將單個(gè)用戶的信號分離看作是各自獨(dú)立的過程的信號分離技術(shù)稱為單用戶檢測(Single-UserDetection)。而聯(lián)合檢測則充分利用MAI，一次性將所有用戶的信號都分離出來。

有K個(gè)用戶的典型多址接入系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間傳遞模型可以由圖1表示。

圖1 多址接入系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間傳遞模型

對用戶k而言，接收機(jī)收到的總信號可以表示為式(2-1)，即

(2-1)

式(2-1)中，表示加性噪聲，用戶k發(fā)送的信號經(jīng)過空中信道后到達(dá)接收機(jī)時(shí)可用式(2-2)表示，即

(2-2)

式(2-2)中，表示用戶k發(fā)出的信號;τmax表示由多徑傳播造成的最大時(shí)延，沖激響應(yīng)表示空間信道特性。在采用線性碼片調(diào)制方案的CDMA系統(tǒng)中，可表示為

(2-3)

式(2-3)中，表示用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)符號，N是用戶發(fā)送的符號數(shù)目;表示碼片值，Q是擴(kuò)譜系數(shù)。式(2-3)可表示成矩陣A和向量d相乘的形式，即 e=Ad+n (2-4)

這就是TD-SCDMA系統(tǒng)多址接入的矩陣和向量表達(dá)方式，聯(lián)合檢測的目的就是根據(jù)式(2-4)中的A和e估計(jì)出用戶發(fā)送的d。

由于A由K個(gè)用戶的擴(kuò)頻碼及信道沖激響應(yīng)決定，因此聯(lián)合檢測算法的前提是能得到所有用戶的擴(kuò)頻碼和信道沖激響應(yīng)。為了給聯(lián)合檢測算法提供信道估計(jì)，在TD-SCDMA系統(tǒng)的突發(fā)結(jié)構(gòu)中專門定義了訓(xùn)練序列Midamble，如圖2所示。

圖2TD-SCDMA系統(tǒng)突發(fā)結(jié)構(gòu)

工作在同一時(shí)隙的所有用戶使用基本Midamble碼(128chip)經(jīng)循環(huán)移位后產(chǎn)生，根據(jù)接收的Midamble部分和已知的Midamble碼，就可以估計(jì)出信道沖激響應(yīng)。

聯(lián)合檢測算法可以分為3類:非線性算法、線性算法、判決反饋算法。非線性算法主要有最大似然序列估計(jì)，該算法具有極高的復(fù)雜度，在要求實(shí)時(shí)性的移動(dòng)通信系統(tǒng)中難以應(yīng)用。判決反饋算法是在線性算法基礎(chǔ)上經(jīng)過一定的擴(kuò)展得到的，有迫零判決反饋均衡器(ZF-BDFE)算法和最小均方誤差判決反饋均衡器(MMSE-BDFE)算法，它們的計(jì)算復(fù)雜度較大。實(shí)際應(yīng)用中，常采用線性算法。

線性算法首先用線性塊均衡器對接收信號進(jìn)行檢測，得到K個(gè)用戶發(fā)送符號的連續(xù)值估計(jì)。然后用K個(gè)量化器對這些連續(xù)值估計(jì)進(jìn)行量化，得到對用戶發(fā)送符號的離散值估計(jì)。根據(jù)準(zhǔn)則的不同，線性聯(lián)合檢測算法大致可以分為解相關(guān)匹配濾波器(DMF)法、迫零線性均衡(ZF-BLE)法和最小均方誤差線性塊均衡(MMSE-BLE)法3種。

匹配濾波器難以消除多用戶干擾。ZF-BLE算法與MMSE-BLE算法性能相近，都不同程度地消除了多用戶干擾，改善了系統(tǒng)的性能，但后者要好一些。主要原因就在于MMSE-BLE考慮了噪聲的影響，加入噪聲的方差估計(jì)，增加了其運(yùn)算復(fù)雜度。所以在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用ZF-BLE算法。ZF-BLE的核心思想是迫零濾波，它能夠解決ISI和MAI造成干擾的問題。

CDMA系統(tǒng)的主要干擾是同頻干擾，包括由于無線通信信道的時(shí)變性和多徑效應(yīng)形成的小區(qū)內(nèi)部干擾和其他同頻小區(qū)間信號造成的小區(qū)間干擾。聯(lián)合檢測充分利用MAI，把所有用戶信號當(dāng)作有用的信號來對待，而不是看作干擾信號，從而都分離出來?；谶@種理論和技術(shù)，聯(lián)合檢測可以為移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來以下幾方面的好處。

(1)不再將多址干擾作為噪聲，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Rake接收機(jī)。

(2)采用結(jié)合智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)的時(shí)空聯(lián)合檢測算法和時(shí)空域?yàn)V波器，可大大提高接收機(jī)的靈敏度，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)，有助于同頻組網(wǎng)。

(3)充分利用MAI的所有用戶信息，使得在相同誤碼率的前提下，降低SNR(SignaltoNoiseRatio)的接收要求，大大提高了接收機(jī)性能并增加了系統(tǒng)容量。在理想情況下可以使系統(tǒng)容量提高2.8倍，這意味著具有更高的頻譜利用率。

(4)降低用戶設(shè)備(UE)的發(fā)射功率，提高UE的待機(jī)及通話時(shí)間，同時(shí)降低了設(shè)備成本和故障率。

(5)具有克服"遠(yuǎn)近效應(yīng)"的能力，對功率控制的要求比用Rake接收機(jī)的方法低。由于聯(lián)合檢測技術(shù)能消除MAI干擾，因此產(chǎn)生的噪聲量將與干擾信號的接收功率無關(guān)，從而大大減少"遠(yuǎn)近效應(yīng)"對信號接收的影響。

與此同時(shí)，聯(lián)合檢測也存在著以下缺點(diǎn)。

(1)由于算法對噪聲有擴(kuò)散作用，因此抗白噪聲能力較差。

(2)抗多址干擾能力不強(qiáng)，尤其在訓(xùn)練序列較短的情況下干擾較大，不能滿碼道工作，所以應(yīng)該與智能天線技術(shù)聯(lián)合使用。

(3)聯(lián)合檢測耗用系統(tǒng)資源，設(shè)備復(fù)雜度增加。

總之，只要合理使用聯(lián)合檢測，并結(jié)合智能天線，選擇適當(dāng)?shù)穆?lián)合檢測算法，將會(huì)對提升TD-SCDMA系統(tǒng)的容量和質(zhì)量起到相當(dāng)大的作用。

聯(lián)合檢測的主要作用如下：

基于訓(xùn)練序列的信道估值；

同時(shí)處理多碼道的干擾抵消。

單獨(dú)采用聯(lián)合檢測會(huì)遇到以下問題：

對小區(qū)間的干擾沒有辦法解決；

信道估計(jì)的不準(zhǔn)確性將影響到干擾消除的效果；

當(dāng)用戶或信道增多時(shí)，算法的計(jì)算量會(huì)非常大，難于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，無論是智能天線還是聯(lián)合檢測，單獨(dú)使用都難以滿足第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求，必須揚(yáng)長避短，將兩種技術(shù)結(jié)合使用。

智能天線和聯(lián)合檢測兩種技術(shù)相合，不等于將兩者簡單地相加。TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術(shù)和聯(lián)合檢測技術(shù)相結(jié)合的方法使得在計(jì)算量未大幅增加的情況下，上行能獲得分集接收的好處，下行能實(shí)現(xiàn)波束賦形TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)相結(jié)合的方法。

聯(lián)合檢測技術(shù)在改善系統(tǒng)性能的同時(shí)還將對降低無線網(wǎng)絡(luò)成本起到很大的作用，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，由于聯(lián)合檢測技術(shù)可以降低干擾，因而提高了系統(tǒng)的容量。特別是對于容量受限的系統(tǒng)來講，將減少基站設(shè)備的個(gè)數(shù)，因而大大降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本。

第二，聯(lián)合檢測技術(shù)可以削弱″遠(yuǎn)近效應(yīng)″的影響，從而降低對功控的復(fù)雜度。這種復(fù)雜度的降低從某種程度上也可以減少對該模塊的投入，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本。

總之，聯(lián)合檢測技術(shù)的優(yōu)越性在于它充分利用了所有和MAI相關(guān)的先驗(yàn)信息，通過與其它先進(jìn)技術(shù)如智能天線技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到相輔相成的效果。它不僅提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能，同時(shí)還降低了網(wǎng)絡(luò)成本。作為TD-SCDMA系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，聯(lián)合檢測技術(shù)必將能給運(yùn)營商帶來極佳的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對每個(gè)用戶的信號分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理，其接收端用一個(gè)和發(fā)送地址碼（波形）相匹配的匹配濾波器（相關(guān)器）來實(shí)現(xiàn)信號分離，在相關(guān)器后直接解調(diào)判決。如果匹配濾波采用的是結(jié)合了信道響應(yīng)的相關(guān)波形，相當(dāng)于是RAKE接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了利用多徑響應(yīng)的作用。這種方法只有在理想正交的情況下，才能完全消除多址干擾的影響，對于非理想正交的情況，必然會(huì)產(chǎn)生多址干擾，從而引起誤碼率的提高。TD-SCDMA系統(tǒng)中采用的聯(lián)合檢測技術(shù)是在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成MAI干擾的所有用戶信號及其多徑的先驗(yàn)信息，把用戶信號的分離當(dāng)作一個(gè)統(tǒng)一的相互關(guān)聯(lián)的聯(lián)合檢測過程來完成，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著地提高系統(tǒng)容量。

一個(gè)CDMA系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型可表示為：e=A*d+n,式中d是發(fā)射的數(shù)據(jù)符號序列，e是接收的數(shù)據(jù)序列，n是噪聲，A是擴(kuò)頻碼c和信道沖激響應(yīng)h有關(guān)的矩陣。聯(lián)合檢測的目的就是根據(jù)上式中的Ａ和ｅ估計(jì)出用戶發(fā)送的原始信號ｄ。Ａ由所有用戶的擴(kuò)頻碼以及信道沖激響應(yīng)決定，因此聯(lián)合檢測算法的前提是能得到所有用戶的擴(kuò)頻碼和信道沖激響應(yīng)。TD‐SCDMA系統(tǒng)中在幀結(jié)構(gòu)中設(shè)置了用來進(jìn)行信沖激響應(yīng)。TDSCDMA系統(tǒng)中在幀結(jié)構(gòu)中設(shè)置了用來進(jìn)行信道估計(jì)的專用訓(xùn)練序列，根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列部分信號和我們已知的專用訓(xùn)練序列就可以估算出信道沖激響應(yīng)，而擴(kuò)頻碼也是確知的，那么我們就可以達(dá)到估計(jì)用戶原始信號ｄ的目的。

聯(lián)合檢測算法的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種，大致分為非線性算法、線性算法和判決反饋算法等三大類。根據(jù)目前的情況，在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用了線性算法中的一種，即迫零線性塊均衡（ZF－BLE）法。

隨著算法和相應(yīng)基帶處理器處理能力的不斷提高，聯(lián)合檢測技術(shù)的優(yōu)勢也會(huì)越來越顯著。經(jīng)過大量的仿真計(jì)算和實(shí)際的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)使用聯(lián)合檢測技術(shù)可以為系統(tǒng)帶來了以下好處：

降低干擾。聯(lián)合檢測技術(shù)的使用可以降低甚至完全消除MAI干擾。

擴(kuò)大容量。聯(lián)合檢測技術(shù)充分利用了MAI的所有用戶信息，使得在相同RAW BER的前提下，所需的接收信號SNR可以大大降低，這樣就大大提高了接收機(jī)性能并增加了系統(tǒng)容量。

削弱“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的影響。由于聯(lián)合檢測技術(shù)能完全消除MAI干擾，因此產(chǎn)生的噪聲量將與干擾信號的接收功率無關(guān)，從而大大減少“遠(yuǎn)近效應(yīng)”對信號接收的影響。

降低功控的要求。由于聯(lián)合檢測技術(shù)可以削弱“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的影響，從而降低對功控模塊的要求，簡化功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過檢測，功率控制的復(fù)雜性可降低到類似于GSM的常規(guī)無線移動(dòng)系統(tǒng)的水平。

聯(lián)合檢測技術(shù)已成功的應(yīng)用于TD-SCDMA系統(tǒng)，該技術(shù)在TD-SCDMA系統(tǒng)中的成熟性和可應(yīng)用性是沒有問題的。