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頻序列時延幅度和相位信息時各用戶進行聯(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頻碼如果沒有嚴格正交，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，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，強功率用戶的信號會抑制弱功率用戶的信號，系統(tǒng)性能嚴重弱化，即所謂的遠近效應(yīng)，因此抑制MAI和遠近效應(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頻序列時延幅度和相位信息對各用戶進行聯(lián)合檢測，從總體上提高各用戶的性能。它解決了遠近效應(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)上進行仿真分析。仿真結(jié)果表明該方案在運算復雜性和系統(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，導致在進行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)來進行分組，分組依據(jù)下面的不等式組(其中GMC為擴頻碼長)
   
    如果u∈U1，認為非常可靠，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行PIC運算時引用。如果u∈U2，認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行PIC運算時引用。
    如果u∈U3，認為十分不可靠，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行PIC運算時引用。

    如表1所示，U1組內(nèi)的用戶不用再做PIC，U3組內(nèi)的用戶不再進行重構(gòu)，只有U2組內(nèi)的用戶進行常規(guī)的PIC檢測。所以S-PIC在PIC的基礎(chǔ)上，大大降低了接收機的計算復雜度。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。當信噪比達到某值時，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頻序列時延幅度和相位信息對各用戶進行聯(lián)合檢測，抑制MAI和遠近效應(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)的運算復雜性越來越高，因此，在實際應(yīng)用中，進行到三級PIC即可。