联合检测

联合检测(JD，JointDetection)是多用户检测(Multi-UserDetection)的一种。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测技术和多用户检测技术两种。在实际的CDMA移动通信系统中，存在多址干扰(MAI)，这是由于各个用户信号之间存在一定的相关性。由个别用户产生的MAI固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声一样的干扰，导致信噪比严重恶化，系统容量也随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术称为单用户检测(Single-UserDetection)。而联合检测则充分利用MAI，一次性将所有用户的信号都分离出来。

有K个用户的典型多址接入系统的连续时间传递模型可以由图1表示。

图1 多址接入系统连续时间传递模型

对用户k而言，接收机收到的总信号可以表示为式(2-1)，即

(2-1)

式(2-1)中，表示加性噪声，用户k发送的信号经过空中信道后到达接收机时可用式(2-2)表示，即

(2-2)

式(2-2)中，表示用户k发出的信号;τmax表示由多径传播造成的最大时延，冲激响应表示空间信道特性。在采用线性码片调制方案的CDMA系统中，可表示为

(2-3)

式(2-3)中，表示用户发送的数据符号，N是用户发送的符号数目;表示码片值，Q是扩谱系数。式(2-3)可表示成矩阵A和向量d相乘的形式，即 e=Ad+n (2-4)

这就是TD-SCDMA系统多址接入的矩阵和向量表达方式，联合检测的目的就是根据式(2-4)中的A和e估计出用户发送的d。

由于A由K个用户的扩频码及信道冲激响应决定，因此联合检测算法的前提是能得到所有用户的扩频码和信道冲激响应。为了给联合检测算法提供信道估计，在TD-SCDMA系统的突发结构中专门定义了训练序列Midamble，如图2所示。

图2TD-SCDMA系统突发结构

工作在同一时隙的所有用户使用基本Midamble码(128chip)经循环移位后产生，根据接收的Midamble部分和已知的Midamble码，就可以估计出信道冲激响应。

联合检测算法可以分为3类:非线性算法、线性算法、判决反馈算法。非线性算法主要有最大似然序列估计，该算法具有极高的复杂度，在要求实时性的移动通信系统中难以应用。判决反馈算法是在线性算法基础上经过一定的扩展得到的，有迫零判决反馈均衡器(ZF-BDFE)算法和最小均方误差判决反馈均衡器(MMSE-BDFE)算法，它们的计算复杂度较大。实际应用中，常采用线性算法。

线性算法首先用线性块均衡器对接收信号进行检测，得到K个用户发送符号的连续值估计。然后用K个量化器对这些连续值估计进行量化，得到对用户发送符号的离散值估计。根据准则的不同，线性联合检测算法大致可以分为解相关匹配滤波器(DMF)法、迫零线性均衡(ZF-BLE)法和最小均方误差线性块均衡(MMSE-BLE)法3种。

匹配滤波器难以消除多用户干扰。ZF-BLE算法与MMSE-BLE算法性能相近，都不同程度地消除了多用户干扰，改善了系统的性能，但后者要好一些。主要原因就在于MMSE-BLE考虑了噪声的影响，加入噪声的方差估计，增加了其运算复杂度。所以在TD-SCDMA系统中采用ZF-BLE算法。ZF-BLE的核心思想是迫零滤波，它能够解决ISI和MAI造成干扰的问题。

CDMA系统的主要干扰是同频干扰，包括由于无线通信信道的时变性和多径效应形成的小区内部干扰和其他同频小区间信号造成的小区间干扰。联合检测充分利用MAI，把所有用户信号当作有用的信号来对待，而不是看作干扰信号，从而都分离出来。基于这种理论和技术，联合检测可以为移动通信系统带来以下几方面的好处。

(1)不再将多址干扰作为噪声，其效果优于传统的Rake接收机。

(2)采用结合智能天线和联合检测技术的时空联合检测算法和时空域滤波器，可大大提高接收机的灵敏度，系统抗干扰能力增强，有助于同频组网。

(3)充分利用MAI的所有用户信息，使得在相同误码率的前提下，降低SNR(SignaltoNoiseRatio)的接收要求，大大提高了接收机性能并增加了系统容量。在理想情况下可以使系统容量提高2.8倍，这意味着具有更高的频谱利用率。

(4)降低用户设备(UE)的发射功率，提高UE的待机及通话时间，同时降低了设备成本和故障率。

(5)具有克服"远近效应"的能力，对功率控制的要求比用Rake接收机的方法低。由于联合检测技术能消除MAI干扰，因此产生的噪声量将与干扰信号的接收功率无关，从而大大减少"远近效应"对信号接收的影响。

与此同时，联合检测也存在着以下缺点。

(1)由于算法对噪声有扩散作用，因此抗白噪声能力较差。

(2)抗多址干扰能力不强，尤其在训练序列较短的情况下干扰较大，不能满码道工作，所以应该与智能天线技术联合使用。

(3)联合检测耗用系统资源，设备复杂度增加。

总之，只要合理使用联合检测，并结合智能天线，选择适当的联合检测算法，将会对提升TD-SCDMA系统的容量和质量起到相当大的作用。

联合检测的主要作用如下：

基于训练序列的信道估值；

同时处理多码道的干扰抵消。

单独采用联合检测会遇到以下问题：

对小区间的干扰没有办法解决；

信道估计的不准确性将影响到干扰消除的效果；

当用户或信道增多时，算法的计算量会非常大，难于实时实现。

综上所述，无论是智能天线还是联合检测，单独使用都难以满足第三代移动通信系统的要求，必须扬长避短，将两种技术结合使用。

智能天线和联合检测两种技术相合，不等于将两者简单地相加。TD-SCDMA系统中智能天线技术和联合检测技术相结合的方法使得在计算量未大幅增加的情况下，上行能获得分集接收的好处，下行能实现波束赋形TD-SCDMA系统智能天线和联合检测技术相结合的方法。

联合检测技术在改善系统性能的同时还将对降低无线网络成本起到很大的作用，这主要体现在以下几个方面。

第一，由于联合检测技术可以降低干扰，因而提高了系统的容量。特别是对于容量受限的系统来讲，将减少基站设备的个数，因而大大降低整个网络的成本。

第二，联合检测技术可以削弱″远近效应″的影响，从而降低对功控的复杂度。这种复杂度的降低从某种程度上也可以减少对该模块的投入，从而降低整个网络的成本。

总之，联合检测技术的优越性在于它充分利用了所有和MAI相关的先验信息，通过与其它先进技术如智能天线技术相结合，达到相辅相成的效果。它不仅提高了频率的利用率，改善了系统性能，同时还降低了网络成本。作为TD-SCDMA系统的一个重要组成部分，联合检测技术必将能给运营商带来极佳的经济效益。

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，其接收端用一个和发送地址码（波形）相匹配的匹配滤波器（相关器）来实现信号分离，在相关器后直接解调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形，相当于是RAKE接收机，实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理想正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响，对于非理想正交的情况，必然会产生多址干扰，从而引起误码率的提高。TD-SCDMA系统中采用的联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成MAI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。

一个CDMA系统的离散数学模型可表示为：e=A*d+n,式中d是发射的数据符号序列，e是接收的数据序列，n是噪声，A是扩频码c和信道冲激响应h有关的矩阵。联合检测的目的就是根据上式中的Ａ和ｅ估计出用户发送的原始信号ｄ。Ａ由所有用户的扩频码以及信道冲激响应决定，因此联合检测算法的前提是能得到所有用户的扩频码和信道冲激响应。TD‐SCDMA系统中在帧结构中设置了用来进行信冲激响应。TDSCDMA系统中在帧结构中设置了用来进行信道估计的专用训练序列，根据接收到的训练序列部分信号和我们已知的专用训练序列就可以估算出信道冲激响应，而扩频码也是确知的，那么我们就可以达到估计用户原始信号ｄ的目的。

联合检测算法的具体实现方法有多种，大致分为非线性算法、线性算法和判决反馈算法等三大类。根据目前的情况，在TD-SCDMA系统中采用了线性算法中的一种，即迫零线性块均衡（ZF－BLE）法。

随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高，联合检测技术的优势也会越来越显著。经过大量的仿真计算和实际的现场实验，我们发现使用联合检测技术可以为系统带来了以下好处：

降低干扰。联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除MAI干扰。

扩大容量。联合检测技术充分利用了MAI的所有用户信息，使得在相同RAW BER的前提下，所需的接收信号SNR可以大大降低，这样就大大提高了接收机性能并增加了系统容量。

削弱“远近效应”的影响。由于联合检测技术能完全消除MAI干扰，因此产生的噪声量将与干扰信号的接收功率无关，从而大大减少“远近效应”对信号接收的影响。

降低功控的要求。由于联合检测技术可以削弱“远近效应”的影响，从而降低对功控模块的要求，简化功率控制系统的设计。通过检测，功率控制的复杂性可降低到类似于GSM的常规无线移动系统的水平。

联合检测技术已成功的应用于TD-SCDMA系统，该技术在TD-SCDMA系统中的成熟性和可应用性是没有问题的。