联合检测

通信领域术语

传统的接收技术是针对某一用户进行信号检测而把其他用户作为噪声加以处理，在用户数增多时，导致了信噪比恶化，系统性能和容量都不如人意。联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号及其多径的先验信息(信号之间的相关性时已知的：如确知的用户信道码，各用户的信道估计)，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，并削弱了“远近效应”的影响。

联合检测技术简介

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。

多小区联合检测

目前，联合检测的范围从最初的单小区发展到多小区。在TD-SCDMA系统中，相邻小区的业务可采用相同的频点，只根据扰码进行区分，这样同频小区间干扰成为不得不考虑的问题。同频干扰在小区交接带比较严重，导致系统性能恶化和系统容量降低。对于小区间MAI，单小区算法只是单纯地把它们看作无法消除的干扰即白噪声来处理，这就减少了先验信息量，降低了解调门限。而要利用这些先验信息完成多小区联合检测，则需要得到相邻小区的完整的结构化信息，包括扰码、信道响应、扩频系数和扩频码。

多小区联合检测是在单小区联合检测的基础之上，将邻小区的用户或者码道信息也纳入到联合检测的方程组中，然后将相邻同频小区的用户干扰也进行消除。它是先通过多小区信道估计，得到各小区用户的对应信道响应，再利用联合检测将这些用户解调。应用多小区联合检测，干扰抑制效果得到很大提升，在小区边界效果更明显。在单小区检测算法的基础上，多小区联合检测需要增加多小区信道估计和多小区联合检测部分，对设备的计算能力要求更高。

联合检测的优缺点分析

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。