陳 敏，王 萍

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

面向過(guò)載系統(tǒng)的多用戶連接與檢測(cè)技術(shù)比較

陳 敏，王 萍

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

針對(duì)過(guò)載系統(tǒng)中的多用戶調(diào)制與檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析和比較，首先主要分析和比較發(fā)送端多址技術(shù)和接收端檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，最后分析其優(yōu)缺點(diǎn).

過(guò)載系統(tǒng)； 多址接入； 多用戶檢測(cè)

多輸入多輸出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)和正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作為第四代通信的基本技術(shù)，可以提高系統(tǒng)容量并獲得復(fù)用增益(或分集增益).而與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，多用戶MIMO可以顯著提高吞吐量，尤其是在非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中，當(dāng)基站的天線數(shù)目超過(guò)每個(gè)終端的天線數(shù)目的情況.大多數(shù)情況都是假定在基站的接收天線數(shù)大于或等于所有用戶的發(fā)送天線總和，但并不一定是一個(gè)嚴(yán)格的限制，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)大量的用戶(如繁忙的商業(yè)中心)，從而導(dǎo)致過(guò)載系統(tǒng).過(guò)載情況發(fā)生在用于發(fā)送獨(dú)立數(shù)據(jù)的發(fā)射機(jī)的時(shí)空自由度的數(shù)目超過(guò)了接收機(jī)的自由度的數(shù)目.在沒(méi)有擴(kuò)頻的系統(tǒng)中，意味著從所有用戶終端發(fā)送的獨(dú)立數(shù)據(jù)流的總數(shù)超過(guò)基站接收天線的數(shù)目.過(guò)載系數(shù)為發(fā)送天線數(shù)K與接收天線數(shù)N之比，即K/N，過(guò)載的含義就是接收到的信號(hào)相關(guān)的矩陣是非滿秩，因此不能求逆.

上述過(guò)載含義不包括碼分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)系統(tǒng)，其發(fā)射天線的數(shù)量通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收天線，由于擴(kuò)頻的使用，導(dǎo)致頻譜的擴(kuò)展通常是大于用戶的數(shù)量.在CDMA系統(tǒng)中，在接收機(jī)處可用的自由度數(shù)目隨擴(kuò)頻比增加，因此發(fā)送天線的數(shù)目可以大于接收天線數(shù)目，用戶通過(guò)解擴(kuò)進(jìn)行分離，而不構(gòu)成過(guò)載系統(tǒng).因此，對(duì)于CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其過(guò)載系統(tǒng)的定義就是當(dāng)使用擴(kuò)頻后，頻譜的擴(kuò)展小于用戶的數(shù)量.如果接收天線數(shù)為1(為了不失一般性，如果沒(méi)有具體說(shuō)明，接收天線都默認(rèn)為1)，過(guò)載系數(shù)為用戶數(shù)K與擴(kuò)頻增益N之比，也是K/N.

對(duì)于多用戶檢測(cè)(MUD，Multiuser Detection)，研究人員已經(jīng)提出很多種檢測(cè)方法，可以歸類(lèi)為線性和非線性2種.線性代表性算法：迫零法(ZF，Zero Forcing)和最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)；非線性包含了最優(yōu)檢測(cè)算法：最大似然(ML，Maximum Likelihood)和最大后驗(yàn)概率(MAP，Maximum a Posteriori)及其推導(dǎo).對(duì)于過(guò)載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于信號(hào)相關(guān)矩陣非滿秩，線性算法雖然復(fù)雜度低卻無(wú)法在此情況下獲得較好的性能.最優(yōu)算法雖然性能好，但其復(fù)雜度卻隨用戶數(shù)量K呈指數(shù)增長(zhǎng).其他非線性算法如串行干擾消除(SIC，Success Interference Cancellation)、并行干擾消除(PIC，Parallel Interference Cancellation)和分層空時(shí)(BLAST，Bell Laboratories Layered Space-Time)算法直接用在過(guò)載系統(tǒng)結(jié)果也不盡人意.在5G時(shí)代，為了追求更高的頻譜效率、更快的數(shù)據(jù)速率和更大的信道容量，支持海量設(shè)備連接，對(duì)于過(guò)載系統(tǒng)的研究非常有必要.

從3G的CDMA到5G的非正交多址接入(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)載的技術(shù)方案大致可以分為2類(lèi)：針對(duì)發(fā)送端的多址接入技術(shù)和針對(duì)接收端的檢測(cè)技術(shù).

1 發(fā)送端多址接入技術(shù)

通過(guò)在發(fā)送端的調(diào)制技術(shù)使多個(gè)用戶在相同時(shí)頻資源上疊加發(fā)送實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過(guò)載，且為接收端的檢測(cè)提供依據(jù).針對(duì)發(fā)送端的多址接入技術(shù)可以從碼域調(diào)制、功率域調(diào)制、和多域聯(lián)合調(diào)制等方面進(jìn)行劃分.

1.1碼域調(diào)制碼域調(diào)制在CDMA系統(tǒng)中，主要利用擴(kuò)頻序列或擴(kuò)展簽名使信號(hào)頻譜擴(kuò)展以減小符號(hào)間干擾(ISI，Inter Symbol interference)或多址干擾(MAI，Multiple Access Interference)，接收端利用最優(yōu)化檢測(cè)通過(guò)解擴(kuò)實(shí)現(xiàn)多用戶的識(shí)別檢測(cè).

1.1.1 最佳擴(kuò)頻序列在符號(hào)同步非編碼CDMA系統(tǒng)中，最優(yōu)序列為正交，可以通過(guò)Gram-Schmidt算法來(lái)構(gòu)建.但對(duì)于過(guò)載情況，即用戶數(shù)大于擴(kuò)頻增益時(shí)，此算法沒(méi)有辦法得到正交序列.Welch[1]提出了一個(gè)邊界等式，即Welch-bound-equality(WBE)，滿足此等式即可獲得最佳序列[2]，因?yàn)槠渥畲笙薅鹊販p小了MAI的方差.

另一種可以處理過(guò)載情況的擴(kuò)頻技術(shù)是正交子集層[3]，通過(guò)由正交集和不完全正交集共同構(gòu)成最佳簽名集，此簽名集是準(zhǔn)可擴(kuò)展的.另外，也可以通過(guò)利用反饋共同優(yōu)化序列和接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展序列的優(yōu)化[4].

1.1.2 交織多址接入交織多址接入[5](IDMA，Interleave Division Multiple Access)與CDMA不同，不是通過(guò)不同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行用戶識(shí)別，而是給每個(gè)用戶分配一個(gè)獨(dú)特的交織器以此來(lái)區(qū)分用戶，無(wú)需使用擴(kuò)頻碼.結(jié)合低碼率的信道編碼，接收端可以使用低復(fù)雜度的多用戶檢測(cè)技術(shù)—基本信號(hào)估計(jì)[5](ESE，Elementary Signal Estimator).IDMA中使用的低碼率信道編碼，是由卷積碼和重復(fù)碼構(gòu)成，接收機(jī)的性能會(huì)依賴(lài)于所使用的卷積碼，其中重復(fù)碼的重復(fù)率為N，則過(guò)載率為K/N.重復(fù)碼的使用是為了區(qū)分用戶而給信號(hào)增加冗余但不提供任何編碼增益.

1.1.3 低密度擴(kuò)頻序列傳統(tǒng)的CDMA擴(kuò)頻序列元素全都是非零的，接收到的信號(hào)的每個(gè)采樣都是所有用戶的信號(hào)之和，即每個(gè)用戶都受到所有其他用戶的干擾.如果序列的互相關(guān)矩陣遵循一定的格式，最優(yōu)化檢測(cè)雖然可以降低一些復(fù)雜度(如樹(shù)檢測(cè)器[3])，但與線性檢測(cè)器相比復(fù)雜度還是非常高.

與最優(yōu)化擴(kuò)頻序列不同，低密度擴(kuò)頻序列[6](LDS，Low Density Signature)允許零元素存在，使接收端可以利用碼字的稀疏性采用較低復(fù)雜度的消息傳遞算法[6](MPA，Message Passing Algorithm)或SIC接收機(jī)進(jìn)行多用戶識(shí)別檢測(cè).

LDS的設(shè)計(jì)思想就是改變每個(gè)用戶所受到的干擾，在LDS指標(biāo)矩陣(N×K)中，其縱列的非零元素個(gè)數(shù)dv對(duì)應(yīng)的是第k個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)重復(fù)次數(shù)，其橫排的非零元素個(gè)數(shù)dc對(duì)應(yīng)的是第n個(gè)接收端中所包含的用戶數(shù).假設(shè)K=16，N=12，那么只要dv=3，dc=4就可以實(shí)現(xiàn)133%的過(guò)載.接收端使用的MPA算法，其復(fù)雜度是隨dv呈指數(shù)增長(zhǎng)，而不是K，與MAP相比復(fù)雜度大大降低.

1.2功率域調(diào)制功率域非正交多址接入[7，20](PNOMA，Power-domain Non-Orthogonal Multiple Access)是目前業(yè)界提出的5G網(wǎng)絡(luò)非正交多址接入技術(shù)的一種，即通過(guò)功率域?qū)Χ鄠€(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行線性疊加以提升系統(tǒng)的頻譜效率和用戶接入能力的技術(shù).PNOMA技術(shù)是根據(jù)信道條件，對(duì)每個(gè)用戶賦予不同強(qiáng)度的發(fā)射功率，而接收端則是利用SIC接收機(jī)先解調(diào)發(fā)射功率最強(qiáng)的信號(hào)，將其從接收信號(hào)中減去后，再解調(diào)發(fā)射功率第二強(qiáng)的信號(hào)，如此逐次檢測(cè)出所有的用戶.

1.3多域聯(lián)合調(diào)制

1.3.1 稀疏碼多址接入面向5G網(wǎng)絡(luò)所提的稀疏碼分多址接入[8，16](SCMA，Sparse Code Multiple Access)就是利用LDS擴(kuò)頻技術(shù)和多維調(diào)制技術(shù)為用戶選擇最優(yōu)的碼本集合.每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)于不同的碼本，在發(fā)送端進(jìn)行非正交疊加后傳輸，接收端則利用碼本特性和MPA進(jìn)行相對(duì)較低復(fù)雜度的多用戶的檢測(cè)識(shí)別.

1.3.2 多用戶共享接入發(fā)送端使用低互相關(guān)的復(fù)數(shù)域多元碼序列進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，并在接收端使用SIC接收機(jī)進(jìn)行多用戶檢測(cè)的是5G非正交多址接入技術(shù)中的多用戶共享接入[9，18](MUSA，Multi-User Shared Access)技術(shù).在MUSA中，每個(gè)用戶會(huì)隨機(jī)分配到不同的復(fù)數(shù)域多元碼序列，接收機(jī)利用SIC技術(shù)來(lái)進(jìn)行用戶分離，因此擴(kuò)展序列會(huì)直接影響MUSA的性能和接收機(jī)復(fù)雜度[9].

1.3.3 圖樣分割多址接入圖樣分割多址接入[10](PDMA，Pattern Division Multiple Access)是在碼域、空間域和功率域上聯(lián)合調(diào)制的技術(shù).在發(fā)送端增加了圖樣映射模塊，利用特征圖樣進(jìn)行區(qū)分用戶，接收端增加圖樣檢測(cè)模塊使用SIC接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè).

2 接收端檢測(cè)技術(shù)

不管是過(guò)載系統(tǒng)還是非過(guò)載系統(tǒng)，發(fā)送端如何調(diào)制，最優(yōu)檢測(cè)如ML，MAP都可以獲得極佳的性能，其復(fù)雜度與用戶數(shù)量K呈指數(shù)關(guān)系.在面對(duì)海量用戶接入的5G通信，最優(yōu)檢測(cè)由于復(fù)雜度太高而不適合，因此需要研究使用較低復(fù)雜度的檢測(cè)技術(shù).

2.1串行干擾消除SIC接收機(jī)首先檢測(cè)最強(qiáng)的用戶，然后重建該用戶的信號(hào)，并從接收信號(hào)中減去此信號(hào).若此用戶的信號(hào)能被相對(duì)準(zhǔn)確地減去，那么所得到的是剩余用戶的信號(hào).依次重復(fù)上述的過(guò)程，直到檢測(cè)出最后一個(gè)用戶.無(wú)論是上行還是下行，基于SIC的多用戶檢測(cè)理論上都能夠達(dá)到香農(nóng)容量的極限[14].但是只有當(dāng)每個(gè)用戶信號(hào)之間有著明顯的功率差，SIC的性能較好.如果用戶的功率電平大致相等，SIC的性能較差.由于誤差傳播的關(guān)系，SIC的性能高度依賴(lài)于第一次檢測(cè)結(jié)果的反饋.應(yīng)第一次反饋的結(jié)果比較可靠，那么其最終性能就好；若第一次反饋結(jié)果不可靠，則由于誤差的傳播最終性能糟糕.同時(shí)，串行檢測(cè)對(duì)于海量用戶來(lái)說(shuō)，會(huì)存在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的處理延遲.因此，對(duì)于傳統(tǒng)的多址接入技術(shù)，使用SIC接收機(jī)一般性能不佳，但對(duì)于在功率域上有調(diào)控的PNOMA，MUSA和PDMA，可以使用SIC接收機(jī)進(jìn)行多用戶檢測(cè)并獲得相對(duì)較好的性能.

2.2基本信號(hào)估計(jì)ESE是基于IDMA提出的一種比特級(jí)檢測(cè)算法，能夠較好地識(shí)別多用戶信號(hào).由于針對(duì)每個(gè)用戶都有隨機(jī)交織器的使用，使得相鄰比特近似于非相關(guān)，ESE采用高斯近似的處理方法，將干擾信號(hào)與噪聲信號(hào)之和看作是隨機(jī)變量，并針對(duì)每一個(gè)比特進(jìn)行逐比特的檢測(cè).基于IDMA的過(guò)載系統(tǒng)，其過(guò)載系數(shù)是用戶數(shù)與重復(fù)碼的碼率之比.使用ESE能夠較好地檢測(cè)出所有用戶的信號(hào)，其過(guò)載系數(shù)在1.75左右[11]，比迭代干擾檢測(cè)(IIC，Iterative Interference Cancellation)技術(shù)所能承載的用戶數(shù)要小的多.

2.3迭代干擾消除IIC[12]是一種迭代循環(huán)檢測(cè)算法，首先利用最大比合并(MRC，Maximum Ratio Combining)顯示了每個(gè)用戶的干擾重建，并在下一次迭代中用于消除估計(jì)的干擾.對(duì)數(shù)似然比(LLR，Log-likelihood Ratio)轉(zhuǎn)換器，利用信道條件計(jì)算一個(gè)縮放系數(shù)用來(lái)調(diào)整MRC輸出的大小.轉(zhuǎn)換器的輸出提供給解碼器，輸出LLR后轉(zhuǎn)為軟估計(jì)值.通過(guò)PIC檢測(cè)器，用軟估計(jì)值重構(gòu)干擾信號(hào)，再反饋到MRC處消除，進(jìn)入第二次迭代檢測(cè)，MRC的輸出不斷更新，LLR的值也因此不斷更新，通過(guò)多次迭代后最終輸出可靠的檢測(cè)結(jié)果.IIC的復(fù)雜度與ESE相當(dāng)，性能比ESE好的多，幾乎可以接近最優(yōu)檢測(cè)，但不能像最優(yōu)檢測(cè)一樣，適用于所有場(chǎng)景.如果發(fā)送端沒(méi)有使用IDMA，IIC會(huì)出現(xiàn)誤差層[12].

2.4分組多用戶檢測(cè)分組多用戶檢測(cè)[13](GMUD，Group Multiuser Detection)是一種改進(jìn)的線性檢測(cè)器，也稱(chēng)為線性共軛檢測(cè)器或?qū)捑€性檢測(cè)器，包括分組偽解相關(guān)器和分組MMSE檢測(cè)器.分組偽解相關(guān)器專(zhuān)門(mén)用于在期望信號(hào)和干擾信號(hào)子空間線性無(wú)關(guān)時(shí)分組解相關(guān)，是關(guān)于分組解相關(guān)器的正確擴(kuò)展，也是分組MMSE檢測(cè)器在低噪聲情況下的極限形式.在低噪聲情況，分組MMSE檢測(cè)器所需的信號(hào)與干擾信號(hào)子空間的交集維數(shù)大于或等于零，不論信號(hào)空間的幾何形狀如何，分組MMSE檢測(cè)器都會(huì)收斂到分組偽解相關(guān)器形式.分組多用戶檢測(cè)利用判決反饋機(jī)制，在某種程度上可以被用于過(guò)載系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)信號(hào)是線性無(wú)關(guān)的，分組檢測(cè)器收斂.

2.5消息傳遞算法消息傳遞算法[6，17](MPA，Message Passing Algorithms)通常被LDPC碼用來(lái)作為譯碼算法，是一種基于因子圖的迭代譯碼算法.在每次迭代時(shí)，節(jié)點(diǎn)的置信消息需要在變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間傳遞更新，直到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù).整個(gè)譯碼過(guò)程就是因子圖去邊的過(guò)程，由較少的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)還原出較多的信息節(jié)點(diǎn)，算法的線性復(fù)雜度由因子圖的稀疏性保證.

3 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)載方案比較

對(duì)于不同的系統(tǒng)過(guò)載方案，包括CDMA系統(tǒng)、PNOMA系統(tǒng)、IDMA系統(tǒng)、SCMA系統(tǒng)、MUSA系統(tǒng)和PDMA系統(tǒng)，進(jìn)行了比較.針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)面臨海量用戶接入所提出的非正交多址接入方案，其主要優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)榉钦唤尤攵岣吡祟l譜利用率和吞吐量，但其缺點(diǎn)也較明顯，如表1所示.通信系統(tǒng)的性能與其復(fù)雜度一直是一個(gè)權(quán)衡問(wèn)題，性能好，相對(duì)的復(fù)雜度就高.

表1 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)海量接入(過(guò)載)的方案性能比較

表1給出了上行的IDMA系統(tǒng)與MUSA系統(tǒng)、PDMA系統(tǒng)和SCMA系統(tǒng)的性能比較.從表1可知，性能較好而復(fù)雜度又較低的是IDMA系統(tǒng)利用IIC進(jìn)行多用戶檢測(cè)識(shí)別.PNOMA系統(tǒng)在上行時(shí)需要多用戶調(diào)度來(lái)提高其性能[7]，因此不做比較.

圖1 相同過(guò)載系數(shù)(1.5)下的MUSA，PDMA，SCMA，IDMA的BER性能比較

假設(shè)都是瑞利信道，使用QPSK調(diào)制，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)150%的過(guò)載率，即過(guò)載系數(shù)為1.5.對(duì)于MUSA，PDMA和SCMA，傳輸碼元數(shù)為6，正交資源數(shù)為4(發(fā)送天線6，接收天線4).對(duì)于IDMA系統(tǒng)，發(fā)送天線為6，接收天線為1，實(shí)現(xiàn)IDMA的重復(fù)碼率為1/4，所以最終的過(guò)載系數(shù)也為1.5.MUSA的擴(kuò)頻序列是由偽隨機(jī)序列產(chǎn)生，其實(shí)部和虛部都來(lái)自{-1，0，1}；PDMA中非正交的圖樣設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[15]；SCMA的碼本設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[8]；IDMA系統(tǒng)的仿真參照文獻(xiàn)[11].如圖1所示，在相同的過(guò)載系數(shù)下，單從比特誤碼率(BER，Bit Error Rate)比較，性能最好的是IDMA-IIC，接下來(lái)依次是IDMA-ESE，SCMA，PDMA，MUSA.此處只是粗略地比較，評(píng)判一個(gè)系數(shù)是否優(yōu)劣是要從吞吐量、頻譜利用率、運(yùn)行速度、BER性能和硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等等許多方面考慮，因此接下來(lái)的工作目標(biāo)是對(duì)4個(gè)系統(tǒng)方案的性能進(jìn)行更為詳細(xì)的比較.

4 小 結(jié)

針對(duì)系統(tǒng)過(guò)載方案進(jìn)行了分析與比較，在碼域?qū)崿F(xiàn)多址接入，并利用擴(kuò)展序列區(qū)分用戶有CDMA和IDMA系統(tǒng)，其中IDMA-IIC性能可以接近最佳性能且系統(tǒng)復(fù)雜度較低.PNOMA，SCMA，MUSA和PDMA4種非正交接入都可以提高頻譜效率，其中PNOMA技術(shù)簡(jiǎn)單，SCMA由于碼本設(shè)計(jì)上的靈活性和可適用場(chǎng)景的多樣性應(yīng)用潛力很大，MUSA和PDMA檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)海量用戶接入，其相應(yīng)的低互相關(guān)復(fù)數(shù)多元碼序列和特征圖樣需要不斷優(yōu)化設(shè)計(jì).

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ComparisonofMultiuserConnectionandDetectionforOverloadedSystems

Chen Min, Wang Ping

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, the multiuser connection and detection technologies for overloaded system were studied and compared. The transmitter multiple access and receiver detection technologies were analyzed and compared. The principles of these technologies were introduced, and their advantages and disadvantages were analyzed.

overloaded systems; Multiple Access; Multiuser Detection

2017-06-13

海南省自然科學(xué)基金(20166215)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61501151，61661018)；海南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究(Hnky2016ZD-5)；海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(ZDYF2016010)

陳敏(1987-)，男，福建莆田人，講師，博士，研究方向：信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)，E-mail：chenmin@hainu.edu.cn

王萍(1979-)，女，陜西大荔人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：電子電路和移動(dòng)通信，E-mail：bobyhd@163.com

1004-1729(2017)04-0316-06

TN 911.23

ADOl

10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0049