聯合檢測

聯合檢測（JD，JointDetection）是多用户檢測（Multi-UserDetection）的一種。CDMA系統中多個用户的信號在時域和頻域上是混疊的，接收時需要在數字域上用一定的信號分離方法把各個用户的信號分離開來。信號分離的方法大致可以分為單用户檢測技術和多用户檢測技術兩種。在實際的CDMA移動通信系統中，存在多址干擾（MAI），這是由於各個用户信號之間存在一定的相關性。由個別用户產生的MAI固然很小，可是隨着用户數的增加或信號功率的增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統的一個主要干擾。傳統的CDMA系統信號分離方法是把MAI看作熱噪聲一樣的干擾，導致信噪比嚴重惡化，系統容量也隨之下降。這種將單個用户的信號分離看作是各自獨立的過程的信號分離技術稱為單用户檢測（Single-UserDetection）。而聯合檢測則充分利用MAI，一次性將所有用户的信號都分離出來。

有K個用户的典型多址接入系統的連續時間傳遞模型可以由圖1表示。

圖1 多址接入系統連續時間傳遞模型

對用户k而言，接收機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，用户k發送的信號經過空中信道後到達接收機時可用式（2-2）表示，即

（2-2）

式（2-2）中，表示用户k發出的信號；τmax表示由多徑傳播造成的最大時延，衝激響應表示空間信道特性。在採用線性碼片調製方案的CDMA系統中，可表示為

（2-3）

式（2-3）中，表示用户發送的數據符號，N是用户發送的符號數目；表示碼片值，Q是擴譜系數。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系統多址接入的矩陣和向量表達方式，聯合檢測的目的就是根據式（2-4）中的A和e估計出用户發送的d。

由於A由K個用户的擴頻碼及信道衝激響應決定，因此聯合檢測算法的前提是能得到所有用户的擴頻碼和信道衝激響應。為了給聯合檢測算法提供信道估計，在TD-SCDMA系統的突發結構中專門定義了訓練序列Midamble，如圖2所示。

圖2TD-SCDMA系統突發結構

工作在同一時隙的所有用户使用基本Midamble碼（128chip）經循環移位後產生，根據接收的Midamble部分和已知的Midamble碼，就可以估計出信道衝激響應。

聯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，該算法具有極高的複雜度，在要求實時性的移動通信系統中難以應用。判決反饋算法是在線性算法基礎上經過一定的擴展得到的，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，它們的計算複雜度較大。實際應用中，常採用線性算法。

線性算法首先用線性塊均衡器對接收信號進行檢測，得到K個用户發送符號的連續值估計。然後用K個量化器對這些連續值估計進行量化，得到對用户發送符號的離散值估計。根據準則的不同，線性聯合檢測算法大致可以分為解相關匹配濾波器（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户干擾。ZF-BLE算法與MMSE-BLE算法性能相近，都不同程度地消除了多用户干擾，改善了系統的性能，但後者要好一些。主要原因就在於MMSE-BLE考慮了噪聲的影響，加入噪聲的方差估計，增加了其運算複雜度。所以在TD-SCDMA系統中採用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。

目前，聯合檢測的範圍從最初的單小區發展到多小區。在TD-SCDMA系統中，相鄰小區的業務可採用相同的頻點，只根據擾碼進行區分，這樣同頻小區間干擾成為不得不考慮的問題。同頻干擾在小區交接帶比較嚴重，導致系統性能惡化和系統容量降低。對於小區間MAI，單小區算法只是單純地把它們看作無法消除的干擾即白噪聲來處理，這就減少了先驗信息量，降低了解調門限。而要利用這些先驗信息完成多小區聯合檢測，則需要得到相鄰小區的完整的結構化信息，包括擾碼、信道響應、擴頻係數和擴頻碼。

多小區聯合檢測是在單小區聯合檢測的基礎之上，將鄰小區的用户或者碼道信息也納入到聯合檢測的方程組中，然後將相鄰同頻小區的用户干擾也進行消除。它是先通過多小區信道估計，得到各小區用户的對應信道響應，再利用聯合檢測將這些用户解調。應用多小區聯合檢測，干擾抑制效果得到很大提升，在小區邊界效果更明顯。在單小區檢測算法的基礎上，多小區聯合檢測需要增加多小區信道估計和多小區聯合檢測部分，對設備的計算能力要求更高。

CDMA系統的主要干擾是同頻干擾，包括由於無線通信信道的時變性和多徑效應形成的小區內部干擾和其他同頻小區間信號造成的小區間干擾。聯合檢測充分利用MAI，把所有用户信號當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。基於這種理論和技術，聯合檢測可以為移動通信系統帶來以下幾方面的好處。

（1）不再將多址干擾作為噪聲，其效果優於傳統的Rake接收機。

（2）採用結合智能天線和聯合檢測技術的時空聯合檢測算法和時空域濾波器，可大大提高接收機的靈敏度，系統抗干擾能力增強，有助於同頻組網。

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

（4）降低用户設備（UE）的發射功率，提高UE的待機及通話時間，同時降低了設備成本和故障率。

（5）具有克服“遠近效應”的能力，對功率控制的要求比用Rake接收機的方法低。由於聯合檢測技術能消除MAI干擾，因此產生的噪聲量將與干擾信號的接收功率無關，從而大大減少“遠近效應”對信號接收的影響。

與此同時，聯合檢測也存在着以下缺點。

（1）由於算法對噪聲有擴散作用，因此抗白噪聲能力較差。

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

（3）聯合檢測耗用系統資源，設備複雜度增加。

總之，只要合理使用聯合檢測，並結合智能天線，選擇適當的聯合檢測算法，將會對提升TD-SCDMA系統的容量和質量起到相當大的作用。