并行干扰相消对HSUPA小区容量的影响分析

王 俊

(广东邮电职业技术学院通信工程系，广东 广州 510630)

1 多用户检测算法

1979年SCHNEIDER提出了多用户检测(multiple user detection，MUD)的概念，并首次提出多址干扰的抑制问题。1986年VERDU提出最佳多用户检测算法以后，多用户检测技术成为无线通信领域最重要的学术研究热点之一。

多用户检测算法大致分为两大类［1］:线性多用户检测算法和非线性多用户检测算法。线性多用户检测包括解相关检测、最小均方误差检测和最优线性检测等。非线性多用户检测技术又称为干扰相消技术，有关这方面的研究主要集中在多级算法，主要包括并行和串行干扰相消算法、判决反馈干扰算法以及各种神经网络多用户检测算法等。其中干扰相消算法是根据各个用户已判决的信号再生多址干扰，并在总接收信号中将各路多址干扰相消，一般分为串行干扰相消(successive interference cancellation，SIC)和并行干扰相消(parallel interference cancellation，PIC)。多用户检测中的干扰相消算法充分利用了多个用户的信息且工程实现相对简单。存在的问题是:对干扰的估计要求相当准确，否则相消效果会大大削弱甚至使系统性能恶化。

笔者主要介绍并行干扰相消多用户检测技术以及对引入HSUPA(high speed uplink packet access)的WCDMA(wideband code division multiple access)系统的容量带来的增益。

2 干扰相消算法

2.1 干扰相消算法的基本原理

干扰相消算法的基本原理［2］是从存在多址干扰的信号中提取出所需用户的信号，一种方法是首先恢复干扰信号(其他用户信号)，然后从整个接收信号中减去这些干扰信号，就能获得没有多址干扰的所需用户信号。由于多址干扰和有用信号的提取是同时进行的，因此多址干扰的恢复和信号的提取一般要经过多次才能完成。这类检测器与用来抗ISI(inter-symbol interference)的反馈均衡器类似。在反馈均衡器中，对前一次检测到的符号判决反馈回来以消除部分ISI。一般来说，干扰相消算法按结构分为SIC和PIC，目前常用的算法有串行干扰相消、并行干扰相消和去相关判决反馈算法。

2.2 并行干扰相消算法MUD

为克服SIC时延大的缺点，以及避免对用户信号进行排序，提出并行干扰相消多用户检测的方法，即并行干扰相消多用户检测器。其基本原理是:利用前一级判决的结构信息构造所有用户的干扰信号，然后从接收信号中抵消干扰信号，最后判决。并行干扰相消单级多用户检测器的原理图如图1所示。

图 1 中，r(t)为基带接收信号;bi(k)，i=1，2，…，s为第i个用户的第k次判决;bi(k+1)，i=1，2，…，s为第i个用户的第k+1次判决;Tb为一个单位的时延。

图1 PIC单级多用户检测原理图

从图1可以看出，PIC并行地估计和减去所有的MAI(multiple access interfere)，就能够判决出所有用户的并行干扰。假设该检测器有3级，则只需要3个单位的时延就可以检测出所有的用户。PIC是通过多级并行的判决对用户进行检测的，一般取3级为宜，由于级数增加，性能没有太大的提高，但增加了系统的复杂度。PIC也是依赖于前级判决的，前级若判决不准，误差也会较大。因此，可用最小均方检测器或解相关检测器代替传统检测器作为PIC的第一级，以达到减少误码，提高性能的目的［3］。

3 并行干扰相消对HSUPA小区容量的影响

3.1 系统模型

假设小区内都是单一速率的业务，且实现理想的功率控制，即每个用户信号到达基站的功率Pi相等，并假设激活因子vi=1，假设小区内有M个用户，则该小区的干扰为:

小区内用户解调解扩前的信噪比Eb/No为:

其中，PN为热噪声功率，定义Ii=Iown+Ioth为接收机解调解扩前的干扰信号的总功率。而Iown和Ioth分别为该小区基站接收到的CDMA(code division multiple access)信号中来自该小区干扰信号的功率和来自邻小区干扰信号的功率。在多小区的情况中，当考虑其他小区对该小区干扰的影响时，为方便计算，通常引入量i为其他小区的干扰功率对该小区干扰功率之比值。

Iown_total为基站侧接收到的该小区所有被激活移动台发射的总功率，在带有 MUD接收机的WCDMA蜂窝系统中，小区内用户在解调解扩前的Eb/No为:

对于并行部分干扰抵消接收机来说，解调解扩前的Eb/No是指两级干扰抵消后用户信号的Eb/No。因此MUD接收机解调解扩前干扰信号的总功率为:

由多用户检测效率的定义可得:

式中，ηUL为负荷。

3.2 容量仿真结果

仿真是以384 kb/s数据业务为例，假设小区所有用户都是相同的业务，并且有理想的功率控制。在链路预算中，i通常使用一个经验值。根据维特比算法中［6］对i的计算，如果所有的用户均匀分布在每个小区内，并且基站能理想地控制用户的发射功率，那么，i取0.65。

由式(10)可估算小区的吞吐量，其仿真结果如图2所示。从图2可看到，当β=0时，MUD没有起到抵消干扰的作用;当β=0.2时，NR=7 dB，容量增加了11%;当β=0.6时，容量增加了30%。随着β因子的增大，容量不断地增加，但β的提高是以设备的复杂度和成本为代价的。

图2 干扰相消MUD小区噪声提升量与小区吞吐量的关系

.3 干扰相消容量增益

多用户检测干扰抵消技术为CDMA系统小区产生很大的吞吐量增益［7-10］。多用户检测干扰抵消技术所带来的小区吞吐量增益定义为:

噪声提升量与小区负荷因子的关系为:

仿真以64 kb/s数据业务为例，假设小区所有用户都是相同的业务，并且有理想的功率控制。由式(15)可以估算出小区的吞吐量，由式(16)可以估算出干扰相消所带来的小区吞吐量增益。其仿真结果如图3所示。

图3 不同β下MUD容量增益ψ与小区负荷ηUL的关系

从图3中可以看到，由于干扰抵消技术只对该小区内干扰有效，因此，从干扰消除获得的小区吞吐量增益与MUD效率β成正比，与小区干扰因子i成反比。对于一个负荷为ηUL=0.9，i=0.65的小区，若干扰消除效率β=0.3时，理论容量增益为ψ=18%;当干扰消除效率β=0.7时，理论容量增益为ψ=56%。干扰相消MUD可以带来容量增益的提升，对提高HSUPA上行容量有很大的作用。

4 结论

笔者讨论的主要内容是利用并行干扰相消MUD来改善HSUPA上行链路性能。首先，综述多用户检测技术的分类，重点介绍了干扰相消算法的原理和结构。其次，推导了引入多用户检测技术后，噪声提升量与多用户检测效率的关系公式。最后，分析了多用户检测技术给HSUPA小区带来的容量增益，并给出了仿真结果。

［1］张银玲，杨红英，张勇.多用户检测的发展现状和分类［J］.科技创新导报，2010(7):226-229.

［2］余淑萍，杨铁军.码分多址系统中多用户检测算法之分析［J］.山东通信技术，2008(6):15-16.

［3］吉才利，林土胜.基于干扰相消的多用户检测器的原理及比较［J］.桂林电子工业学院学报，2004(2):36-38.

［4］ROSA C，SENSEN T B，WIGARD J，et al.Interference cancellation and 4-branch antenna diversity for WCDMA uplink packet access［C］//IEEE Proceedings of the 61st Vehicular Technology Conference.［S.l.］:［s.n.］，2005:1758-1762.

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［6］HARRI H，ANTTI T.HSDPA/HSUPA技术与系统设计［M］.叶银法，陆健贤，译.北京:机械工业出版社，2007:18-97.

［7］3GPP，TR25.896，V6.0.0.Feasibility study for enhanced uplink for UTRA FDD［S］.

［8］3GPP，TS25.306，V5.1.0.UE radio access capabilities［S］.

［9］3GPP，TS25.211，V6.6.0.Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels(FDD)［S］.

［10］HARRI H，ANTTI T.WCDMA技术与系统设计［M］.陈泽强，译.北京:机械工业出版社，2005:57-102.