Introduzione alla rilevazione multi-utente nei sistemi CDMA

Code Division Multiple Access (CDMA) è una tecnica di diffusione-specchio che permette a più utenti di trasmettere simultaneamente sulla stessa banda di frequenza assegnando ad ogni utente un codice di diffusione unico. Mentre questo approccio fornisce la resistenza intrinseca alle interferenze e supporta l'alta efficienza spettrale, introduce anche una sfida fondamentale: multi-interferenza-scambio di accesso (MAI).

Il ruolo dei codici di diffusione e dell'interferenza in CDMA

Il rapporto di interferenze tra i due gruppi di utenti è pari a circa il 5 % del valore del valore del consumo di energia, mentre il rapporto tra la capacità di diffusione e il tasso di trasmissione è pari a circa il 5 % del valore del consumo.

Tipi di rilevatori multi-utente e loro impatto sulla capacità

Deterttore filtro abbinato

Il filtro abbinato (chiamato anche rivelatore convenzionale) è il MUD più semplice: correla il segnale ricevuto con il codice di diffusione di ogni utente in modo indipendente. Ha una bassa complessità computazionale (O(K) per bit, dove K è numero di utenti) ma soffre del problema vicino-far - gli utenti forti sovraffondono quelli deboli - e raggiunge una capacità che è limitato da interferenze.

Detector Decorrelante

Il decoratore moltiplica le uscite filtranti corrispondenti per l'inverso della matrice di diffusione cross-correlation, rimuovendo MAI completamente a spese della valorizzazione del rumore. Si tratta di un rivelatore lineare che raggiunge lo stesso ordine di diversità del filtro abbinato, ma elimina le interferenze. La sua capacità è quasi additiva nel senso che può supportare fino a K = N (fattore di spargimento) gli utenti senza aumentare, a condizione che i codici si diffondano fortemente indipendente.

Rilevatore minimo di errore quadrato (MMSE)

Il rivelatore MMSE bilancia la soppressione delle interferenze e il miglioramento del rumore riducendo al minimo l'errore quadrato medio tra il segnale trasmesso e l'uscita del rivelatore morbido. Non richiede la conoscenza dei poteri o delle variazioni degli utenti, anche se le prestazioni ottimali spesso assumono la conoscenza della varianza del rumore. Il rivelatore MMSE raggiunge solitamente una capacità superiore rispetto al ricevitore di analisi di MMS, soprattutto a bassa SINR, perché non amplifica il rumore come aggressivo.

Cancellazione di interferenze di successo (SIC)

SICHS è un rivelatore non lineare che elabora gli utenti uno per uno: dopo aver rilevato il segnale dell'utente più forte (utilizzando un filtro corrispondente o MMSE), ri-encode i bit rilevati, ricostruisce l'interferenza e lo sottrae al segnale ricevuto prima di rilevare l'utente successivo-strongest.

Cancellazione di interferenze parallele (PIC)

PIC elabora tutti gli utenti contemporaneamente: le stime iniziali sono ottenute da filtri abbinati, quindi le interferenze vengono ricostruite da tutti gli utenti e sottratti in parallelo, producendo stime migliorate. Questo può essere eseguito in più fasi (multi-stage PIC). PIC raggiunge elevata capacità se le stime iniziali sono affidabili; altrimenti, la propagazione degli errori può essere grave. La capacità di approcci PIC ideali ma con latenza inferiore.

Optimum massimo probabilità di probabilità (ML) rilevatore

Il ML o il massimo stimatore di sequenza di probabilità (MLSE) considera congiuntamente tutte le sequenze trasmesse possibili e sceglie il più probabile dato il segnale ricevuto. Consegui la minima probabilità di errore e la capacità massima—approssimando il limite di Shannon del canale multi-accesso. Tuttavia, la sua complessità computazionale cresce esponenzialmente con il numero di utenti (O(2^{K}) per BPSK), rendendolo comparabile agli utenti meno probabili.

Analisi delle capacità dei rilevatori multi-utente

Regione di capacità del canale di accesso multiplo

La regione di capacità fondamentale di un canale multi-accesso Gaussiano (MAC) è definita dal set di tutti i tuples di tasso realizzabili (R1, R2, ..., R K) tale che per qualsiasi sottoinsieme S degli utenti, la somma è ≤ log2(1 + (somma di poteri ricevuti in S) / (rumore + interferenza da S))). Questa regione è più grande di qualsiasi pratica MUD complessità può raggiungere a causa di diversi punti.

Rilevatori lineari: Capacità asintotica

Per i rivelatori lineari (filtro di corrispondenza, decorrente, MMSE), il SINR realizzabile per i parametri dell'utente k può essere espresso come SINR k = (p k * h k^2) / (N0 + ∑ {j random = p j * | deterc k, c j|^2) per il filtro abbinato, mentre il decorrente e il MMSE modificano il corrispondente canale di log

Rilevatori non lineari: Prestazioni di prossimità

Sia SIC che PIC possono avvicinarsi alla regione di capacità MAC se la cancellazione è perfetta. Nello specifico, un ricevitore SIC che decodifica gli utenti al fine di ridurre la potenza ricevuta raggiunge la capacità di somma del MAC Gaussian. Questo è perché il limite di capacità di 64 per un MAC simmetrico con pari poteri è raggiunto da decodifica successiva.

Fattori che influenzano la capacità MUD

Effetti e controllo di potenza

Il problema di prossimità, dove un utente vicino alla stazione di base appare molto più forte di un utente lontano, degrada notevolmente il filtro corrispondente e anche le prestazioni MMSE. Il controllo di potenza è tipicamente impiegato per equalizzare i poteri ricevuti, che migliora la capacità per MUD lineare. Tuttavia, SIC e PIC possono effettivamente beneficiare di squilibrio di potenza perché l'utente più forte può essere annullato prima, semplificando il rilevamento di utenti più deboli.

Fattore di diffusione e codice Ortogonalità

I fattori di diffusione più grandi migliorano il guadagno di elaborazione ma riducono la velocità di dati grezzi per utente. Il trade-off tra capacità MUD e per utente è centrale per il sistema CDMA. Nei codici downlink, ortogonali (ad esempio, Walsh-Hadamard) sono spesso utilizzati per eliminare MAI in condizioni sincrono ideali, ma multipath distrugge l'ortogonalità, richiedendo MUD ad alta capacità.

Coding di correzione di errore

I moderni sistemi CDMA utilizzano i codici turbo, i codici LDPC o i codici convoluzionali per avvicinare la capacità del canale. MUD e codifica possono essere combinati iterativamente (turbo MUD), dove le informazioni morbide dal decoder vengono alimentate indietro per migliorare la cancellazione delle interferenze. Questo decodifica-difica congiunto può ottenere prestazioni entro una frazione di un dB del limite di Shannon, raddoppiando efficacemente o triplicando la capacità rispetto al rilevamento separato e decodificando ora.

Diversità di Antenna e MIMO

Le antenne multiple alla stazione di base (e facoltativamente ai dispositivi mobili) forniscono livelli di libertà spaziali che possono essere sfruttati da MUD. L'elaborazione spazio-tempo unita a MUD può aumentare notevolmente la capacità attraverso la sovrapposizione di multiplexing spaziale e di interferenza. Ad esempio, utilizzando un ricevitore lineare MMSE con più antenne, la capacità asintotica scala linearmente con il numero di antenne, anche in scenari limitati da interferenze-

Considerazioni pratiche di attuazione

L'implementazione in tempo reale per centinaia di utenti richiede sistemi hardware efficienti (FPGA, ASIC) e ottimizzazioni algoritmiche come tecniche di basso livello, inversione di matrice iterativa, o approssimativo di algoritmi di passaggio di messaggi (AMP) divisi.

Conclusioni

Il rilevamento multi-utente è una tecnologia di base per raggiungere un'alta efficienza spettrale nei sistemi CDMA. La capacità di una rete CDMA non è fissa; dipende criticamente dalla scelta dell'algoritmo MUD, dall'ambiente di interferenza e dai parametri di sistema come il fattore di diffusione, il controllo di potenza e la codifica.