Понимание возможностей многопользовательских детекторов в системах Cdma

Введение в многопользовательское обнаружение в системах CDMA

Метод многопользовательского доступа с разделением кода (CDMA) представляет собой метод спред-спектра, который позволяет нескольким пользователям передавать одновременно по одной и той же полосе частот, назначая каждому пользователю уникальный код спрединга. В то время как этот подход обеспечивает присущее сопротивление помехам и поддерживает высокую спектральную эффективность, он также вводит фундаментальную проблему: помехи с множественным доступом (MAI). По мере увеличения числа активных пользователей совокупные помехи от других пользователей ухудшают отношение сигнал-интерференция-плюс-шум (SINR) на приемнике, ограничивая пропускную способность системы. Многопользовательские детекторы (MUD) являются передовыми алгоритмами обработки сигналов, предназначенными для смягчения MAI путем совместного обнаружения сигналов всех пользователей. Понимание емкости, достижимой с помощью различных методов MUD, имеет решающее значение для проектирования современных беспроводных сетей, от 3G CDMA-основанных сотовых систем до новых 5G и 6G-форм волн, которые повторно используют принципы CDMA в гибридных схемах множественного доступа. Эта статья обеспечивает углубленное исследование емкости MUD, охватывающих типы детекторов, компромиссы производительн

Роль кодов распространения и вмешательства в CDMA

В системе CDMA биты данных каждого пользователя умножаются на высокоскоростной код распространения (например, из семейства ортогональных или псевдослучайных последовательностей). Коэффициент распространения (также называемый коэффициентом обработки) - это отношение скорости чипа к скорости передачи данных. Более крупный коэффициент распространения повышает устойчивость к помехам, но снижает общую скорость передачи данных на пользователя. Без MUD обычный согласованный приемник фильтра (коррелятор) рассматривает MAI как аддитивный шум, что приводит к помехозащищенной емкости. В частности, пропускная способность одноклеточной системы CDMA с идеальным контролем мощности и согласованным фильтром примерно пропорциональна коэффициенту распространения и обратно пропорциональна требуемому коэффициенту энергии на бит к плотности шума (Eb/N0). Например, система с коэффициентом распространения 128 и требованием Eb/N0 7 дБ может поддерживать примерно 128/5 ≈ 25 пользователей (при условии помехового поля). Однако MUD может резко увеличить это число, активно отменяя или подавляя помехи.

Типы многопользовательских детекторов и их влияние на емкость

Совместим с фильтр-детектором

Сопоставленный фильтр (также называемый обычным детектором) является самым простым MUD: он коррелирует принятый сигнал с распространяющимся кодом каждого пользователя независимо. Он имеет низкую вычислительную сложность (O(K) на бит, где K - число пользователей), но страдает от проблемы на ближнем расстоянии - сильные пользователи подавляют слабые - и достигает способности, которая ограничена помехами. В сильно нагруженных ячейках SINR для каждого пользователя ухудшается линейно с количеством активных пользователей. Совместимая емкость фильтра часто используется в качестве базовой линии; практические системы всегда используют лучшие детекторы.

Декорреляционный детектор

Декоррелятор умножает совпадающие выходы фильтра обратной матрицей кросс-корреляции раскрывающих кодов, удаляя МАИ полностью за счет усиления шума. Это линейный детектор, который достигает того же порядка разнообразия, что и сопоставленный фильтр, но устраняет помехи. Его емкость почти аддитивна в том смысле, что он может поддерживать до K = N (фактор распространения) пользователей без помех. Однако усиление шума становится серьезным, когда раскрывающиеся коды сильно коррелируют, ограничивая практическую емкость в неортогональных настройках. Декоррелятор оптимален с точки зрения почти дальней устойчивости и не требует управления мощностью, но его вычислительная сложность O(K3) для инверсии матрицы, которая может быть уменьшена адаптивными реализациями.

Минимальная квадратная ошибка (MMSE)

Детектор MMSE уравновешивает подавление помех и усиление шума за счет минимизации средней квадратной ошибки между передаваемым сигналом и выходом мягкого детектора. Он не требует знания о силах или дисперсиях пользователей, хотя оптимальная производительность часто предполагает знание дисперсии шума. Детектор MMSE обычно достигает большей емкости, чем декоррелятор, особенно при низком SINR, поскольку он не усиливает шум так агрессивно. Для синхронного CDMA детектор MMSE может поддерживать пользовательскую нагрузку, близкую к коэффициенту распространения, и его емкость часто анализируется с использованием случайной матричной теории. Асимптотический SINR для приемника MMSE в большой системе с пользователями K и коэффициент распространения N сходится к фиксированной точке, заданной решением уравнения Марченко-Пастура, что дает интуитивный закон масштабирования емкости: максимальное количество пользователей на чип составляет около 1,2 для типичных значений Eb/N0 в сценариях с ограничением помех. Детектор MMSE широко используется на практике, потому что он предлагает отличный компромисс между сложностью и производительностью; доступны

Последовательная отмена помех (SIC)

SIC — нелинейный детектор, обрабатывающий пользователей один за другим: после обнаружения наиболее сильного сигнала пользователя (с помощью сопоставленного фильтра или MMSE) он повторно кодирует обнаруженные биты, реконструирует помехи и вычитает их из принятого сигнала до обнаружения следующего самого сильного пользователя. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут расшифрованы все пользователи. SIC может достигать мощностей, близких к информационно-теоретической пропускной способности канала множественного доступа (MAC), особенно когда пользователи испытывают различные принятые мощности (сбаланс мощности). На самом деле, при идеальной отмене, SIC может поддерживать любое количество пользователей, пока сумма их скоростей меньше пропускной способности канала. Однако практическая SIC страдает от распространения ошибок: ошибка на ранней стадии может вызвать множественные ошибки позже. Несмотря на это, SIC широко используется в системах CDMA, таких как 3G (HSPA) и в современных схемах NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access).

Параллельное отмену помех (PIC)

PIC обрабатывает всех пользователей одновременно: начальные оценки получаются из сопоставленных фильтров, затем интерференция реконструируется от всех пользователей и вычитается параллельно, производя улучшенные оценки. Это может быть выполнено в несколько этапов (многоступенчатый PIC). PIC достигает высокой емкости, если первоначальные оценки надежны; в противном случае распространение ошибок может быть серьезным. Емкость идеального PIC приближается к SIC, но с меньшей задержкой. Практический PIC часто использует мягкие решения для повышения надежности. Гибридные схемы SIC-PIC сочетают в себе преимущества обоих.

Оптимальный максимальный детектор вероятности (ML)

ML или оценка последовательности максимального правдоподобия (MLSE) совместно рассматривает все возможные передаваемые последовательности и выбирает наиболее вероятную из них, учитывая принятый сигнал. Он достигает минимальной вероятности ошибки и максимальной емкости — приближаясь к пределу Шеннона канала множественного доступа. Однако его вычислительная сложность растет экспоненциально с количеством пользователей (O(2^{K}) для BPSK), что делает его неосуществимым для более чем нескольких пользователей. Детектор ML служит теоретическим эталоном для сравнения других схем MUD.

Анализ мощности многопользовательских детекторов

Регион пропускной способности канала множественного доступа

Область фундаментальной емкости гауссовского канала множественного доступа (MAC) определяется множеством всех достижимых кортежей скорости (R1, R2, ..., R K) так, что для любого подмножества S пользователей суммарная скорость составляет ≤ log2(1 + (сумма принимаемых мощностей в S) / (шум + помехи извне S)). Эта область больше, чем любой практический MUD может достичь из-за конечной сложности. Различные схемы MUD реализуют разные точки в этой области.

Линейные детекторы: асимптотическая емкость

Для линейных детекторов (сопоставленный фильтр, декоррелятор, MMSE) достижимый SINR для пользователя k может быть выражен как SINR k = (p k * h k^2) / (N0 + ∑ {j≠k} p j * | ⁇ c k, c j ⁇ |^2) для сопоставленного фильтра, в то время как декоррелятор и MMSE изменяют знаменатель. Получающаяся однопользовательская емкость затем log2(1 + SINR k). В больших системах со случайным распространением кодов спектральная эффективность (общая сумма на чип) сходится к детерминистическому пределу, данному решением уравнения Tse-Hanly для линейных приемников. Например, с MMSE спектральная эффективность приближается к 1,0 бит/с/Гц на пару пользователей в режиме высокой SINR, но ограничена примерно 0,8 бит/с/Гц при умеренном SINR. Напротив, оптимальные приемники могут достигать примерно 2 бит/с/Гц для тех же параметров канала, указывая, что

Нелинейные детекторы: производительность вблизи пропускной способности

И SIC, и PIC могут приблизиться к области пропускной способности MAC, если отмена совершенна. В частности, приемник SIC, который декодирует пользователей в порядке уменьшения принимаемой мощности, достигает суммарной емкости гауссовского MAC. Это связано с тем, что граница области пропускной способности для симметричного MAC с равными полномочиями достигается последовательным декодированием. На практике при несовершенной отмене эффективная SINR ухудшается. Однако даже при реалистичных скоростях ошибок SIC и PIC могут удвоить или утроить емкость по сравнению с совпадающими приемниками фильтра. Например, в сильно загруженной ячейке CDMA (например, 30 пользователей с коэффициентом распространения 64), сопоставленный фильтр может быть неспособен поддерживать требуемый Eb/N0, в то время как MMSE может поддерживать его, а SIC может поддерживать еще более высокую нагрузку (например, 40 пользователей) с уменьшенными запасами мощности.

Факторы, влияющие на MUD-мощность

Ближайший эффект и контроль мощности

Ближайшая проблема, когда пользователь, близкий к базовой станции, кажется намного сильнее, чем удаленный пользователь, серьезно ухудшает согласованный фильтр и даже производительность MMSE. Управление мощностью обычно используется для выравнивания принимаемых мощностей, что улучшает емкость для линейного MUD. Однако SIC и PIC могут фактически извлечь выгоду из дисбаланса мощности, потому что самый сильный пользователь может быть отменен первым, упрощая обнаружение более слабых пользователей. Ограничения динамического диапазона аналого-цифровых преобразователей также играют роль; чрезмерное неравенство мощности может вызвать шум квантования, который ограничивает все типы MUD.

Фактор распространения и ортогональность кода

Более крупные факторы распространения улучшают прирост обработки, но уменьшают скорость необработанных данных на пользователя. Компромисс между емкостью MUD и скоростью на пользователя является центральным для проектирования системы CDMA. В нисходящей линии связи ортогональные коды (например, Walsh-Hadamard) часто используются для устранения MAI в идеальных синхронных условиях, но многолучевой разрушает ортогональность, что требует MUD на приемнике. Для восходящей линии связи коды обычно неортогональные, что делает MUD необходимым для высокой емкости.

Кодирование исправления ошибок

Современные системы CDMA используют турбокоды, коды LDPC или сверточные коды для приближения к пропускной способности канала. MUD и кодирование можно сочетать итеративно (turbo MUD), где мягкая информация от декодера подается обратно для улучшения отмены помех. Это совместное декодирование обнаружения может достигать производительности в пределах доли дБ предела Шеннона, эффективно удваивая или утрояя емкость относительно отдельного обнаружения и декодирования. Сложность турбо MUD выше, но теперь это возможно с современными цифровыми сигнальными процессорами.

Разнообразие антенн и MIMO

Многократные антенны на базовой станции (и необязательно на мобильных устройствах) обеспечивают пространственные степени свободы, которые могут быть использованы MUD. Обработка пространства-времени в сочетании с MUD может значительно увеличить емкость за счет пространственного мультиплексирования и подавления помех. Например, с использованием линейного приемника MMSE с несколькими антеннами асимптотическая емкость масштабируется линейно с количеством антенн, даже в сценариях с ограниченными помехами. Фактически, базовая станция с антеннами M может поддерживать до M * (фактор распространения) пользователей в декоративном смысле, что делает MIMO-CDMA высокоэффективной схемой для массовых коммуникаций машинного типа.

Практические соображения по осуществлению

В то время как продвинутые алгоритмы MUD обещают высокую емкость, они также налагают требования к вычислительной и латентной мощности. Реализация в реальном времени для сотен пользователей требует эффективного оборудования (FPGA, ASIC) и алгоритмических оптимизаторов, таких как методы с пониженным рангом, итеративная инверсия матрицы или приблизительные алгоритмы передачи сообщений (AMP). Многие коммерческие базовые станции 3G используют комбинацию приемников MMSE и SIC для восходящей линии связи, обеспечивая хороший баланс между сложностью и емкостью. Появляющееся 5G Новое радио (NR) использует преимущественно ортогональный частотный разделение множественного доступа (OFDMA), но принципы CDMA снова появляются в форме разреженного кода множественного доступа (SCMA) и многократного доступа с разделением шаблонов (PDMA), которые являются неортогональными схемами на основе MUD, предназначенными для поддержки массивной связи - именно домен, где MUD емкость наиболее ценна.

Внешние ссылки и дальнейшее чтение

Заключение

Многопользовательское обнаружение является краеугольной технологией для достижения высокой спектральной эффективности в системах CDMA. Мощность сети CDMA не фиксирована; она критически зависит от выбора алгоритма MUD, среды помех и параметров системы, таких как коэффициент распространения, управление питанием и кодирование. Совместимые приемники фильтров просты, но ограничены помехами; декорреляторы и детекторы MMSE предлагают существенные улучшения, причем MMSE является популярным практическим выбором. Нелинейные детекторы, такие как SIC и PIC, могут приближаться к области информационно-теоретической емкости, но требуют тщательной обработки распространения ошибок. Поскольку беспроводные сети развиваются в направлении массивной связи и сверхнадежной связи с низкой задержкой, принципы MUD переосмысливаются в новых схемах множественного доступа. Инженеры, проектирующие системы следующего поколения, должны взвешивать прирост пропускной способности продвинутого MUD против их вычислительных затрат, имея в виду, что конечный предел установлен пропускной способностью канала с множественным доступом Shannon. С постоянными достижениями в аппаратном обеспечении и алгоритмах, MUD будет продолжать продвигать границы пропускной способности беспроводн