多用户检测技术毕业论文

学校代码 10126 学号 00812017 分类号 密级 本科毕业论文（设计）多用户检测技术研究学院、系 电子信息工程学院 电子系专业名称 电子信息科学与技术 年 级 2008 级 学生姓名 胡波 指导教师 孙锴 2012 年 5 月 31 日多用户检测技术研究摘要：多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。 多用户检测是综合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其它用户对任一用户的影响，并同时检测出所有这些用户或某些用户的信息的一种信号检测方法。本文主要研究了CDMA移动通信系统的各种多用户检测算法的原理和优缺点。首先介绍了多用户检测技术的基本分类，主要有线性多用户检测和非线性多用户检测两类，前者包括解相关检测、线性最小均方误差检测，后者则以干扰抵消多用户检测为主，又分为串行和并行干扰消除多用户检测。然后对各类多用户检测技术的特点进行了分析比较。文中通过仿真比较分析了传统检测器、串行干扰抵消检测器和解相关检测器等经典多用户检测器的误码率。随着多用户检测技术的发展越来越成熟，其应用领域也不断扩大，多用户检测成为目前研究的一个热点。关键词：多用户检测，串行干扰消除，并行干扰消除 RESEARCH ON MUTI-USER DETECTION TECHNIQUEAuthor: Hu BoTutor: Sun KaiAbstract: Multi-user detection is an anti-interference key technology in broadband CDMA system. Multi-user detection is a method for signal detection; it overall evaluates all users or certain users who occupy some channels, other users to any users influence will be eliminated or weakened. In the meantime, information of all users or certain users is detected. This article focuses on the principle and algorithm of Multiuser Detection (MUD) and discusses the main techniques available for data detection in wireless CDMA systems. MUD can be classified into two main parts: Linear MUD and Nonlinear MUD. Linear MUD includes Decorrelating Detection and Minimum Mean-Square Error (MMSE) Linear MUD, while Nonlinear MUD includes Successive Interference Cancellation (SIC) and Parallel Interference Cancellation (PIC). In this paper, the pros and cons of recent and old techniques available in the literature are discussed. The performances of BER of some typical conventional multi-user detectors, successive interference cancellation detector (SIC) and decorrelating detector are compared and analyzed through MATLAB simulation. With the multi-user detection technique becoming increasingly sophisticated, their applications have also expanded continuously, research of multi-user detection on the system become a hot topic at present.Key words: Multi-user detection (MUD), SIC, PIC目录1 绪论 -11.1 多用户检测技术产生背景 -11.2 多用户检测技术简介 -22 多用户检测技术 -32.1 多用户检测技术概述及其作用 -32.2 多用户检测技术工作原理 -42.3 多用户检测技术的分类 -52.3.1 解相关检测 -52.3.2 MMSE 多用户检测 -62.3.3 多项式扩展(PE)多用户检测 -62.3.4 盲 自 适 应 多 用 户 检 测 -63 非线性多用户检测 -73.1 引言 -73.2 串行干扰消除 -73.2.1 串行干扰消除操作过程及注意事项 -73.2.2 串行干扰消除检测算法 -93.2.3 串行干扰消除检测算法的优缺点 -103.3 并行干扰消除 -113.3.1 并行干扰消除操作过程及注意事项 -113.3.2 并行干扰消除检测算法 -123.3.3 并行干扰抵消算法的特点 -124 MATLAB 仿真与分析 -124.1 传统检测和解相关检测的比较 -124.2 传统检测和干扰消除接收机的比较 -124.3 线性干扰消除和非线性干扰消除的性能比较 -12结论 -12参考文献 -12内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 1 页多用户检测技术研究1 绪论1.1 多用户检测技术产生背景第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的IMT-2000/FPLMTS系统标准的新一代移动通信系统，要求具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系统间的漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且要提供广泛的多媒体业务。ITU已对 IMT-2000的测试环境提出了具体标准，给出了表征IMT-2000系统的最低限度的参数，包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激活因子和业务量模型。根据ITU 的标准，世界各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系统方案,主要有以日本DoCoMo公司为首提出的W-CDMA、美国Lucent和Motorola等公司提出的CDMA2000、欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出的 TD-CDMA以及我国提出的拥有自主知识产权的TD-SCDMA。总体来说，虽然这些方案不甚相同，但是全世界在第三代移动通信系统中采用宽带码分多址(CDMA)技术已经达成共识。我国现在已经具备了第二代移动通信系统的整体开发能力，但在第三代移动通信系统的研究开发方面还刚刚起步。当前最为迫切的任务是进行宽带CDMA通信系统的关键技术的研究工作，要努力形成自己的专利技术，提高中国电信业的独立性和与外国电信厂商竞争的能力。宽带CDMA通信系统的关键技术包括抗干扰 (多用户检测) 、抗多径衰落(天线分集和RAKE接收)、抗远近效应(功率控制 )等，而它们之间又是相辅相成、互相补充的，均为当前研究的热点。近年来移动通信一直是全球电信业的热点, 其发展状况备受瞩目。目前全球的移动电话用户数量已超过23亿, 移动通信将在未来的通信方式中占据越来越重要的位置。移动通信系统在经历第一代和第二代后, 第三代移动通信系统(3G) 在2003年进入准备启动阶段 , 到2006年5月底, 全球共颁发了156张3G许可证。与前两代系统相比, 第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务, 而且有更大的系统容量、更好的通信质量, 能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务。目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种:WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。因此，码分多址接入(Code Division Multiple Access, CDMA)技术已经成为第三代移动通信系统中的主流内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 2 页技术。与传统的FDMA 、TDMA系统相比, CDMA系统具有频率规划简单、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点,但CDMA系统的主要缺陷就是由多址干扰带来的容量限制。在蜂窝移动码分多址通信中, 干扰大概分为三种类型:加性白噪声干扰、多径干扰与多用户间的多址干扰。由于在同一个小区间同时通信的用户不是一个而是多个,在码分多址中多个用户占用同一时隙、同一频率,当同时通信用户数较多时,多址干扰成为最主要的干扰。CDMA系统是一个多入多出 (MIMO)系统，采用传统的单入单出(SISO)检测方法,如匹配滤波器,不能充分利用用户间的信息,而将多址干扰认为是高斯白噪声。所以多址干扰不仅严重影响系统的抗干扰性,而且也严格限制了系统的容量提高。在多径衰落环境下,由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交,因而造成多个用户之间的相互干扰,并限制系统容量的提高。解决以上问题的一个有效方法是使用多用户检测技术(Multiple User Detection, MUD)。1.2 多用户检测技术简介多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的 CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰(Multiple Access Interference ,MAI)存在的根源。由个别用户产生的 固然很小，可是随着用户数的MAI增加或信号功率的增大， 就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检MAI测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗 干扰能力较差；多用户检测(Multi-User Detection, MUD)技术在传统检测技AI术的基础上，充分利用造成 干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，I从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著提高系统容量。目前寻求MUD技术与其它技术结合的方法,以实现联合优化。现在研究较多的有MUD技术与空时二级信号处理、信道编码、功率控制等技术的结合；另外,还有用神经网络实现多用户检测可以考虑系统的非线性、非平衡性和非高斯性,因此,基于神经网络的多用户检测近来也受到人们的注意。还有将智能天线技术引入多用户检测,实现码分和空分的有力结合。相信, 随着第三代通信系统逐步步入商用阶段 ,由于用户数急剧膨胀,系统中的多址干扰会日益严重, 因此对多用户检测技术的需求会更加迫切,多用户检测技术联合其他优化技术必将发挥它重要的作用,它的发展将会进一步完善第三代移动通信系统。内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 3 页2 多用户检测技术2.1 多用户检测技术概述及其作用多用户检测是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰( )能力较差；如图2.1所示，多用户检测 (Multi-User MAIDetection, MUD)技术在传统检测技术的基础上，通 过 取 消 小 区 间 干 扰 来 改 进 性 能 ， 增加 系 统 容 量 。 实 际 容 量 的 增 加 取 决 于 算 法 的 有 效 性 、 无 线 环 境 和 系 统 负 载 。 充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除 的影响，从而具有优良的抗干扰性能。在理想情况AI下，应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户时的性能。这显然消除了“远近”效应的影响，可以简化用户的功率控制，降低系统对功率控制精度的要求。并且由于 的消除，用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能，单用户信噪比的降低MAI可以直接转化为系统容量的增加，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。发射机 1发射机 n发射机 2信道接收机图2.1 多用户检测技术原理图多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。也就是根据多用户检测算法，在经过非正交信道和非正交的扩频码字，重新定义用户判决的分界线，在这种新的分界线上，可以达到更好的判决效果，去除用户之间的相互干扰。多用户检测的主要优点：它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段，也是消除或减弱CDMA 中多径衰落干扰的有效手段，并且能够消除或减弱 CDMA中的远近效应，简化CDMA 系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求，弥补 CDMA中由于正内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 4 页交扩频互相关性不理想所带来的一系列消极影响，改善CDMA系统性能，提高系统容量、扩大校区覆盖范围。多用户检测的主要缺点：大大增加CDMA系统的设备复杂度，增加CDMA系统的处理时延，特别是对于采用自适应算法，以及对于扩频码较长的系统更是如此。多用户检测一般需要知道很多附加信息，如所有用户的扩频码、衰落信道的主要统计参量：幅度、相位。延时等，这对于时变信道，需要不停地对每个用户信道进行实时估计才能实现，一般而言是非常困难的，而且参量估计的精度将直接影响多用户检测器的性能好坏。2.2 多用户检测技术工作原理如下图2.2所示，假设有 个用户，每个用户发送数据比特 ，通过扩频码字k 12kb进行频率扩展，经过无线信道传输，加入了噪声，接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关，接收机相乘器由乘法器、积分和信息转存功能部分组成。解扩后的结果通过多用户检测算法去除用户之间的干扰，得到用户的信号估计值 。多用户12k检测将不期望的多接入干扰从接入信号中分离。多用户检测输出的是估测的数据比特。从原理图上就可以看出：多用户检测的关键取决于相关器的同步扩频码字跟踪、各个用户信号的检测性能、相对能量的大小信道估计的准确性等接收机的性能，也就是取决于捕捉到的能量、相位的影响和码跟踪差错。在理想情况下，与没有MUD的系统相比，MUD 减少干扰2.8倍因子。实际情况下，MUD的有效性不到100% ，也就是说取决于检测方案、信道估计、时延估测和功率控制差错。积分清洗积分清洗积分清洗多用户检测算法1b2kb扩频码字 1扩频码字 2扩频码字 k噪声 nt扩频码字 1扩频码字 2扩频码字 k1b2kb内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 5 页图2.2 多用户检测系统模型2.3 多用户检测技术的分类多用户检测技术分为线性多用户检测和非线性多用户检测。线性多用户检测主要有下面几类: 解相关检测 ,最小均方误差检测, 盲自适应多用户检测和多项式扩展多用户检测，其中前三类只能用于短码系统, 而多项式检测可以在长码系统中应用。非线性多用户检测主要有串行干扰消除和并行干扰消除。本节主要介绍线性干扰消除，下章具体介绍非线性干扰消除。2.3.1 解相关检测由Lupas和Verdu提议的解相关器(又称为零驱动检测器) 结构如图3.1所示。匹配滤波器 1匹配滤波器 2匹配滤波器 K线性变换T比特判决比特判决比特判决rt 1b2kb图3.1 解相关器示意图这种检测器是将多用户通信环境的多址干扰等效为一个信道的传输响应矩阵,即码字之间的相关矩阵 ,该矩阵仅与各用户的扩频序列以及序列间的相对时延有关。得到R信道传输的逆矩阵 ,就可以将多用户信号经过 个匹配滤波器的输出,再通过此逆矩TK阵进行求逆运算,以等效地消除各用户扩频序列间的相关性,从而达到消除多址干扰的目的。实际上 是一个非因果的无限冲击响应的矩阵传递函数,是不可实现的。在实际情况中要将 截断为有限长，具体实现可以采用横向滤波器。这种检测器具有以下特点: 必须知道所有用户的扩频码及其特性；必须得到所有用户的定时；必须计算互相关矩阵 的逆矩阵；其性能独立于干扰功率,不需估计功率的大小；不需对用户幅度进R行估计。它的缺点是:放大噪声功率,扩大噪声的影响,而且造成解调信号很大的时延,也就是说解相关检测的性能是以提高背景噪声为代价换取消除多址干扰的。内蒙古大学本科学年论文（设计） 第 6 页2.3.2 MMSE 多用户检测使用最小均方误差准则，可以得到MMSE多用户检测。与解相关不同的是它不会增强噪声。MMSE检测器是在消除多址干扰和增大信道噪声这两者之间采取折中而达到某种平衡，从性能上来说，在信噪比低的情况下，MMSE检测器优于解相关检测器，在信噪比高的情况下，解相关检测器比MMSE性能更优。2.3.3 多项式扩展(PE) 多用户检测S.Moshavi提 出 了 一 种 称