（信号与信息处理专业论文）并行部分干扰相消多用户检测在wcdma系统中的应用.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 ( 在c d m a 系统中，采用常规的单用户相关或匹配滤波的方法， 、 多址干扰限制了系统容量。先前研究表明采用干扰相消多用户检测接 收机能够显著提高c d m a 系统的容量。j 本文主要研究在w c d m a 通信系统中先进的多用户干扰相消技 术，重点在于开发一种有效且能在实际中实现的技术；随后分析了多 用户检测对网络规划的影响。 本文首先对几种次优多用户检测技术进行分析比较，比较结果认 为多阶并行干扰相消是一种能在实际中实现的多址干扰相消技术，而 且稳定性好。为了降低并行干扰相消判决量内在统计有偏性的影响， 对并行干扰相消算法进行改进，引出一种复杂度低的部分并行干扰相 消算法，此算法能够使系统性能得到明显提高。随后，结合w c d m a 系统进行并行部分干扰相消多用户检测计算机的设计和实现。 此外，本文对多用户检测对系统容量和覆盖的影响进行了分析研 究。首先推导出c d m a 蜂窝系统容量覆盖公式，在此基础上，分析 m u d 接收机的多用户检测效率对c d m a 蜂窝系统容量和覆盖的影响 。随后对影响多用户检测效率的干扰相消效率和系统复用因子两个因 素进行了全面而深入的分析其中前者与接收机采用的m u d 算法有 关，一般通过链路仿真得到其结果，后者主要与蜂窝系统规划设计中 各种与环境相关的因素有关，如小区尺寸、信道模型、系统负载、用 户分布。) ， 关键词：干扰相消妒用户检测码分多址多址干扰再气 电予科技大学硕士论文 a b s t r a c t i nc d m a s y s t e m ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c el i m i t st h ec a p a c i t yo fa n ys y s t e m u s i n gc o n v e n t i o n a ls i n g l e u s e rc o r r e l a t i o no rm a t c h e df i l t e rr e c e i v e r s p r e v i o u sr e s e a r c h h a ss h o w nt h a tm u l f i u s e rd e t e c t i o nr e c e i v e r st h a t e m p l o yi n t e r f e m c ec a n c e l l a t i o n t e c h n i q u e sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ec a p a c i t yo fac d m a s y s t e m t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h es t u d yo fa d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sf o r m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni nd i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s c o m m u n i c a t i o n e m p h a s i si sp l a c e do nt h ed e v e l o p m e n to fe f f i c i e n tt e c h n i q u e s t h a ta r e p r a c t i c a lt oi m p l e m e n t t h e n t h ee f f e c to fm u do nt h er a d i on e t w o r k p l a n n i n gi sa l s o i n v e s t g a t e d t h ew o r k b e g i n s w i t ha s t u d y o fs e v e r a l s u b o p t i m a l m u l t i u s e rd e t e c t i o n t e c h n i q u e su n d e r a v a r i e t yo fc o n d i t i o n s m u l t i s t a g ep a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i s i d e n t i f i e da sa p r a c t i c a la n d r o b u s t a p p r o a c h f o r m i t i g a t i n gm u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e i no r d e rt or e d u c et h ee f f e c to f b i a s e dd e c i s i o ns t a t i s t i c si n h e r e n tt o p a r a l l e l c a n c e l l a t i o n ，al o w c o m p l e x i t ym o d i f i c a t i o nt op a r a l l di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nc a l l e d p a r t i a lp a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni sd e r i v e d ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e s p e r f o r m a n c e t h e na p p i cm u dr e c e i v e rb a s e do nt h ew c d m a s y s t e m i sd e s i g n e d a d d i t i o n a l l y ，t h ee f f e c to fm u d o nt h es y s t e m sc o v e r a g ea n dc a p a c i t yi sa l s o i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fm u d o nt h ep e r f o r m e n c eo fs y s t e mc a nb ec o n s i d e r e dt h e m u d se f f i c i e n c eo b t a i n e db yt h el i n ks i m u l a t i o n ，w h i c hd e p e n d so nt h ea l g o r i t h mo f t h em u d a n dt h es y s t e mm u l t i p l e x i n gf a c t o rw h i c hd e p e n d so na l lk i n d so ff a c t o r s r e l a t e dt ot h er a d i op r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h ec e l ln e t w o r ks y s t e mp l a n n i n g ，f o r e x a m p l e t h ec e l ls c a l e ，c h a n n e lm o d e l ，t h es y s t e ml o a da n dt h eu s e rd i s t r i b u t i o n k e y w o r d s ：i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，m u ! t i u s e rd e t e c t i o n ，c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ， r e g e n e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名 导师签名 日期：年月日 1 1 电子科技大学硕士论文 第一章引言 本章简要论述相对于频分多址( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) 而言，码分 多址( c d m a ) 系统具有诸多优点，然而采用单用户检测的方式，多址干扰限制 了系统的性能；指出为了提高c d m a 系统的性能，必须采用多用户检测的方式。 1 1 c d m a 系统的优点 近些年来，随着蜂窝移动通信的和个人通信的发展，c d m a 技术已经引起 了广泛的关注。相比于f d m a ( 频分多址) ，t d m a ( 时分多址) ，c d m a 系 统具有诸多优点： 1 】c d m a 系统实际上是采用直接系列扩频的扩频通信系统，因此具有扩频 通信的许多优点，如抗干扰性能好；保密性好等。 2 】c d m a 系统容量大。理论分析认为，在同样的条件下，c d m a 系统容量 是f d m a 和t d m a 系统容量的4 6 倍。另外，采用一些先进的技术可以进一步 提高系统的容量，而这些技术用在其他多址系统中也许可以提高通信的质量，却 难以提高系统容量。比如1 自适应波束形成在t d m a 和f d m a 系统中可以提高 信噪比，将低误码率，却不能有效的提高系统容量。而在c d m a 系统中采用此 技术可以抑制m a i 从而使得系统可以容纳更多的用户( c d m a 系统是干扰受限 系统，容量受干扰的限制) 。2 话音激活技术：人们在进行通信时，真正用于通 话的时间平均只有通话时间的3 8 ，对于t d m a 和f d m a 系统，由于用户分配了 固定的频段或时槽，不可能( 或实现起来代价很高) 在话音间隙将此信道分配给 其他用户使用，实际上相当于浪费了相当多的资源。而在c d m a 系统中，采用 此技术可以有效的降低系统的背景干扰，从而提高系统的容量。 3 】可以实现同频小区之间的平滑的软切换。软切换带来的最大好处是减少 掉话的概率，提高通信的质量：当用户处在小区的边缘上时，两个或多个基站都 可以接收改用户的信号，如果用户发射功率恒定，则全部基站接收到的信号都低 于某一门限电平的概率将大大降低，而当掉话概率一定时，意味着用户可以以更 小的功率发射信号，从而降低终端的功耗延长终端的待机时间并且减小背景干 扰。 4 1c d m a 系统是干扰受限系统，具有软容量的特性：系统可以容纳新用户， 只要地址码还没有用完，代价是整体通信质量降低，而不会象f d m a 和t d m a 中的阻塞现象。下面证明c d m a 系统是干扰受限系统。 假定系统具有理想的功率控制，因而每个用户到达基站的功率相同并令其等 于p 。；假定小区内用户很多，加上前面的假定此时可以认为其余用户的干扰是加 性噪声；用户的q o s ( 服务质量) 用e f f i o 来表示，此处e b 是比特能量，i o 是噪 声功率谱密度；忽略背景噪声( 实际上小区内用户数很多是，多址干扰是主要的 干扰) 。 由上面的假设可以得到：每个用户所受到的干扰功率i 为： i - - - - - ( k - - 1 ) p 。 ( 1 1 ) 此处k 为小区内用户总数。 噪声功率谱密度为： i o = i w f1 2 、 电子科技大学硕士论文 此处w 为扩频带宽，此处假定在此扩频带宽内，功率谱密度是均匀的。 每比特接收的能量为： e b = p 。r ( 1 - - 3 ) 在以上假设条件下，由1 1 、1 2 和1 3 式可以得到一个独立小区共同存 在的用户总数与e b ，1 0 的关系表达式 2 经= 器 ( 1 4 ) 将1 4 式进行变形得到气：w - 4 由此可以看出为达到要求的e b ，n o 由 于扩频增益( w r ) 一定，小区内所允许的用户数不能超过特定总数。如果没有 上述假设考虑一种通常的情况会得到如下公式：碜彳。= 手等一_ p w 彳此处p 为期望用户发射功率，i 为干扰功率。从这里可以明显看出为达到要求的e b ，n o 由于扩频增益( w r ) 一定，干扰功率i 不能超过与e 叩j o 相应的允许范围。从 此可看出c d m a 系统是干扰受限系统。 1 4 式仅仅是在一个独立小区的条件下取得的。但由于c d m a 蜂窝系统中 频率复用系数为1 ，所有小区中的全部用户占用同一频段，必须计算其它小区对 本小区用户产生的干扰。如果所有用户均匀分布在每个小区中，且在理想功控下， 从所有其它小区中产生的干扰的总和大约等于本小区所有其他用户产生干扰的3 5 。所以式1 4 必须修正为 = 形= 羔( 1 - - 5 ) f 为小区外干扰与小区内干扰之比即f = 1 0 c i i 。1 0 c 为小区外干扰总和，i i 。为 小区内干扰总和。 考虑到语音激活技术和多扇区分别带来的增益g ，和g 。所以式1 5 将修 正为 一1 ：叱：g g 鲨丛( 卜6 ) 1s 邑n o ( 1 + ，) 5 】可以采用c d m a 系统固有的r a k e 分集接收技术，提高通信的质量。 正是因为c d m a 系统具有这些优势使其已经成为第三代移动通信系统空中 接口的多址接入方式。 c d m a 系统的上述优点在已开通的商用c d m a 系统i s - - 9 5 中基本上得到了 体现，但应该看到，目前的系统也存在一些困难与不足。 1 2c d m a 系统单用户检测的缺点 不同于f d m a 和t d m a ，异步c d m a 系统中各个用户同时占有整个频段和 时隙，不可避免的造成多址干扰( m a i ) ，并且由此形成所谓的远近效应现象。 理论上已经证明：在异步c d m a 系统中扩频码之间的相关性受到w e l s h 界所限 ，m a i 不可能完全消除。实际上即使是同步系统，虽然可以设计完全正交的扩 频码，但由于移动无线信道的多径效应，多址干扰依然存在。移动环境下的多径 衰落使得这一现象更加突出。需要说明的是：远近效应问题虽然可以通过完美的 功控得到解决，但一方面完美的功控实现起来是很困难，实际中如果功率控制的 误差超过l d b ，系统性能将有明显的恶化；另一方面完美的功控不能消除多址于 2 电子科技大学硕士论文 扰，只是将多址干扰降低到最小的程度并且均分到每个用户的身上。现有的 c d m a 系统，都是在相关( 匹配滤波) 器后直接解调判决( 实际中是送到译码 器进行译码) ，忽略了多址干扰( m a i ) 的影响，把系统的负担都寄托在扩频码 序列之间的互相关特性上。理论和实践证明，这种单用户检测方案( 不考虑编码 ) 如果想达到1 0 _ 4 的误码率，其频谱利用率仅能够达到1 0 左右。这样低的频 谱利用率，在频谱资源日渐紧张的蜂窝市场内其竞争力将大大降低。值得注意的 是：实际上，m a i 并不是c d m a 系统所固有的缺陷，而是因为我们采用的检测 方式有问题如前面所说的单用户匹配滤波检测，单用户匹配滤波检测在加性高斯 信道下是最优的，但实际c d m a 系统中由于m a i 的存在使得其不再是加性高斯 信道。 1 3 多用户检测的基本概念 单用户检测忽略了多址干扰( m a d 的影响，使得系统性能受限。如果我们 能够利用多址干扰信号的结构特征使多址干扰完全消除，系统性能将能够达到单 用户的性能。 实际上从信息论的角度来看，c d m a 系统是一个多输人多输出系统，采用 传统的单用户检测方式，不能充分利用用户闻的互信息，而将多址干扰认为是白 噪声，因此大大降低了系统容量。如果我们能够对所有用户进行联合检测，充分 利用用户间的互信息，系统性能将会大大改善。 1 9 7 9 年和1 9 8 3 年，k s s c h n e i d e r 和r k o h n o 分别提出了多用户接收即众所 周知的多用户检测( m u d ) 的思想，利用其他用户的已知信息消除m a i ，实现 无m a i 的多用户检测，并且指出了一些方向。1 9 8 6 年s v e r d u 将多用户检测的 理论向前推动了一大步，他提出了匹配滤波器组加v i t e r b i 译码的异步c d m a 最 佳检测，由于其复杂度与用户数成指数关系，工程实现上不可能。 1 3 1 多用户检测算法的分类 最优多用户检测算法复杂度与用户数成指数关系，工程实现几乎不可能。于 是众多学者在此基础上提出次优算法。大致分为两大类：线性多用户检测算法和 干扰相消算法。 线性多用户检测算法是将匹配滤波器组的输出进行某种线形变换，再做判决 ( 实际中是到译码器进行译码) 。具有代表性的算法有：r l u p a s 和s v e r d u 提出 的去相关检测算法( d e c o r r e l a t i n gd e t e c t i o n ) ；z x i e 等提出的线性最小均方误 差算法( l i n e a r m m s e d e t e c t o r ) ；s m o s h a v i 等提出的多项式展开检测算法( p 1 o y n o m i a le x p a n s i o n ) ；a l e x a n d r ad u e l h a l l e n 提出的去相关判决反馈算法( d e c o r r e l a t i n g d e c i s i o n f e e d b a c k ) 等等。线性检测算法一般情况下能够取得较好的效 果，但往往需要输入信号的自相关矩阵求逆，算法复杂性较高。 干扰相消算法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。一般又分为串行干扰相消( s i c ) 和并行干扰相消( p i c ) 。 前者利用已判决的用户信号再生于扰然后相消以有利于其他未判决用户的检测。 而后者则是对所有用户同时再生干扰并实行干扰相消，相消后进行判决，此过程 可以进行几次。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并且工 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 大大消弱甚至是使系统性能恶化。 3 电子科技大学硕士论文 1 3 2 多用户检测算法的优缺点 多用户检测算法的优点： ( 1 ) 是消除和减弱多址干扰的有效手段： ( 2 ) 是消除和减弱多径干扰的有效手段； ( 3 ) 是消除和减弱远近效应的有效手段； ( 4 ) 简化功率控制，降低功率控制精度； ( 5 ) 改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖范围。 总而言之：多用户检测对各个用户做联合检测或从接收信号中消除相互间的 干扰，从而有效地消除了m a i ，大大缓解了c d m a 的远近效应问题，从而可以 减轻功控的要求，明显的改善了系统的性能，提高了c d m a 系统的容量。 多用户检测算法的缺点： ( 1 ) 大大增加系统设备的复杂度； ( 2 ) 增加系统延时，这与具体的多用户检测算法有关； ( 3 ) 多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于实际的多径 时变信道来说不是一件容易的事，它需要通过不停的信道估计来实现，而信道估 计的精度将直接影响多用户检测的效率。 有必要强调一点：对单用户检测和多用户检测的划分不同人有不同的理解。 在本文中，视多址干扰为噪声，直接在相关器或匹配滤波器后做判决的传统方式 定义为单用户检测。有效的减少或消除m a i 的检测方式定义为多用户检测。 1 4 本论文研究的重点和章节安排 本文主要是对并行部分干扰相消多用户检测算法进行分析，并且给出其基于 w c d m a 系统的实现方案，最后分析多用户检测算法对w c d m a 系统容量和覆 盖的影响。章节安排如下： 第二章将引出本文算法分析中所采用的移动信道模型，同步和异步c d m a 系统模型。在此基础上分析常规单用户检测算法的缺点。论证c d m a 系统是干 扰受限系统，为进一步提高系统容量，必须实行多用户检测。 第三章将比较分析几种经典的多用户检测算法，包括去相关检测算法，最小 均方误差检测算法，串行干扰相消算法，并行干扰相消算法和并行部分干扰相消 算法等。通过对这些算法的比较分析，指出并行部分干扰相消算法具有良好的性 能和易于实现的特点。 第四章将针对w c d m a 系统进行并行部分于扰相消多用户检测接收机设 计。具体包括接收机的同步跟踪设计、信道估计以及成形滤波器设计等。 第五章分析讨论w c d m a 系统并行部分干扰相消多用户接收机的实现问 题。具体包括接收机的中频实现、接收机基带部分的设计以及并行干扰相消多用 户对资源池方式的影响等。 第六章将分析多用户检测对w c d m a 系统容量和覆盖的影响。首先推导出 c d m a 蜂窝系统容量覆盖公式，在此基础上，分析m u d 接收机的多用户检测效 率对c d m a 蜂窝系统容量和覆盖的影响。随后对影响多用户检测效率的干扰相 消效率和系统复用因子两个因素进行了全面而深入的分析。其中前者与接收机采 用的m u d 算法有关，一般通过链路仿真得到其结果，后者主要与蜂窝系统规划 设计中各种与环境相关的因素有关，如小区尺寸、信道模型、系统负载、用户分 布。 4 电子科技大学硕士论文 第二章信道模型和系统模型 本章将引出本文所采用的移动信道模型，同步和异步c d m a 系统模型。在 此基础上分析常规单用户检测算法的缺陷。讨论了一些常规的克服多址干扰的方 法，进一步说明为消除多址干扰，必须实行多用户联合检测。 2 1 移动通信信道模型 移动通信中的各类新技术，都是针对移动通信的信道特点，以解决移动通信 中的有效性、可靠性和安全性为目标而设计的。分析移动信道的特性是解决移动 通信关键技术的前提，是移动通信中各类新技术的源泉。在给出移动信道的数学 模型之前，先对移动通信信道进行定性分析。 2 1 1 移动信道的特点以及由此带来的对接收点信号产生的效应 移动通信信道不同于有线信道，具有如下一些特点： ( 1 ) 传播的开放性； ( 2 ) 接收地理环境的复杂性和多样性； ( 3 ) 通信用户的随机移动性。 正是由于移动信道具有上述特点，形成了移动信道下电波传播的如下特点： ( 1 ) 直射波：指在视距覆盖内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强； ( 2 ) 多径反射波：指从不同的建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信 号，其信号强度次之； ( 3 ) 绕射波：指从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度 与反射波相当； ( 4 ) 散射波：由空气中离子受激后二次反射引发的漫反射后到达接收点的传播 信号，其信号强度最弱。 正是由于移动信道的主要特点及其带来的电波传播上的特点，对接收点信号 将会产生如下的后果，即在传播上产生三类不同的损耗和三种效应。 ( 1 ) 三类不同的损耗 1 路径传播损耗：指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观 大范围内( 公里级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 2 慢衰落损耗：指由于在电波传播路径上受到建筑物或山丘等的阻挡所产生 的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变 化而引起的损耗。一般服从对数正态分布，其变化速率较慢。 3 瑞利衰落损耗：指由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内数十 波长量级接收电平的均值变化而引起的损耗。一般服从瑞利分布或莱斯分布，其 变化速率较快。仔细划分快衰落可以分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择 性衰落与时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的 时间其衰落特性是不一样的。 ( 2 ) 三种效应 1 阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半 盲区。 2 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是随机变化 5 电子科技大学硕士论文 的，若各个移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信 号强，反之则弱。此时通信系统的非线形进一步加重，出现强者更强，弱者更弱 和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。 3 多普勒效应：它是由于移动用户的高速运动而引起的传播频率的扩散，其 扩散程度与用户运动速度成正比。 2 1 2 信道模型 由上述可知：移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受 到来自不同原因的衰减损耗。也就是上述的三种损耗：路径传播损耗、慢衰落损 耗和瑞利衰落损耗。用公式表示为： p d ( t ) = d ( t ) 1 1 s d ( t ) k d ( t ) ( 2 1 ) 式中d ( t ) 表示移动用户与基站之间的距离。是随时间t 而变化的。 d ( t ) 1 表示自由空间传播损耗与弥散，n 一般为2 5 。 s d ( t ) 】表示慢衰落损耗，由阴影阻挡引起。亦称阴影衰落损耗。 k d ( t ) 表示瑞利衰落损耗，由多径传播引起。亦称多径衰落损耗。 从无线工程的角度来看，传播损耗和阴影衰落损耗主要影响到无线区的覆 盖。这可以通过合理的设计来消除其不利的影响。而多径衰落严重影响信号的传 输质量，并且是不可避免的。 公式( 2 1 ) 主要是从接收信号包络变化来反映移动信道特性的。在数字通 信中，更加注重于无线多径传播对接收信号产生的时延扩展所带来的影响。一般 应用如下图所示的带有加性噪声的线形时变滤波器模型： 图2 1 带有加性噪声的时变滤波器信道 说明： ( 1 ) 上图中线性时变滤波器的脉冲响应为c ( t ，百) = a f ( f ) 占。一f f ( f ) ) ； ( 2 ) n ( t ) 加性高斯白噪声； ( 3 ) r ( t ) = s ( t ) + c ( t ，t ) + n ( t ) = j c ( t ，t ) s ( t 一曲d 什n ( t ) = q ( f ) j ( t - t t ( t ) ) + n ( f ) 。 从上面我们可以看出可分辨路径数l ( t ) 、时延和幅度衰减a k ( t ) 是时变的。 实际处理基带数据时是按照块来处理的，根据移动信道参数的短时平稳性，可以 假定在处理当前数据块时可分辨路径数l ( t ) 、时延( t ) 和幅度衰减a k ( t ) 是不变的。 此时 6 电子科技大学硕士论文 c ( t ，f ) = n f 6 一) ( 2 2 ) 1 = 1 l r ( t ) = s ( t ) + c ( t ，曲+ n ( t ) = j c ( t ，d s ( t 一百) d 下+ n ( t ) = 盘f s ( t q ) + ，l ( f ) ( 2 3 ) 实际无线系统都是载波传输，接收信号处理一般是在基带进行，我们这里给 出( 2 2 ) 式的等效基带表示为： c ( t ，f ) = ，8 ( r - v z ) e 拍 在w c d m a 系统入网测试中，考虑如下几种类型的信道。 1 加性白高斯噪声信道：没有多径和衰落； 2 多径衰落信道。按照多径相对时延和功率的不同又可以分为如下表所示几 种信道。说明：c a s e 5 仅用在t s 2 5 1 3 3 处。从下表可以看出：速度越高，多径扩 展越大。室内环境第二径功率较弱。 c a s e ic a s e 2c a s e 3c a s e 4c a s e 5 c a s e 6 速度3 k m h速度3 k m h速度1 2 0 k m h 速度3 k r n h速度5 0 k m h遵度2 5 0 k m h 相对延平均相对延平均功相对延 平均功相对延平均功相对延平均功相对延平均功 时( n s )功率时( n s ) 蛊 时( 1 1 5 ) 直 时( n s ) 盅 时( n s )室时( n s ) 蛊 ooo0oo00 0ooo 9 7 61 09 7 6o2 6 039 7 6o9 7 61 02 6 03 2 0 0 0 0 05 2 165 2 16 7 8 197 8 1 9 2 2c d m a 系统模型 典型的多用户系统d s c d m a 模型如下图所示。 多 用 户 接 收 机 图2 2 典型多用户d s c d m a 系统模型 说明： ( 1 ) 为简化分析，图中调制假定为b p s k 调制。 ( 2 ) 图2 - - 2 中移动信道的模型与图一中的信道模型稍有区别，图二中移动信 道不再包含有加性噪声，而将它们统一折算到n ( t ) q h 。这与实际处理情况是相符 的。 7 电子科技大学硕壬论文 本文给出两种系统模型：同步d s c d m a 系统模型和异步d s c d m a 系统模 型。同步d s c d m a 系统模型用于简化分析多用户检测算法，异步系统模型是本 文所设计的多用户检测接收机所用的模型。 2 2 1 同步c d m a 系统模型 假定图2 - 2 中的移动信道为无噪声直通信道 0 ，则接收信号的等效基带表示为： 点一 r ( f ) = 艺4 p b i ( f ) & ( f ) + n ( t ) 说明： ( 1 ) p k 为用户发射功率； 调制时各个用户载波相位为 ( 2 4 ) ( 2 ) b k ( t ) 为用户反射信息，阢( f ) = b k i p r 。( f i t b ) 。b k i 1 ，一1 ) 为k 用 户信息比特。p 。( f ) 为宽度为t b 的方波。 ( 3 ) s k ( t ) 为用户k 的扩频信号波形。s 。( f ) = s f - l s + p t ( r j r 。) ； = 0 s ( r ) = ( f i t s ) 。其中s k 【j 为用户k 的扩频码，s k ( j 】电，- 1 。其扩频因子为 s f = t b ，r c 。为了简化分析此处假定扩频码为周期重复，重复周期为一个码元时 间宽度t b ，实际中可能与此有区别。另外为进步简化分析假定p ，( t ) 为宽度为 t c 的方波，实际中为控制发射信号的带宽，一般是经过低通滤波器整形的波形。 此低通滤波器的设计符合基带传输无符号间干扰的奈奎斯特原则。 ( 4 ) n ( t ) 为加性高斯白噪声，双边带功率谱密度为n o 2 。 2 2 2 异步c d m a 系统模型 假定图2 2 中的移动信道是图2 1 所述的时变线性滤波信道( 去掉加性噪 声) ，则接收信号的等效基带表示为( 此处采用短时平稳模型) ： r ( f ) = 艺石 ( 卜) r ( t - v ，) p 帕+ ，l ( f ) ( 2 5 ) k = l1 = 1 式中： ( 1 ) p 。为k 用户第l 径的接收功率。 ( 2 ) 饥1 为k 用户第l 径的延迟。 ( 3 ) h 为用户k 可分辨路径数目。 ( 4 ) 札为用户k 第l 径相对于某一参考相位的接收信号相位。 ( 5 ) b k ( f ) 和s 。( t ) 与同步系统模型相同。 2 3 基于匹配滤波器组的单用户检测 基于匹配滤波器组的单用户检测包括两种：常规匹配滤波接收机和r a k e 接 收机。常规匹配滤波接收机没有考虑多径，性能比r a k e 接收机要差。r a k e 接收 机进行了多径合并，起到了多径分集的效果。 8 电子科技大学硕士论文 2 3 1 匹配滤波( 相关) 接收机 多用户相关援收机的原理图如2 3i 到所不。此处1 阪议与弟一任利灶月c 。 由2 - - 5 式可知： b t ( i ) = 瞄i t b + z 棚k t ，( f ) ( 卜气，) e 嘲恸 = 而 f + 麟j 。善西( 卜) 蹦“) e i c y s i c ( 。e 1 们 憾i t b 4 飙 k l 。轰善而( f 一删以飞矽( 卜e 嘲旧r + 甚：0 蹦卜e 1 d t ( 2 - 6 ) 图2 3 匹配滤波( 相关) 接收机原理图 分析：2 6 式中第一项是我们期望的，第二项是多径干扰，第三项是多址干 扰，第四项是加性噪声引起的干扰。在满足多径时延大于码片周期的条件下第二 项多径干扰在c d m a 系统中会受大很大的抑制。第三项多址干扰的强度与用户 扩频码之间的互相关特性有关。但理论上已经证明：异步c d m a 系统中，扩频 码之间的相关性受到w e l s h 界所限。 结论：( 1 ) 由于多址干扰的存在，匹配滤波( 相关) 接收机不可避免的具有远 近效应。多径衰落信道中这一现象更加明显。 ( 2 ) 虽然c d m a 系统具有固有的抗多径衰落的能力。但匹配滤波( 相关) 接 收机抗多径的能力有限，依赖于扩频因子的大小。另外，它没有很好的利用多径 进行分集接收。 2 3 2r a k e 接收机 原理：对于频率衰落信道，由于信号带宽远远大于信道相关带宽，多径分量 可以分辨，且这些多径是相互独立的。因而我们可以进行多径分集接收。 r a k e 接收机的原理图如下图所示( 此处仅画出一个用户) ： 分析：r a k e 接收机的每一径接收相当于一个匹配滤波接收。所以每一径的 分析和前面的匹配滤波( 相关) 接收机类似，此处不再给出其表达式。r a k e 接 收机在每径接收之后有一个多径合并。合并的方法有选择式合并、等增益合并、 9 电子科技大学硕士论文 最大比合并等。由于多径之间相互独立，合并之后信号具有更强的抗衰落能力。 结论：( d r a k e 接收机的每一径接收相当于一个匹配滤波接收，所以每一径 的接收中包含有多址引起的干扰、多径引起的干扰和加性噪声引起的干扰。由于 多址干扰依然存在，远近效应依然存在。 ( 2 ) r a k e 接收机利用多径进行分集接收。提高了信号抗衰落的能力。实际上， r a k e 接收机利用扩频码的自相关特性为c d m a 宽带系统提供了一种空域分集的 效果。 ( 3 ) 实际使用中的r a k e 接收机的性能一方面受到可分辨多径个数的限制，另 一方面受到多径分辨率的限制。前者主要与实现的复杂性有关，为控制实现的复 杂度，一般每根天线的多径数为3 1 5 。后者与码片( c h i p ) 速率有关系：可分辨 路径的时延差至少为一个码片( c h i p ) 周期。 图2 4 ：r a k e 接收机原理 2 3 3 单用户检测接收机的缺陷和常规减小m a i 的方法 ( 1 ) 单用户检测接收机的缺陷 从上两节中我们可以看到c d m a 蜂窝系统中主要有三种干扰： 加性白噪声：它是所有通信系统中都存在的一类加性噪声，主要由通信 设备的有源和无源器件产生，一般遵从正态分布。 多径干扰：它主要是由于电波传播中的多径反射引起，在数据传输中会 引起符合间干扰或码间干扰。 多址干扰：在c d m a 蜂窝移动通信中，由于在同一个小区间，同时通信 的用户不是一个而是多个，各用户均占用同一时隙、同一频段，所不同 的选取的用户码( 扩频码) 不一样，而实际选用的用户码不可能完全正 交( 互相关不为零) ，因而造成了多用户同时通信时，必然要产生多干扰 以上三种干扰，当小区中同时使用的用户数较多时，多址干扰时最主要的干 扰。从公式2 6 中可以看出：单用户检测接收机无法消除多址干扰。多址干扰 的强度与用户扩频码之间的互相关特性有关，还与各个用户信号到达接收机的功 率有关。 ( 2 ) 常规克服多址干扰的主要措施和缺陷 1 0 电子科技大学硕士论文 ( ) 码型设计时克服多址干扰的最理想的措施 采用完全同步的码分多址方式，使用一组完全正交的扩频码，此时接收机在 完全同步的条件下，各个用户之间是不会产生多址干扰的。 实际情况下，多址干扰总是存在。在多径衰落信道中，理想的完全同步是难 以实现的，因而即使发射端采用完全同步的正交扩频码，接收端也不能保持接收 信号的正交性；理论上已经证明：同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进 制( 归零) 扩频码是不存在的，这就是著名的w e l c h 界；实际中有些通信系统不能 满足完全同步的码分多址方式，只能采用异步的码分多址方式。 正是由于有上面的这些限制，在实际的异步码分多址体制中，一般选用互相 关函数小的扩频码序列与码组。这造成多址干扰必然存在。 功率控制技术 实际中一方面由于多址干扰的必然存在；另一方面由于在蜂窝移动通信中， 用户是随机移动的，各个用户与基站之间的距离不同，如果没有功率控制，会造 成离基站近的用户到达基站的功率大于离基站远的用户。同时由于器件的非线性 将会产生以强凌弱的现象，这就是所谓的远近效应。 一个值得注意的问题是：功率控制只是尽可能减少多址干扰的影响，将多址 干扰降低到尽量低的水平，并不能从根本上消除多址干扰的影响。 实际中另一个值得注意的问题是：理想的功控是很难达到的，而系统性能对 功控误差很敏感。如果功率控制误差超过l d b ，系统性能将有明显的恶化。 空间滤波技术 它的基本思路是将整个小区内的多址干扰按空间区域将整个小区划成几个 子小区，将多用户的干扰从整个小区减少到子小区，以到达在每个子小区内减少 多址干扰的目的。一般采用多扇区和智能天线技术。 空间滤波技术能够很大程度上的降低多址干扰，特别是智能天线技术。但空 问滤波技术对来自同一波束方向的多址干扰是无法消除的，它只能部分抑制多址 干扰，当用户比较密集或者用户很多时，多址干扰仍然严重的影响系统性能。 ( 3 ) 为完全消除多址干扰，必须实行多用户检测 c d m a 系统是干扰受限系统。当小区中同时使用的用户数较多时，多址干 扰时最主要的干扰。从前面的分析中，我们可以看到：仅仅采用常规的技术是无 法完全消除多址干扰的，为到达完全消除多址干扰的目的，必须实行多用户检测。 2 4 小结 本章首先引出本文所采用的移动信道模型，同步和异步c d m a 系统模型。 在此基础上分析常规单用户检测接收机：匹配滤波接收机和r a k e 接收机，指出 常规的单用户检测接收机无法消除多址干扰。接着进一步讨论了一些常规的克服 多址干扰的方法，指出这些方法只是减少消除多址干扰，说明为了完全消除多址 干扰，必须采用多用户联合检测的方法。 电子科技大学硕士论文 第三章多用户检测算法的比较分析 多用户检测算法的性能指标包括描述抑制远近效应能力的渐进效率、表针检 测质量的误码率、检测时延、对信道参数( 信道时延、幅度和相位) 估计误差的 敏感性和系统实现的复杂度。一般来说：性能取决于所应用的多用户检测器的复 杂度，故需要在性能与复杂度之间进行权衡。本章将对几种多用户检测算法在这 些性能指标上进行比较分析，重点考虑基于这些算法的多用户检测接收机的实现 问题。通过分析本文选择并行部分干扰相消的多用户检测算法。并进一步结合具 体的基于相关器实现的结构对此算法进行分析。 3 1 多用户检测算法 多用户检测算法已经比较成熟，本节将分析几种经典的多用户算法。为了简 化分析，采用单径的异步c d m a 系统模型即： r ( f ) = , f - - i k b k ( t r k ) s t ( 卜q 弦“+ n ( f ) ( 31 ) k 说明：此处采用的是基带等效模型，这一方面利于仿真，另一方面实际接收 机也是在基带进行多用户检测处理的。式中p k 是用户k 接收信号功率。b 。( t ) 和 s k ( t ) 与式2 4 相同。气是k 用户的延时。丸是k 用户相对于某一参考相位的接 收相位。n ( t ) 接收机端产生的白高斯噪声。 多用户检测接收机的基本结构如下： 1 匹配滤波器卜_ 叫墨壁l 一旦止型一 生j - 1 匹配滤波器卜_ - _ 二薹要二二 ：土口 # j h j 。 l ：_ ； i 州 1 7 j * l j i ； t ( 卫 d i ( f ) 图3 1 多用户检测接收机的基本结构 由上述结构，可以给出判决量( 对匹配滤波器输出去相位旋转) 的矩阵表达 式：z = e - j ( o ) y ( 3 - - 2 ) 说明：k 用户匹配滤波器输出的i 比特为矢量y 的第( ( f i ) k + k ) 个元素，k 为小区内用户总数。o 为k n 。k n 。的对角矩阵，其对角元素0 ，为k 用户匹配 滤波器输出i 比特的相位，j = ( ( f 一1 ) k + k ) ，n b 为序列中的总比特数。矢量y 的第，= ( ( f 一1 ) k + k ) 个元素定义为 p 厅+ f y “一z ) + t 2 = j ( ，】) ；+ ，r ( t ) s ( f f 女) d r 3 - - 3 ) 用矩阵形式表示匹配滤波器的输出 y = r i v e ：o b + n ( 3 4 ) r 为k n b k n 。的矩阵 1 2 r = 电子科技大学硕士论文 h ( o ) h ( - 1 ) 0 h ( 】)h ( 0 )1 4 ( 一1 ) 0 h ( 1 ) h ( o )