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薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 摘要 结合o f d m 和c d m a 技术的多载波c d m a ( m c - c d m a ) 系统是未来移动 通信系统一种很有应用前景的候选方案，相当多的专家学者都在对它进行研究。 本文主要针对单用户检测和多用户检测相关技术进行了研究，并得出了一些具有 理论意义和实用价值的结论。 单用户检测中的关键技术很多，主要有接收端和发送端的同步，信道估计和 分集等。本文的研究主要是针对频率分集中的均衡技术。均衡有正交性恢复 ( o r c ) 均衡、受控均衡( c e ) 等，但是o r c 均衡对噪声有放大效应，而受控 均衡需要根据信道的衰落情况来确定其阈值，在实现中比较复杂。本文基于对频 率非选择性r a y l e i g h 衰落信道中采用o r c 技术的m c c d m a 系统下行链路误码 率下边界的分析，提出了忽略最弱子载波( 信道衰减系数最小的子载波) 的改进 o r c 检测方案( e o r c ) 。 多用户检测有最优检测、线性检测以及非线性检测等。非线性检测中现在研 究得最多的是干扰抵消法( i c ) 。干扰抵消法是一个多级检测过程，其第一级检测 是传统的单用户检测，所以误码率较高。而第一级出现误码对后续的检测正确性 将产生极大的影响。鉴于此，本文提出了基于并行干扰抵消( p i c ) 的m c c d m a 系统下行链路多级检测技术改进方案。该方案以e o r c 获得初始数据估计，后续 各级采用e o c 技术。仿真结果表明，改进方案经过一级p i c 之后即可达到采用 m m s e 技术的m c c d m a 系统性能，在算法性能与复杂度之间折中考虑，三级 p i c 是比较实用的一种检测方案。 传统的最小均方误差( m m s e ) 检测器不能在理论上保证达到最小误码率， 本文在研究最小误比特率( m b e a ) 滤波算法原理基础上，探讨了基于m b e r 准则的 m c c d m a 系统下行链路多用户检测方案。利用梯度下降和内核密度估计的方法， 可以 各m b e r 推广到自适应实现的l b e r 算法。该算法与n l m s 有类似的计算复杂 度，但从仿真结果可以看到，l b e r 具有k ? n l m s 更好的收敛性能和误码性能。 关键词：多载波码分多址；正交性恢复合并；多用户检测；并行干扰抵消；最小 误比特率 扬卅l 大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i c a r r i e rc d m as y s t e m sc o m b i n i n go f d mw i t hc d m ai sap r o m i s i n g c a r l d i d a t ef o rt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dn o wl o r so fe x p e l sa r e d e v e l o p i n gi t t h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so ns i n g l e u s e rd e t e c t i o na n dm u l t i h s e r d e t e c t i o nt e c h n i q u e s a n dh a sg a i n e ds o m et l l e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s u l t s t h e r ea r em a n yk e y t e c h n o l o g i e s a b o u tt h e s i n g l e u s e rd e t e c t i o n ，s u c h a s s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r c h a n n e le s t i m a t i o na n dd i v e r s n t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so ne q u a l i z a t i o ni nf r e q u e n c yd i v e r s i t y , w h i c hi n c l u d e so r c e q u a l i z a t i o na n dc o n t r o l l e de q u a l i z a t i o ne t c t h eo r ce q u a l i z a t i o nh a sa m p l i f i c a t o r y e f f e c to nt h en o i s e ，a n dt h ec o n t r o l l e de q u a l i z a t i o nn e e d sat h r e s h o l dd e t e r m i n e db yt h e c h a n n e lf a d i n g t h e s ea r ev e r yd i m c u l tt ob ei m p l e m e n t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fb i t e r r o rr a t el o w e rb o u n df o rt h eo r ct e c h n i q u eo ft h em c c d m as y s t e m sd o w n l i n ki n t h ef r e q u e n c yn o n s e l e c t i v er a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，a ne n h a n c e d0 r ct e c h n i q u et h a t o m i t st h ew e a k e s ts u b c a r r i e r ( t h es u b c a r r i e rw i t ht h es m a l l e s tc h a r m e lf a d i n gf a c t o r 、i s p r o p o s e d m u l t i u s e rd e t e c t i o ni n v o l v e so p t i m a ld e t e c t i o n ，l i n e a rd e t e c t i o na n dn o n l i n e a r d e t e c t i o ne t c i nn o n l i n e a rd e t e c t i o n ，t h e r ea r ea na m o u n to f 】i t e r a t u r e sa b o u t i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm e t h o di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t i o ni sa ni t e r a t i v e p r o c e d u r e a n di t sf i r s ts t a g ei st h ec o n v e n t i o n a ls i n g l eu s e rd e t e c t i o n s ot h ef i r s ts t a g e m a yh a v eh i g hb i te r r o rp r o b a b i l i t yu n f o r t u n a t e l y , d e t e c t i o ne r r o ri nt h ef i r s ts t a g ew i l l h a v eb a de f f e c t so n 由ed e t e c t i o no fs u b s e q u e n ts t a g e s t a k i n gt h i si n t oa c c o u n t a n i m p r o v e ds c h e m e o fm u l t i s t a g e d e t e c t i o n ( m s d ) b a s e d o n p a r a l l e l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( p i c ) i sp u tf o r w a r d t h em e a s u r ea d o p t sa n e we n h a n c e do r c ( e o r c ) t o g e ti n i t i a ld a t ae s t i m a t i o n a n de g ci su s e di n t h es u c c e s s i v es t a g e s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dm e a n sc o u l dg e tt h a to ft h em m s e m e t h o df o rt h em c - c d m as y s t e m sd o w n l i n ka f t e ro n ep i cs t a g e ，t h r e es t a g e sp i ci sa b e t t e rt r a d eo f f b e t w e e nt h ep e r f o f n 2 a n c ea n dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h ec o n v e n t i o n a lm m s ed e t e c t i o nt e c h n i q u ec o u l dn o te n s u r ea c h i e v i n gm i n i m u m b i te r r o rr a t e ( m b e r lt h e o r e t i c a l l y an e wp l a no fm u l t i u s e rd e t e c t i o nb a s e do nm b e r c r i t e r i o ni sd i s c u s s e df o rt h em c c d m as y s t e m sd o w n l i n ki nt h ef a d i n gc h a n n e l s t h e d i s c u s s e dp r o j e c tc a nb ec a r r i e do u tb yg r a d i e n ta l g o r i t h m b a s e do n 也ee s t i m a t i o no f k e r n e ld e n s i t yf u n c t i o n a na l g o r i t h m c a l l e da d a p t i v e1 e a s tb i te r r o rr a t e ( l b e r ) m u l t i u s e rd e t e c t i o n c a l lb eo b t a i n e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h el b e r h a sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ec o n v e n t i o n a ln l m sa l g o r i t h mi nc o n v e r g e n c ea n d b i te r r o rr a t e ，t h o u g ht h e yh a v et h es a m ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y k e y w o r d s ：m u h i c a r r i e rc d m a ；o r t h o g o n a l i t yr e s t o r i n gc o m b i n i n g ；m u l t i u s e r d e t e c t i o n ；p 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 n ；m i n l m u mb i te r r o rr a t e 薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 移动通信发展现状 自移动通信诞生之日起，其主流业务一直是人与人之间通过移动通信系统用 语音进行沟通的语音业务。随着i n t e m e t 及多媒体技术的快速发展，用户越来越 不满足这种人与人之间的单一通信方式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富 的业务，例如因特网接入、图像传送、视频点播、数据互传、实时电视节目等数 据或多媒体业务。同时也希望从目前的人与人之间的通信发展到人与机器、机器 与机器之间的通信。此外，对于运营商来说，则更希望下一代的通信系统能够更 易于加载各类新业务及融合新技术，而无需频繁地进行系统结构和设备的变动， 这些需求将会使得移动通信模式发生较大的变化。 为适应人们对移动通信越来越高的要求，目前世界各国都展开了对第四代 ( 4 g ) 移动通信系统的研究和开发工作。4 g 系统的目标是能够提供比目前的 2 g 3 g 无线蜂窝系统更高的传送速率，能够提供多种数据业务，如交互多媒体业 务、基于i p 的语音业务、网络游戏和视频会议等。我国在2 0 0 2 年3 月正式宣布 启动对4 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动4 g 移动通信技术的 标准化进程。按照目前的研究成果和专家的预测，4 g 系统将会在2 0 1 0 年以后投 入商业运营，最高下行速率将达到1 0 0 m b p s 。 112m c c d m a 移动通信系统 从技术层面来看，3 g 主要以c d m a 为核心技术，4 g 系统则以正交频分复用 ( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术最受瞩目。o f d m 采 用正交多载波调制技术，把高速率数据流分成多个低速传输率的数据流，用并行 数据流去调制多个载波，使得数据符号的持续时间变长，可能比多径传播的最大 延时大得多，所以可有效抵抗多径效应，减少符号间干扰，降低接收端均衡的复 杂性。c d m a 技术具有容量大、抗干扰能力强、频谱利用率高等优点。然而，传 统的c d m a 技术属于窄带扩频系统，它的数据速率比较低，不能胜任高速数据通 信的需要，限制了其应用。结合o f d m 和c d m a 的多载波c d m a ( m e c d m a ) 【l j 兼有二者的优点，被广泛地认为可用于4 g 移动通信系统中 23 | 。 2 扬州大学硕士学位论文 m c c d m a 是频域扩频与多载波调制的结合，其扩频码的各码片在频率域是 在各子载波信道上排列的，它对数据扩频后所得到的高速码片并行地在每个子载 波上进行传输，起到了频率分集的作用。这样，信号的发送和接收均可使用快速 傅立叶变换( f f t ) 来实现，各子信道的频谱相互重叠，有效地提高了频谱效率。从 时间域看，低速的子数据流的符号周期长，相同的时延扩展造成的码间干扰比串 行体制小，在采用循环前缀时，更可完全消除码间干扰的影响。从频率域看，子 信道带宽远小于相关带宽，在每个子信道上衰落是平坦的，频率选择性深衰落仅 影响系统中的一个或几个子信道。利用子信道之间的相关信息，可以恢复受干扰 的子信道上的数据，从而有效地使衰落引起的错误随机化。 12 论文的主要工作与章节安排 m c c d m a 是c d i v l a 和o f d m 结合的新技术，所以c d m a 和o f d m 中的 研究热点大多都能在m c c d m a 中得到体现。归纳起柬主要有峰值平均功率比问 题、同步问题、信道估计问题以及信号检测问题等p 。j ，本文主要是围绕m c - c d m a 系统多用户检测技术( m c m u d ) 展开研究的。 由于引入了c d m a 技术，m c c d m a 也是一种干扰受限系统。特别是在多 用户情况下，由信道衰落、功率控制不完善以及非同步传输等因素导致的多址干 扰( m a i ) ，仍是提高m c c d m a 系统容量和性能的主要障碍之一。将多用户检测 技术引入到m c c d m a 系统，可以实现频域、码域联合处理、联合优化，大大提 高系统抗干扰性能。 论文共分六章，各章的主要内容安排如下： 第一章，绪论。阐述移动通信的发展现状，指出m c c d m a 系统应用前景， 以及采用多用户检测技术的必要性和可行性。介绍论文的主要研究工作和论文的 结构。 第二章，m c c d m a 基本原理。从介绍多载波调制的基本原理入手，讨论o f d m 和c d m a 结合的三种方式，给出了本文要研究的m c c d m a 系统结构。对 m c c d m a 系统的m a i 进行分析，介绍了m c c d m a 系统多用户检测技术的研究现 状及其分类。 第三章，一种改进的o r c 技术。分析m c c d m a 系统发送机与接收机工作 原理；推导频率非选择性r a y l e i g h 衰落信道中o r c 技术误码率的下边界，在此 基础上提出其新的改进方案，使其更加实用。 薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 第四章，基于p i c 的多级型多用户检测技术。介绍干扰抵消检测算法，给出 m e c d m a 系统的矩阵向量表示法：研究基于p i c 的m c c d m a 系统多级检测 算法，并进行了仿真分析：对该多级型多用户检测技术进行改进，计算机仿真结 果表明：在算法性能与复杂度之间折中考虑，三级p i e 是比较实用的一种检测方 案。 第五章，基于m b e r 的m c c d m a 系统多用户检测方案。从介绍最小误比 特率滤波算法入手，通过一个仿真实例研究了该算法的性能。然后将其引入到 m c c d m a 系统，探讨了该算法在m c - c d m a 系统多用户检测中的应用，计算 机仿真结果验证了该方案的有效性。 第六章，总结与展望。对本文所做的工作进行了总结，并展望了需要继续研 究的地方。 4 扬州大学硕士学位论文 2m c c d m a 基本原理 近年来受到人们广泛关注的一项宽带传输技术是以o f d m 为代表的多载波 传输技术。多载波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流，然后用低速率多 ? 状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行传输的系统。 m c - c d m a 作为o f d m 和c d m a 的结合，是多载波传输的方案之一，被普遍认 可为是下一代移动通信的关键技术。本章从多载波调制的基本原理入手，介绍了 o f d m 和c d m a 结合的三种方式。重点分析了m c c d m a 系统m a i 产生的原因， 初步探讨了该系统采用的多用户检测技术。 2 1 多载波通信技术 2 1 1 直接扩频与多载波调制原理 为了解释清楚相关概念，先介绍直接序列扩频c d m a ( d s c d m a ) 和多载 波调制( m c - s s ) 的三维时间频率功率谱密度表示。如图2 1 所示，各种信号的 时间、频率数值都以功率归一化的信息符号的符号周期z ，和速率i t ，, 表达。信息 符号可变换为d s c d m a 扩频信号或m c s s 扩频信号，具体到图示为信号在三 维空间上的变化，变化的目的是适用移动信道传输的要求。 功鼍谱密度 信息符号学荔譬警 去- 、 m c s s 扩频信号 t = 瓦c 图21 三维时间频率功率谱密度表示 直接序列扩频的原理三维时间频率功率密度表示如图2 2 。数据符号首先用 用户特定的扩频码进行扩频，然后再和载波工相乘。d s c d m a 扩频码包括l 个 码片，每一个码片的持续时间为t ( 见图2 1 ) ，则码片速率l 瓦为数据符号速 o 、v 薛波m c - c d m a 系统多用户检测技术研究 率l 乃的三倍。在d s c d m a 中，多个用户同时使用全部可获得的带宽，区分用 户信号的是用户的特征码。 图22 直接序列扩频原理 由于通信所需求的传输速率越来越大，使得数据符号的持续时间越来越短。 如果传输的符号持续时间小于多径信道的最大时延，将导致较大的符号间干扰 ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，这使得接收端的复杂性大大增加。要防止i s i ， 可以想办法降低符号速率，这就引入了多载波调制。其原理如图2 3 所示。多载 波调制使用。个子载波并行传输信息，则能使高速的数据流分成m 个低速的数 据流。每一个子数据流单独调制在子载波六= 1 ，m ) 上，这样，总的频带被 划分为。个窄带，在每个窄带内信道特性呈现频率非选择性衰落。每一个子载波 的数据符号速率降低到了原速率的1 n ，这样就降低了i s i 。 图23 多载波调制原理 多载波通信通常的实现是使用传统的频分多路复用，各个子频带完全隔离， 但由于滤波器有限的滚降特性，难以避免子信道间干扰( i n t e r c h a r m e li n t e r f e r e n c e ， i c o 。如果允许子频带相互重叠，但子频带之间保持正交，则频带利用率更高， 且能避免i c ia 如果在脉冲整形中使用矩形窗，则只需使子载波之间的间隔等于 符号持续时间瓦的倒数即能保证正交，这就是正交频分复用( o r t h o g o n a l ! 堑丛奎堂堡圭兰堡堡苎 一 一 f r e q u e n c y d i “s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 1 5 1 o n 。个并行的低速数据流形成的数据 符号称为o f d m 符号，其符号持续时间t 等于。- 死，符号速率为l i t , 。 由于符号持续时间扩大到了原符号持续时间的。倍，则只要札足够大，可 使o f d m 符号的持续时间远大于信道时延扩展，如果再在o f d m 符号前加上一 个保护区间，理论上可完全避免符号间干扰。 21 2 几种多载波c d m a 方案 基于c d m a 和o f d m 的不同组合方式，多载波c d m a 可分为三类：多载波 c d m a ( m c c d m a ) 、多载波直接序列扩频c d m a ( m c d s c d m a ) 和多音 c d m a ( m t - c d m a ) 。采用多载波c d m a 的好处就是可以把高速数据流分成多 路低速数据流，分别调制到不同的予载波上，获得频率分集的效果，提高抗多径 干扰的能力。与d s c d m a 相比，其可以提供更高的数据速率【6 j 。下面对这三种 方式怙殳简单介绍。 1 、m c c d m a ( 多载波c d m a ) m c c d m a 是将直接序列扩频和多载波调制串行级联而成的方式。首先，信 源数据符号经长度为三的扩频码扩频，得到三个码片，这三个码片再由上个子载 波并行传输。如果子载波数目i v ，等于扩频码的氏度上，则m c c d i v l a _ 所需要的 带宽和d s c d m a 所需带宽相同。如果取工小于n 。，则可引入频率交织等技术， 从而增加m c c d m a 系统的灵活性，降低接收端信号检测的复杂度。图2 4 示意 了将d s c d m a 和o f d m 级联的等价实现的原理图，图中等于。其实现方 式是将每一个数据符号都复制到上个子数据流上，每一个子数据流上的信息再和 扩频码的一个码片相乘。一个码片的持续时间为z ( 参见图2 1 ) ，它是d s c d m a 码片持续时间的，倍。如果上等于，则数据符号持续时间、码片持续时间以 及o f d m 符号持续时间都相等。 大部分m c c d m a 系统都用在从基站( b s ) 到移动台( m s ) 的下行链路，主要是 下行链路上时间和频率的同步使得系统的实现较简单，执行一致检测时信道估计 也更有效。m c c d m a 目前研究得最广，本文也只对其研究。 蔓鎏塑竺：曼里竺垒墨竺兰旦生丝型垫查翌茎 一一三 图24 单个用户数据m c c d m a 扩展原理 2 、m c d s c d m a ( 多载波直接序列扩频c d m a ) 这种方案中，串行的数据流首先被转换成并行低速的数据流，然后再在每个 子数据流上进行直接序列扩频，见图2 5 。m c d s c d m a 扩频码码片的持续时间 等于m c c d m a 中码片持续时间，为d s c d m a 中码片持续时间的倍，当上 等于，时，它也等于数据符号的持续时间。选择子载波间隔等于码片持续时间的 倒数即可保证子载波间的正交。 图2 5 单个用户数据m c d s c d m a 扩展原理 m c d s c d m a 的扩展不是在频域上的扩展，而是在时域上的扩展。由于每 一个数据符号的所有码片均在同一个子载波上传输，而每一个子载波的频带都是 频率非选择性衰落的，所以不能利用频率分集。当扩频码较长时，能够很好地利 用时间分集的特性。如果要利用频率分集特性，则需要使用其它的技巧，如频率 交织、子载波跳变等。 3 、m t - c d m a ( 多音c d m a ) m t - c d m a 的数据映射和扩展同m c d s c d m a ，其原理可参照图2 5 。但是， 由于m t - c d m a 中扩频码的持续时间为m c d s c d m a 中扩频码持续时间的 1 ，所以子载波之间的间隔为码片持续时间倒数的l 。扩频前的，个并行 传输的数据符号满足正交条件，而直接序列扩频后，正交条件不再满足，从而导 扬，i , i 大学硕士学位论文 致了i c l 。但以i c i 为代价，m t - c d m a 方案可以使用与子载波数目成正比的更长 的扩展码，因此与通常的单载波的d s c d m a 方案相比，该系统可以容纳更多的 用户。 此外，m t - c d m a 中每一个用户使用的载波频率是不同的，而每一个数据符 号使用的频带宽度等于d s c d m a 系统频带宽度导致的结果是系统所使用的带 宽大约为m c d s c d m a 系统带宽的两倍。从频谱结构来看，与m c c d m a 和 m c d s c d m a 相比，m t - c d m a 的频谱分布不均匀。各个子载波在同一个物理 信道中心部分的频谱迭加的成分最多，频谱分布不均匀，导致了部分的抗干扰性 能下降。 2 2m c c d m a 系统结构 图26 给出了一种m c c d m a 下行链路系统结构。在系统中，多个用户的 输入数据劳行地加在系统的输入端，利用扩频码，将每个用户的数据扩展到所有 的子信道上，并与其他用户的信号叠加。叠加后的信号通过i f f t 变换到时域， 完成并，串变换，同时加入保护间隔。再通过数模变换和低通滤波形成模拟基带信 号，用上变频搬移至射频发送。接收机的解调部分完成发射机调制部分的逆过程， 由于信道的作用，在f f t 后得到的频域信号与i f f t 之前的信号相比，幅度与相 位都受到畸变，同时还含有加性噪声和i c i 。此时需要对信道畸变做估计，利用 估计得到的相频和幅频响应来进行均衡以消除畸变。再利用分集合并技术，根据 不同子信道的信噪比分配不同的支路权因子。最后用扩频码来恢复各用户的二进 制数据。 从系统结构上看，m c c d m a 比o f d m 多了将用户数据利用正交码集扩展 到多个子信道的过程，这也可认为m c c d m a 是在o f d m 的基础上增加了一种 基于正交码的多址接入技术。所以在i f f t 和f f t 之间的部分，o f d m 系统的一 些现有结论也基本适用于m c c d m a ，如时域同步算法、基于导频信号的信道估 计和频域的信号均衡方法等。 扩频码的选择直接影响到m c c d m a 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换 速度等特性。对于同步应用时，使用相互之间完全正交的多址扩展码，可以大大 减少多用户之间的干扰，比非正交码有更好的性能。m c c d m a 系统的扩频是通 过频域( 子载波信道) 上的扩频码来实现的，应采用正交扩频码来实现多用户通 信。 薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 9 用户0 用户1 用户n u l 用户0 用户l 用户n u 鞠攀 o f d m 惆制 ( i f f t ) 萝l j 器 串ii 间隔馨h 蠢 i 噪声 蓑h 簪h 鬻ho 黼f d mh 霎h 纛h 耸h 嘉 信 道 也竺! i 图26m c c d m a 的一种系统结构 理论上完全正交的码型的白相关函数应满足如下要求： c 【f k f = 4 。 ( 2 1 ) 目前已经研究提出了许多的正交码，有m 序列、g o l d 序列、w a l s h h a d a m a r d ( w h ) 码等”1 。多载波调制采用了f f t ，因此码长应为偶数，考虑到这一点， w h 码比较合适。 w h 码是通过矩阵的方法产生的。定义： 即r 习 z ， 码长为2 ”1 的w h 码可以通过下面迭代的方法产生： h 。档划呛， 汜s ， 其中i - i + ，是2 “1 2 n + i 矩阵，h 。是2 ”x2 ”矩阵，矩阵日。的每列或每一行都可以 作为一个用户的扩频码。任意两个码之间的内积为零，即这些码是相互正交的。 扬州大学硕士学位论文 2 3 m c c d m a 系统m a l 分析 在m c c d m a 系统通信中，干扰大致有三类：加性白噪声干扰、信道间干扰 和多用户之间的多址干扰( m a d 。当同时通信用户数较多时，多址干扰成为最主 要的干扰。由于码分多址是一种干扰受限系统，所以多址干扰不仅严重影响系统 的抗干扰性，而且也限制了系统的容量提高。 造成移动m c c d m a 系统m a i 的因素很多，但尚未有文献对此做过分析， 人们倾向于仅考虑自己关心的某种环境中的m a i 。在大多数情况下，为了简化问 题这样做是必须的。但较全面的认识m a i 机制对讨论m c c d m a 系统多用户检 测很重要，对m c c d m a 研究的其他方面也有帮助。 m c c d m a 系统m 雕产生的主要原因有： ( 1 ) 非正交扩频码； ( 2 ) 功率控制不完善： ( 3 ) 频率选择性衰落； ( 4 ) 非同步传输； ( 5 ) 非理想o f d m 解调。 如果使用非正交扩频码，因为扩频码的互相关不为零，即使没有其它因素影 响，也存在m a i 。功率控制不完善会带来远近效应，造成处于小区边界或其它不 利条件下的用户通信中断或无法接入。通过频率选择性衰落信道后，各个子载波 会有不同幅度和相移，即使同步传输、无交织，用户间的正交性也会受到损坏， 产生m a i 。 非同步传输的影响主要有两方面，期望用户相对于参考用户的时间错位及相 位变化。当时间错位大于保护间隔时，会在o f d m 解调后产生载波间干扰( i c i ) ， 即使使用正交码，用户间正交性也会损失。文献 8 】的仿真表明：小信噪比( s n r ) 时，白噪声和信道衰落效应支配着m a i ，系统性能主要依赖于能达到的分集数； 而大s n r 情况下，m a i 主要由不同步o f d m 解调的i c i 导致，并且这时m a i 是影晌系统性能的主要因素。另外，使o f d m 解调性能不理想的还包括频率偏移、 相位噪声等时交因素，这些都会直接或间接地引起i c i ，进而导致m a i 。 由以上分析可知，如果信道相干带宽较大，可采用正交扩频码来减小原因( 1 ) 造成的下行链路m a i ；否则，原因( 1 ) 会给上下行链路造成基本相当的m a i ； 原因( 3 ) 和( 5 ) 上下行链路都有。原因( 2 ) 和( 4 ) 只在上行多址信道中存在。 因此上行链路会受到比下行链路更严重的m a i 。 薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 1 1 2 4m c c d m a 系统多用户检测技术 2 4 1 多用户检测技术 多用户检测技术是宽带c d m a 通信系统中抗干扰的关键技术。近十年来，多 用户检测技术已经成为通信领域的一个研究热点。在实际的c d m a 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( m u l t i p l ea c c e s s s i n t e r f e r e n c e ，m a i ) 存在的根源。由个别用户产生的m a i 固然很小，可是随着用户 数的增加或信号功率的增大，m a i 就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。 多址干扰的存在，使一个c d m a 多用户通信系统的误码性能不再只取决于系统的 信噪比，而更多地取决于多址干扰的大小。 从信息论的角度讲，多址干扰不同于高斯白噪声，它具有一定的结构性，是 一种携带有通信用户信息的信号【9 】。如果能利用多址干扰所提供的先验知识，然后 按照某种准则来检测用户，可全部或部分地消除多址干扰，从而提高系统容量、 改善系统性能。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信号 分别进行扩频码匹配处理，因而抗m a i 干扰能力较差。多用户检测 1 0 l ( m u l t i u s e r d e t e c t i o n ，m u d ) 技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成m a i 的所有用户 信号信息对单个用户的信号进行检测，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，因而可以更加有效的利用频谱资 源，显著提高系统容量。 随着多用户检测技术的不断发展，多用户检测器将会在4 g 系统的基站和终 端中得到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4 g 系统必然采用 的技术。随着多用户检测器研究的不断深入，各种高性能但不是特别复杂的多用 户检测器算法被不断提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可 行的。 2 4 2m c c i ) m a 系统多用户检测技术 时域扩展多载波方案如m c d s c d m a 每个支路都是d s c d m a 信号，因 此可以在子信道直接应用d s m u d 。而m c c d m a 是频域扩频，因此信号的检 测技术都直接以信号的时频结构为基础，与d s c d m a 信号检测差别很大。时 域处理和频域处理技术水平及相应的接收机实现复杂度是有差异的，一种m u d 方案在m c - c d m a 系统和d s c d m a 系统，具体通信环境下的性能也不同。 扬州i 大学硕士学位论文 最大似然检测( m l d ) ，也称m l - m u d ，需要知道所有活跃用户的扩频序 列和信道状态信息( c s i ) ，进行完全检测( 检测所有可能发送序列j ，是m c m u d 的理论最优形式。“最大似然般是指信号与可能的发送序列间欧氏距离最小。 算法复杂度随着扩频码长度和用户数迅速增长，实现上受限制很大，建议只在扩 频短码的方案中使用。 联合检测( j d ) 的基本思想是在接收机前端置一相关滤波器组，对输出结 果进行线性或非线性变换。j u r t gp 等提出在m c - c d m a 上行链路采用j d 克服 m a i “】，避免使用浪费资源的快速功率控制和软切换。并研究了移动环境下四种 次优m c c d m aj d 技术的可行性和性能，第一次“有意识地”将d s m u d “移植” 到m c c d m a 系统。 1 9 9 7 年，s t e i n e rb 提出用干扰抵消( i c ) 的方法克服m a i ”】，i c 的基本思 想是再生干扰信号，并从期望信号中将其扣除。i c 检测器的结构主要有串行 ( s i c ) 和并行( p i c ) 两种。迭代检测( i d ) 可看作是m c c d m ap i c 检测的 前身，虽然文献1 3 并未用多用户检测的理论加以阐述，但己经具备了p i cm u d 的特征。这种方法先对所有用户信号进行一次单用户检测，然后对每个用户计算 其他用户的m a i ，并从接收信号中减去m a i 。最后再进行一次单用户检测，因 此是一级p i c 。i d 的两次单用户检测可根据需要选择，e g c e g cm u d 、 o r c - m r cm u d 、c e m l m u d 是其中的几种形式【1 4 ”j 。m m s e i c 基于m m s e 准则估计和抵消多址干扰，试图使均方误差最小，而d i c 基于解相关原理估计 和抵消多址干扰。 按照文献1 6 ，1 7 对d s m u d 分类方法，可以将m c m i y d 分成尬和i c 两 大类( 如表2 1 所示) 。虽然m c m u d 较d s m u d 少( 由于研究深度和广度不 够) ，但它们之间的确存在相当程度的对应，这种对应的根源是m c c d m a 和 d s - c d m a 之间的对偶关系。如果将d s c d i v i a 扩频序列经傅立叶变换，用 d s c d m a 发射机就可以发射m c c d m a 信号。利用这一对偶关系，m c c d m a 系统可以在很多方面向更成熟的d s c d m a 借鉴。比如m u d 技术，就是一种 d s - m u d 方案，“应该”有一种对偶m c m u d 方案。 2 5 本章小结 本章在介绍多载波调制基本原理的基础上，给出了o f d m 和c d m a 结合的 三种方式，并通过图示的方法指出了它们之间的区别。然后针对本文将要展开研 究的m c c d m a 系统，分析了其多址干扰产生的原因，以及在该系统应用多用户 薛波m c c d m a 系统多用户检测技术研究 1 3 检测的必要性和可能性。初步探讨了适用于m c c d m a 系统的多用户检测技术 为后续各章的研究打下了理论基础。 表2lm c c d m a m u d 分类 d s m u dm c m u d m lm l d 联合 解相关 z f b l e 、z f b d f e 检测 m m s em m s e b l e 、m m s e - b d f e ( j d ) 递归检测 干扰 s i cs 1 c 抵消p i cp i c 、i d 、e g c e g c ( i c ) o r c ，m r c 、c e m l 混合 解相关s i c 组合 解相关p i cd i c 方案 m m s e ，p i cm m s e i c 扬州i 大学硕士学位论文 一种改进的o r c 技术 31 引言 在m c c d m a 下行链路传输系统中，由于信道存在衰落，破坏了扩频码之间的 正交性，引入多址干扰( m a i ) ，限制了系统容量和性能。m c c d m a 将同一数据 流同时在所有子载波上发送，这种显式的频率分集可以带来足以克服频率选择性 衰落的分集增益。尽可能多地收集散布在所有子载波上的信号能量来恢复原来发 送的数据符号，才能最大限度地获得分集增益。 不同的检测合并技术所能获得的分集增益不同，其实现复杂度也不同。传统 时检测合并技术，如等增益合并( e g c ) 、最大比合并( m r c ) 1 4 “埘可用于m c c d m a 泵统中。它们应用简单，但随着用户数的增多，系统性能快速下降。一些更复杂 盼检测合并方法可以更有效的利用信道信息，如控制均衡( c e ) 1 9 1 最小均方误 差合并( m m s e c ) 以及次最小均方误差合并( s u b m m s e c ) p 3 1 具有较好的性能，但运 算复杂度很高。 o r c 以恢复用户扩频码间的正交性为目标，可以完全消除m a i 。文献 2 0 提出 t o r c ( t h r e s h o l do r t h o g o n a l i t yr e s t o r i n gc o m b i n i n g ，门限正交恢复性合并) 技术， 改进了o r c 的性能。但是最佳门限值的选取很困难，而且如果忽略过多信道衰减 系数比较小的子载波上的信号分量，会丧失一定的正交性。 本章首先分析了m c c d m a 系统的模型，在推导频率非选择性r a y l e i 曲衰落信 道中o r c 技术误码率下边界的基础上提出其新的改进方案，兼顾了系统性能和运 算复杂性。 3 2 系统模型 3 2 1 发送机模型 考虑一个用户传输数据时的情况，并且输入数据没有经过串并