（信号与信息处理专业论文）基于蚁群算法的多用户检测技术.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 众所周知，我国工业和信息化部于2 0 0 9 年1 月7 日宣布，批准中国移动通信 集团公司增加基于t d s c d m a 技术制式的第三代移动通信( 3 g ) 业务经营许可， 中国电信集团公司增加基于c d m a 2 0 0 0 技术制式的3 g 业务经营许可，中国联合 网络通信集团公司增加基于w c d m a 技术制式的3 g 业务经营许可，也就是大家 所说的“3 g 牌照正式发放”。3 g 再次成为人们讨论的热门话题。作为3 g 的核心体 制一cd m a 已成定局，所以，努力克服其技术难题成为提高系统容量和提升市场 竞争力的必经之路。多址干扰就是其中一直困扰学者的难题之一。目前的技术中， 多用户检测渐渐成为解决其问题的关键技术，其中，最佳多用户检测技术在理论 上可以完全克服多址干扰，但是其计算复杂性大，目前而言是没有办法推广的。 近年来，科学的另外一个分枝一智能算法得到了长足的发展，它们模拟自然界的 生态系统，得出具有和传统数学完全不同的理论机制，并能成功地应用于解决具 有n p 难度的问题中，其中的蚁群算法更因为其特有的优点得到广大学者的青睐。 本论文，从多用户检测问题的产生出发，提出用蚁群算法解决该问题的模型， 并通过m a t l a b 仿真软件，验证其算法的有效性。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 首先，分析了c d m a 系统的多用户检测问题的产生，目前解决的主要方 法，特别强调最佳多用户检测的思路。 ( 2 ) 其次，详细阐述了蚁群算法及其一种改进优化一随机扰动蚁群算法。深 刻理解该算法的思路和步骤。 ( 3 ) 然后，针对c d m a 系统多用户检测问题，提出用以上算法进行处理的模 型，并通过m a t l a b 仿真软件进行仿真，检验是否能有效地降低了误 码率。 ( 4 ) 最后，对全文的研究工作进行了总结，并展望了多用户检测的进一步研 究和应用方向，同时展望了c d m a 乃至3 g 发展的光辉前景。 关键词：c d m a 系统，多用户检测，蚁群算法，随机扰动蚁群算法 a b s t r a c t a sw ea 1 1k n o w ，o nj a i l u a d ，7 ，2 0 0 9 ，c h i n a sm i n i s t d ro fi n d u s 仃y 观di n f o n n a ：t i o n 锄o u n c e dm e 印p r o v a lo fc h i n am o b i l ec o m m u i l i c a t i o n sc o 叩o r a t i o n si n c 陀a s i n gt 1 1 e b u s i n e s sl i c e n s eb a s e do nm et d s c d m at e c l l l l o l o g ys t a n c i a r do fm em i r dg e i l e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3g ) ，c l l i n at e l e c o m si n c r e a s i n gm eb u s i n e s s1 i c e n s eb a s e do n c d m a 2 0 0 0t e c l l i l 0 1 0 9 ) ，s t a n d 砌o f3 g ，c h i n an e 咐o r kc o 删c a t i o i l sg r o u p c o r p o r a t i o n si n c r e a s i n gt h eb u s i n e s sl i c e i l s eb a s e do nw c d m a t e c t l i l o l o g ys t a i l d a r d ， m a ti s ，e v e r y o n es a i d ”t h er e l e a s eo f3 gc 锄e r a ”3 go n c ea g a i nb e c o m e sa h o tt o p l co t d i s c u s s i o n a st h ec o r es y s t e i t lc d m ai si n e v i t a b l e ；m e r e f o r c ，i ti s t h eo n l yw a yt o o v e r c o m es o m ek e yt e d m o l o 舀e st oi m p r 0 v et h es y s t 锄c 印a c i t ) r 狮d t oe n h a n c em a r k e t c o m p e t i t i v e i l e s s m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e 崩l c eh a sb e e i lan o u b l e dp r o b l e m m u l t i u s e r d e t e c t i o ns o l u t i o n sh 弱b e c o m ea ne f f e c t i v ew e a p o n ，0 fw h i c hm eb e s t 舢1 t i u s e r d e t e c t i o nt e c l l i l i q u ei nc a nb ec o m p l e t e l yo v e r c o m em em u l t i p l ea c c e s si n t 刊衙e l l c em m e o 以b u tf o ri t sc o m p u t a t i o n a l 唧l e x 埘，s o 胁m e r ei s n 0w a yt op r o m o t et l l e t e c l l l l o l o g y i i lr e c e my e a r s ，a i l o t h e rb r a n c ho fs c i e n c ei n t e l l i g e n ta 1 9 0 r i t l l i i lh a sb e e n d e v e l o p e db yl e a p s 锄db o u n d s ，t h e ys i l i l u l a t c dn a _ 咖1e c o s y s t 锄s ，t h 朗o b t a l n e da c o m p l e t e l yd i 侬：r e n tt l l e o 巧o fm e c h a i l i s mw i m 硼i t i o n a lm a t h e m a t i c s a i l da p p l i e d s u c c e s s 矗l l l yt 0s o l v ed i 伍c u l tp r o b l e m sw 他m e n pp r o b l e m ，a n d 也ea n tc o l o n y a l g o r i m mb e c a u s eo fi t su i l i q u ea d v a n t a g e sw 嬲f a v o r e db ym eg e l l e r a ls c h o l a r s i i lt h i sp 印虬c o m b i n e dw i m m ed e v e l o p m e n to ft l l ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n d ，舶m m em u l t i u s e rd e t e c t i o np r o b l 锄s ，p r o p o s e dt l l ea n tc o l o n ya l g o r i t l l l i lm o d e lt os o l v em e p r o b l 锄，a n de 】【e r c i s e dm a t l a b s i m u l a t i o ns o 觚a r et 0v e r i 母恤e 虢c t i v 饥e s so ft h e a 1 9 0 r i m m h lm i sp a p e r ，m em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，w ea i l a l y z e dt l l ec d m as y s t e m s 舢l t i - u s e rd e t e c t i o np r o b l e m s a l l dm em a i nm 砒o d sc 1 1 r r e l l t l y t h ew e i g h t - b e a r i n gp o 硫i s 也eb e s t m u l t i u s e r d e t e c t i o n ( 2 )s e c o n d ，w ei n 仃o d u c e da n tc o l o n ya l g o r i m m 锄di t so p t i m i z a t i o n - 舢d o m p e m i r b a t i o na n tc o l o n ya l g o r i t h mi nd e t a i l ，u i l d e r s t 锄d i n gt l l ei d e aa i l ds t 印sp r o f o u i l d l y ( 3 )t h i r d f o rt h e 倒“t i u s e rd e t e c t i o np r o b l e m so fc d m as y s t e m ，w ep r o p o s e d a m o d e lu s i n ga b o v ea l g o r i t h ma 1 1 ds i m u l a t e d l i 0 u g l lt l l em a t l a bs o f h a r e ，t e s t i n gt l l e v a l i d i 锣o fr e d u c i n gm e 黜r r a t e 1 1 重庆火学硕士学位论文 英文摘要 ( 4 )f i n a l l y ，t h em 1 1t e x to fm er e s e a r c hw o r ka r es 1 删i n l a r i z e d ，a 1 1 dl o o kf o 刑a r d t om e6 】r t h e rr e s e a r c ha 1 1 d a p p l i c a t i o ni n t h ef i e l do fam u l t i u s e rd e t e c t i o n ，w l l i l e p r o s p e c tt h ed e v e l o p m e n to fc d m a a sw e l la sm eb r i g h t 向t l j r eo f3 g k e y w o r d s ：c d m as y s t 锄s ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，a n ta l g o 础吼， r a n d o mp e m l r b a t i o na n tc o l o n ya l g o r i t h m l 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交 的盈 士 学位论文 复重鲤鼙篡达宙厘虽芒维邋丝瓜 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巧日西k 以， 导师签名：寮坤玄 二一f 1 ” 签字日期：o j o d 罗f ) 多 签字日期：如护只歹2 3 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的堑士学位论文勘蠢蠲筌这鹤壁虱芒监测击娥 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：么玉荸虻 导师签名：垒翌兰： 妒o ? 年5 其2 3b 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书刀，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至： 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 随装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 最早的移动电话在2 0 世纪8 0 年代投入使用，之后，以无线通信为基础的移 动通信便以惊人的速度向前发展。总的来说，它的发展历经了三代。第一代是模 拟移动通信，使用模拟调制和频分多址( f d m a ) 技术，采用模拟信令( 为了自动 完成通话用户的连接和转接所需要的一套完整的控制信号便是信令) ，可提供区域 性话音业务，其业务种类单一、频谱利用率低、用户移动范围有限。我国1 9 8 7 年 开始引入模拟移动通信，现在已基本完成向数字移动通信转秽l 】；第二代就是我们 目前使用的数字移动通信，它出现于8 0 年代中期、使用数字调制和时分多址 ( t d m a ) 或频分多址或码分多址( c d m a ) 技术，并采用数字信令，可提供广 域话音业务和低速数据业务，频率利用率较高，在一定条件下用户具有全球范围 的移动性。但是，第二代的数字移动通信全世界存在着三种标准，一是西欧1 6 个 国家共同制定的g s m ，二是北美标准的d a m p s ，三是日本标准p d c ，其中以 g s m 应用最为广泛，我国就采用g s m 标准。由于这三个标准之间不能兼容，并 且随着全球移动电话用户数的增加及我们对高速数据业务的需求，强烈地要求我 们提高频谱利用率，所以第三代移动通信应运而生。虽然世界各大电信公司联盟 均已提出了自己的方案，主要有欧洲和日本提出的w 二c d m a ，美国l u c e l l t 和 m o t o m l a 等公司提出的c d m a 2 0 0 0 ，我国提出的拥有自主知识产权的t d s c d m a 等，但是采用码分多址( c d m a ) 这一核心技术已经达成共识。这样，就能实现 全世界范围的覆盖和各个标准之间的无缝漫游。2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化 部正式向我国三大运营商：中国移动通信集团公司，中国电信集团公司，中国联 合网络通信集团公司各发放了一张3 g 牌照，分别为t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和 w c d m a ，同时加大对3 g 的投资达3 0 0 0 亿元。 重庆人学硕+ 学位论文 l 绪论 移动通信系统的发展 模拟技术】豳数字技术 语音业务】嘲宽带业务 图1 1 移动通信系统发展图概 f i g 1 11 1 1 ed e v e l o p m 饥tp l a i lo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t 锄s 3 g 激动人心的目标之一就是：除了能提供窄带业务( 如话音业务) 外，还能 提供最高速率达2 m b p s ( 比特秒) 的多媒体业务和多种用户速率通信、v o d ( 视 频点播) 带宽的能力以及根据不同业务对质量的要求提供不同服务等级的能力。 使用第三代移动通信的终端，用户能方便地在移动环境下上网漫游、收发电子邮 件、收看交互式新闻、查阅股市行情和交通信息等各种信息，并实现移动环境下 的虚拟办公等等，对个人具有无限的吸引和诱科2 1 。 当然，美好前景的实现要以克服3 g 系统所面临的技术难题为前提。目前，通 过各国学者广泛而深入的研究，发展并创新了许多关键技术，主要包括：多址技 术、高效信道编译码技术、功率控制技术、智能天线技术、多用户检测技术、软 切换技术、信道结构以及上层协议信令技术、软件无线电技术等【3 】。其中，多用户 检测技术就是本论文研究的对象。 1 1 2 研究的意义 c d m a 系统是一个白干扰系统，它的容量和性能主要受到小区内其他用户的 干扰即多址干扰的限制。多址干扰( m a l ) 是指，在c d m a 系统中，由于多个用 户的随机接入，所使用的扩频码集合一般并非严格正交，非零互相关系数会引起 各用户间的相互干扰。传统的c d m a 系统将多址干扰作为加性噪声处理。它们靠 扩频码之间的准正交性分离各用户信息，这可以采用单用户接收中的匹配滤波器 来实现。如果扩频码之间完全正交，则可以实现无多址干扰的最佳解调。但是在 实际情况中，由于多径衰落信道的存在，不可避免地带来用户间的相互干扰，随 2 重庆人学硕七学位论文 l 绪论 着用户数的增加，这种干扰将越来越严重，导致系统性能的急剧恶化。这种恶化 问题无法用提高信噪比的方法解决。此外，在c d m a 系统中还存在着众所周知的 远近效应问题，即由于各用户到基站的距离或衰落深度不同，强信号会抑制弱信 号，使得相对较弱的用户信号得不到正常的检测。目前，在第二代c d m a 移动通 信系统中主要采用严格的功率控制技术来缓解多址干扰，但这种技术只能在一定 程度上控制远近效应，而不能从根本上消除多址干扰的影响，因而对系统容量的 提高是有限的。多用户检测( m u l t i u s e rd e t e “o n ) ，又称为联合检测或干扰抑制方 法，可以非常有效地抑制多址干扰。它是指：从接收机端的设计入手以消除多址 干扰的技术。它的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作 干扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的信息，从而大幅度降低多址 干扰。通过对各用户做联合检测或从接收信号中减去相互间的干扰，它能有效地 消除多址干扰和码间串扰，大大缓解远近效应问题，明显地改善了系统的性能， 提高了c d m a 系统的容量。该技术真正实现并成熟之时，就是第三代移动通信真 j 下在人民大众中推广和普及的时候。所以，加强该技术的进步，才能更理想的克 服m a i ，才能更加强3 g 带给人民美好生活的享受。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c d m a 多用户检测的研究现状 多用户检测技术真正引起人们极大兴趣是在1 9 8 6 年v 醐u 的最佳多用户接收 机提出之后，后来，人们又提出了多种线性和非线性的次最佳多用户检测算法。 下面，我们就按时间顺序，简单介绍一下，多用户检测技术的研究进程。目前， 多用户检测技术按处理方法分，大致可以分为线性与非线性两大类。线性多用户 检测的思想是经过一个线性变换将匹配滤波器的输出送入判决设备。l u p a s 等人首 先提出了基于最大最小准则的解相关多用户检测算法【4 】，该算法完全消除了多址干 扰，有效地提高了系统性能，且无需估计接收信号的幅度，系统性能与干扰用户 的容量无关，误码率与干扰用户功率无关。但该算法只考虑了多址干扰，没有涉 及信道中的白噪声，算法中多址干扰的消除是以噪声的增大为代价的，故一般情 况下是不会得到最优的判决。为此，y o i l i n a 和o p p e i l l l e i m 提出了一种正交多用户 检测【5 】，此算法通过最优化解相关器输出端的噪声信号来抵消多址干扰与噪声干 扰，在性能上优于匹配滤波检测器和解相关检测器。1 9 9 4 年，m a d h o w 等人提出 了另一类线性检测算法，即最小均方误差检测算法( m m s e ) ，该算法是基于发送 的数据比特与传统检测器软输出的均方误差最小化为准则，在多址干扰与噪声放 大之间取了一个很好的折中【6 1 。m m s e 检测算法是一种有偏估计，且系统性能受 干扰功率影响。m m s e 检测算法不需要知道其他用户的特征波形，在扩频码线性 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相关时，仍能正常工作。但该算法需要估计接收信号的幅度，并需要一个逆矩阵， 使得运算量较大。1 9 9 9 年，l e e 和鼬m 提出一种带有自适应盲天线阵的m m s e 算 法，该算法提高了系统的性能【7 】。在这之前，e 埘c o 和r o n g a 就已经提出了一种实 现方法更简单，对已知量要求更少，但收敛速度相对较慢的盲多用户检测【8 】。 非线性多用户检测又称为干扰抵消技术，有关这方面的研究主要集中在多级 算法。由于它没有系统的数学描述与分析工具，所以理论上的研究较为困难，但 可利用一些工程数学方法，进行粗略的分析描述和仿真，而且从工程上看，往往 是优于线性检测算法。1 9 9 0 年，v 打a j l a s i 提出了并行干扰抵消技术( p i c ) 【9 】，它 的主要思想是将最大似然多用户检测技术应用到每一级中。1 9 9 4 年，p a t e l 提出了 串行干扰抵消算法( s i c ) ，它的主要思想就是在传统单用户检测的基础上作最简 单的扩充，所以必须假设先前判决的信号比较准确，而且级数越多，时延越大【l0 1 。 1 9 9 8 年，d i v s a l a r 提出了一种改进的并行干扰抵消算法，它的主要思想是，如果以 前的判决不可靠，就只减去部分的多址干扰，随着可靠性的增加，减去多址干扰 部分也就越岁1 1 】。针对串并型算法各自的优缺点，本文也就想把它们综合一起。 文献 1 2 】提出了衰落信道中串并混合型多用户检测算法，该算法具有较高的准确 性，误码率较低等优点【l 列。 虽然，传统多用户检测的方法很多，但是该技术本身的高度复杂性以及稳健 性限制了其实际应用。比如：计算复杂性与处理时延问题上存在不足，且算法中 一些参数( 频率、幅度、定时、相位等) 估计有误时，会使得相关矩阵产生较大 偏差，导致整个系统性能急剧下降。另一方面，当前的m u d 算法只考虑了同小区 内的干扰，而没有考虑相邻小区间的同频率用户干扰。因此，现在的算法要在计 算复杂性、收敛性以及系统的鲁棒性等方面进行综合的考虑，力求找到切实可行 的多用户检测算法。近年来，研究的热点倾向于以下几方面：首先是半盲与盲多 用户检测【l3 1 ，它具有不需要训练序列、效率高、复杂性低等优点，但是它在多径 信道下，算法收敛速度比较慢；其次是把多用户检测与空时信号处理相结合【l4 1 ， 空时信号处理也是抑制多址干扰与远近效应的一种方法，它主要是通过在接收机 端使用阵列天线，利用空时二维信息降低信道干扰，而且由于空间滤波器能抑制 不同目标用户入射方向的多址接入干扰，可以把不同用户和路径的信号集中起来， 进而可增强目标信号，故该技术可增加系统容量，成为当前研究热点之一；其次 就是把多用户检测与优化算法结合起来，近年来，随着计算机技术的发展，一些 仿生优化算法也发展起来，优化问题的数学意义是在不等式约束条件下，求目标 函数最小做最大的一组设计变量值，由于优化不要求迭代过程严格收敛于数学意 义上的最优解，而是与其相邻的一个解，这样不仅可节省计算时间，还可得到满 意的优化结果，多用户检测可以归结为组合优化问题，所以把其与多用户检测结 4 重庆人学硕+ 学位论文1 绪 论 合起来开辟了解决问题的新途径。比如，与人工神经网络相结合，与遗传算法相 结合，与免疫算法相结合，与人工鱼群算法相结合，或者两种优化算法混合【l5 】等， 都属于这个范畴，特别是前几年已经同趋成熟的神经网络优化技术，它具有高度 并行、高度相互连接、较好的容错性以及较强的自适应能力，适合于解决优化问 题，所以用它解决多用户检测技术问题，水到渠成。 1 2 2 蚁群算法的研究现状 与神经网络优化技术相同，近年来，另一种新的优化算法一蚁群算法得到了 长足发展，它是一种基于种群寻优的启发式搜索算法，由d o g o 等人于1 9 9 1 年受 生物蚁群能通过个体间简单的信息传递，搜索从蚁穴至食物间最短路径的启发而 提出【l6 1 。一开始它只单纯地解决对称t s p 问题，近年来，人们已经针对不同的具 体问题提出了许多不同类型的改进蚁群算法，比如优化排序蚁群算法、自适应蚁 群算法、最大最小蚁群算法、具有感觉和知觉特征的蚁群算法、随机扰动蚁群算 法等，其应用也扩展到了车间作业调度问题、网络路由问题、车辆路径问题、机 器人领域、电力系统、故障诊断、控制参数优化、参数辩识、聚类分析、数据挖 掘、图象处理、航迹规划、空战决策、布局优化【1 7 】等，几乎涉及各个优化领域， 而且还出现了蚁群算法仿生硬件【l8 1 ，可见这种新兴的仿生优化算法已经显示出强 大的生命力和广阔的发展前景。 1 3 本文研究的目的与主要内容 1 3 1 本文研究的目的 正如前面所提到的，用智能优化算法一蚁群算法来解决m a i 问题，是多用户 检测技术发展的必然趋势。本文期望用这种最新的算法来解决限制3 g 技术发展的 瓶颈困扰，达到克服远近效应，降低误码率，提高系统容量的目的。 1 3 2 本文研究的主要内容安排 本文通过对多用户检测和蚁群算法的分析，找到它们的连接之处，然后基于 蚁群算法思想建立了一种解决多用户检测问题的模型，成功地把该算法应用到多 用户检测中去。本文的主要内容安排如下： 第1 章，绪论，主要简单介绍一下本文的研究背景及意义。 第2 章，多用户检测技术，主要阐述了c d m a 通信模型，扩频码等基本知识， 多用户检测问题的产生和分类，并详细介绍了最佳多用户检测原理。 第3 章，蚁群算法原理，主要介绍了基本蚁群算法的产生原理及改进的优化 蚁群算法，并对其应用和发展作出了展望。 第4 章，蚁群算法在多用户检测中的应用，这是本文的重点章节，提出了基 于蚁群算法思想的多用户检测模型，并详细说明怎样成功地把随机蚁群算法应用 5 重庆人学硕士学位论文l 绪 论 于该技术中，然后又对其进行了优化，最后用m a t l a b 软件进行仿真实验，证明 取得了很好的效果。 第5 章，总结和展望，对本文的工作进行总结并对以后工作的进行提出展望。 6 重庆大学硕十学位论文2 多用户检测技术 2 多用户检测技术 2 1 引言 我们知道，在目前可实现性的前提下，对比f d m a 、t d m a 及c d m a 三种多 址技术，c d m a 具有很多的优点。由于c d m a 通信系统的容量受其本身的多址干 扰( m a i ) 的大小和多少决定，c d m a 优越的结论一般是针对采用功率控制法来 抗多址干扰的c d m a 系统而言的。抗多址干扰的功率控制法是一种原始的、简单 的抗多址干扰方法，如果采用多用户检测技术抗多址干扰，c d m a 系统的性能将 进一步提高。c d m a 系统中采用多用户检测技术的优点主要表现在以下几个方面： 1 提高c d m a 的系统容量，增加用户数。用户数的增加，意味着更高的无线 频谱利用率。 2 降低c d m a 用户设备( u e ) 的发射功率，提高u e 的待机及通话时间。另 一方面，表现为降低了u e 射频部分的成本及故障率。 3 减小射频辐射对用户的生理及心理影响，移动通信设备对环境的影响更绿 色化。 4 增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低了基站综合成本。 2 2c d m a 通信系统 2 2 1 扩频通信技术 c d m a 系统将相互正交( 近似正交) 的不同的编码序列分配给不同的用户来 调制信号，以实现多个用户共享同一频带。这种同时接入系统和网络进行通信的 方式，即为码分多址通信【3 】。由于利用相互正交的编码去调制信号，会将原信号的 信号频谱带宽扩展，因此，对这种调制方式的通信，又称为扩频通信( s p r e a d s p e c 仇l mc o m m u m c a t i o n ) 。 目前的c d m a 系统一般都采用扩频技术进行调制。扩频就是将要发送的信息 频谱拓展到一个很宽的频带上进行发射，接收端则利用相关接收的原理将其频带 压缩，恢复成原来的窄带信号。通常的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函 数( 一般为伪随机编码信号) 在时域相乘，来扩展信号的频谱。显然，这种通信 方式与一般常见的窄带通信方式不同。它根据香农( s h 锄o n ) 定理和柯捷尔尼可 夫的信息传输差错概率公式的基本原理，以牺牲带宽来提高信噪比和抗干扰能力。 其工作原理如图2 1 所示 7 重庆人学硕十学位论文2 多川户检测技术 j i 塑塑匾卜 夏亟 一 信道 l 二匠匿巫 闰2 1 扩额通信l ：作原理 h g2 l n 。p n n c l e0 f8 p 瑚d8 p e c n l c a “o n s 在扩频通信系统中，输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码 发生器产生的扩频码序列对数字信号进行调制，以展宽信号的频谱，展宽后的信 号再经过射频调制发送出去。接收端收到宽带射频信号后，变频至巾频，然后用 与发射端相同的扩频码序列进行相关解扩，再经过信息解调，恢复成原始信息输 出。由此可见，一般扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调，分别为信息 调制、扩频调制、射频调制，以驶相应的信息解调、解扩和射频解调。1 j 一般通 信系统相比，扩频通信系统增加了扩频调制和解扩，故在本论文后面的研究中， 本文仅仅考虑没有进行射频调制的基带信号。 旦坠瓜i 酊 一信直 o - j 蔓频_ _ 叫扩颠解谓一信息并谭一 r 一r 一一 i 奉姥射撩 奉地扩壤 l 发暑 码发生暑 圈2 2 c d m a 信道模型 f l g2 2t h ec h a i i d m o d c lo f c d m a 一般而占，扩频通信又可分为四种：直接序列扩频，跳频系统，跳时系统和 混合扩频系统。目前，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用直接序列扩频的系统。而 它之所以能获得如此广泛的应用，主要在于它具有如下优点f ”i 。 抗干扰性能强：扩频通信系统由于传输时所占用的频带宽，接收端采用 盈 “一 下圆 重庆人学硕十学位论文 2 多用户检测技术 相关检测来解扩，利用窄带滤波技术提取有用的信号，并且基带解调器端信噪比 高，因此具有抗干扰性强、误码率低的特点； 抗截获、检测能力强，对各种窄带系统的干扰很小； 具有多址能力：不同码型的扩频码序列之间具有优良的自相关特性和互 相关特性，可以利用不同用户间的不同码型来区分用户的信号，频谱利用率高， 容量大； 具有较好的抗衰落与抗多径能力：由于扩频系统的频带很宽，当遇到频 率选择性衰落时，它只影响到扩频信号的很小部分，因而对整个信号的频谱影响 不大。对于多径信号，若多径时延超过一个码片的时间，则对于接收机来说把它 当作干扰信号处理，不会造成很大的影响，若利用r a k e 接收机的原理，可将多 径信号分离出来，用以提高接收信号功率。 2 2 2c d m a 通信系统模型 考虑一个用户数为k 的二进制直扩c d m a 通信系统，假设信道引入的噪声为 加性高斯白噪声( a w g n ) ，则接收端接收到的信号可以表示为： y o ) = 芝彳t 纨j to ) + 玎o )f o ，丁】 ( 2 1 ) 七= l 式中：丁为用户的码元周期；以为第七个用户信号达到基站时的幅度，群称为第 七个用户信号的能量；钆 1 ，一1 为第七个用户传输的信息序列；风o ) 是分配给第七 个用户的扩频码；，z o ) 为零均值加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为： 盯2 = o 2 。 将上式采用矩阵描述方式，可得到以下矩阵： y o ) = s 4 6 + 胛o ) ( 2 2 ) 式中：s ：b 。s 2 s x 】，么：击昭( 彳。么2 彳k ) ，6 ：i a 6 kr 。 对接收信号作相关接收，同步系统中，定义用户七和用户，特征波形的相关函 数为： 户= 户盯= p 。，s ，) = es 。o 必，o 协 ( 2 3 ) 则第七个用户匹配滤波器的输出为 j ，七= f 少o 声 o 陟= 以饥+ 彳，6 ，p 弦+ n 七 ( 2 4 ) 七 式中玎t = e ，z o b t ( f 胁是均值为o 、方差为盯2 的高斯随机变量，写成向量形 式： ，= 月_ 6 + 刀 ( 2 5 ) 式中，足= 伽驴) 是特征波形的标准化互相关矩阵，j ，= 陟。y kr ， 6 = b 靠r ，彳= d i a 9 0 l4 2 彳k ) 是正定对角矩阵。如果第七个用户的特征 波形与其它特征波形正交，那么p ，七= o ，后，并且匹配滤波器的输出变为单用户 9 重庆大学硕十学位论文 2 多用户检测技术 问题，即j ，= 彳6 + 刀。然而在实际通信中，即使是同步系统，由于各用户的特征波 形不完全正交，因而在匹配滤波后，多址干扰项 a | b j p 泳 j 惫 依然存在，成为正确检测出期望用户信息的主要障碍之一。 2 2 3 信噪比与误码率 数据通信中最重要的性能指标就是信噪比和误码率，它们充分反映了数据通 信的抗噪声能力和传输数据的准确性( 正确概率) 。信噪比，即s n r ( s i 舯a lt on o i s e r a t i o ) ，就通信而言，指有用信号功率与噪声功率之比，常常用分贝数表示。设备 的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号罩 的噪声越小，声音回放的音质越高，否则相反。其计算公式如下： s n r = l o l o g ( 尸：s 锄) ( 2 6 ) 其中a 和砌分别代表信号和噪声的有效功率。 由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输 过程中受到外界的干扰，或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而 使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时，就会产生 差错。所谓差错是指在数据通信中，如果发送的信号是“l ”，而接收到的信号却是 “0 ”，这就是“误码”，也就是发生了一个差错。在一定时间内收到的数字信号中发 生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比，就叫做“误码率”， 也可以叫做“误比特率”。其计算公式如下： b e r = ( 尺e 侬c ) 木l o o ( 2 7 ) 其中r p 和尺c 分别代表传输中错误的码数和信道总共传输的码数。如果有误码 就有误码率。误码率是最常用的数据通信传输质量指标。它表示数字系统传 输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。举例来说，如果在一万位数 据中出现一位差错，即误码率为万分之一，即l o e 4 。 2 2 43 g 三个制式的区别 由于c d m a 通信技术上的技术优势，第三代移动通信系统的三种制式均采用 该空中接口技术，但是在细节上，它们又有明显的差别，总的来说，这三种技术 的不同如表2 1 所示 表2 1 三种制式c d m a 的技术比较 比较内容w c d m a c d m a 2 0 0 0t d s c d m a 1 0 重庆大学硕十学何论文2 多j f j 户检测技术 不同的制式有不同的特点，我国提交的t d s c d m a ，它采用了集f d m a 、 t d m a 和c d m a 为一体的技术，用1 6 m h z 的载波带宽提供高达2 m b i t s 的数据 速率，能够满足我国一些地方人口密集而频谱资源紧张的需要，完全符合我国国 情，得到了政府大力的支持。 2 3 扩频序列 扩频系统中最重要的扩频运算是通过随机序列，即式( 2 1 ) 中的s t o ) ，来实 现的。从理论上说，用纯随机序列来扩展信号的频谱是最理想的，但是接收端必 须复制同一个随机序列，由于随机序列的不可复制性，因此在工程中，无法使用 纯的随机序列，而改为采用伪随机序列。g o l d 序列具有随机性好、周期长、不易 重庆大学硕十学位论文2 多用户检测技术 被敌方检测等特性，而且其伪随机序列多，便于进行多址通信和组网运用。正是 由于g o l d 序列具有这些优点，在目前的c d m a 系统中，它也就成为了最重要且 应用最广泛的伪随机序列，因此本文采用该序列作为伪随机序列处理用户信号。 但是g o l d 序列是由m 序列组成的，m 序列即最大长度线性移位寄存器序列，它是 一种最早应用于扩频通信的伪随机序列，我们要先理解m 序列，然后再通过m 序 列来构成g o l d 序列，最后才能利用g 0 1 d 系列来处理用户信号【2 0 】。 2 3 1m 序列的结构 m 序列是最长线性移位寄存器序列，线性移位寄存器是由移位寄存器加上反 馈后所产生的，即模块式移位序列寄存发生器( m s r g ：m o d u l a rs e q u e i l c er e g i s t e r g 饥e r a t o r ) 【2 1 】。如图2 3 所示。 图2 3 产生m 序列的m s r g 结构 f i g 2 3m s r gs 仃u c t i l 】旧f o rg e m t i n gms e q u 朗c e s 图中，r e 百s t e r s ( 1 ) ，r e 酉s t e r s ( 2 ) ，r e 百s t e r s ( m ) ，为移位寄存器的状态， c o i l i l e “o n s ( 1 ) ，c o 衄e c t i o n s ( 2 ) ，c o i l l l e c t i o n s ( m ) 为对应级移位积存器的反馈 系数。当c o 皿e c t i o n s ( i ) = 0 时，表示该反馈线断开，而c o 衄e c t i o n s ( i ) = l 时，表示反 馈存在。 m 序列满足以下三个条件，是最基础的伪随机序列。 在每一序列周期中，“+ 1 ”的码元数目与“1 ”的码元数目相同，或相差极小 在每一序列周期中，连续出现“+ l ”或“1 ”的码元长( 游程) 数目为u ，那 码元数为1 的游程有u 2 个，为2 的游程有u 4 ，为3 的游程有u 8 。 其中“+ 1 ”的游程和“一l ”的游程数目相同。 序列的( 周期) 自相关函数是二值的，有： 尺x ( - ，) = ；。兰于三：兰三菇；。 回 c 2 8 ， 2 3 2g o i d 序列的产生 g o l d 序列是由两个码长相等、码时钟速率相同的m 序列优选对作模2 加法构 成的。每改变两个m 序列相对位移就可得到一个新的g o l d 序列。当相对位移 ( 2 一一1 ) 比特时，就可得到一组三= ( 2 一一1 ) 个g o l d 序列，再加上原来的两个m 序列， 1 2 重庆人学硕+ 学位论文2 多用户检测技术 共有( 2 一+ 1 ) 个g o l d 序列。如图2 4 所示。 n 累 世 e 图2 4 g o l d 序列产生器 f i g 2 4g e n e m t o r6 ) rt l l eg o l ds e q u e n c 髓 本论文采用= 3 1 ，即刀= 5 的m 序列来产生的g o l d 序列，该序列群为3 1 个 3 l 位的不同的扩频码，是仿真实验中最常用的扩频码序列之一，它在同一时间同 一频率上，最多能检测3 1 个用户，适合本论文的仿真环境，故也采用该序列。 2 4 多用户检测方法的分类 2 4 1 传统检测器 传统检测器是由足个相关器组成的匹配滤波器组，如图2 5 所示。该检测器将 接收信号与各个用户的扩频信号作相关运算，然后对匹配滤波的输出作出判决， 得到用户的恢复数据，相关器可等效为匹配滤波器组( m a t c h e d f i l t e rb a i l l ( ) ，传统 检测器又称为匹配滤波m f 检测器1 2 2 。 图2 5 用于c d m a 的传统检测器的结构 f i g 2 5s 仇l c t i 鹏o fm ec o n v e i l t i o n a ld e t e c t o rf o rc d m a b ，【t 】 b 。【l 】 b 。【q 重庆人学硕士学位论文2 多用户检测技术 传统的检测器采用的匹配滤波器在单用户情况下是最佳接收机，在多用户通 信的环境下，该检测器将其它用户的信号作为干扰加以抑制，把m a i 和信道噪声 一起作为噪声处理，忽略了不同用户间的互相关特性，即没有利用多用户的信息， 性能较差，限制了系统的容量和性能。 2 4 2 最佳多用户检测器 多用户检测的基本思想是充分利用互相关系数、用户功率等信息，对所有的 用户信号进行联合检测，估计其它用户产生的m a i ，就可以消去m a i ，使检测器 的性能得到改善，其结构如图2 6 所示。 匹配滤波器 y ， 判决 ( 用户1 ) 多 ( 用户1 ) 用 ，( t ) y 2 户 匹配滤波器判决 ( 用广2 )检( 用户2 ) 测 算 匹配滤波器 y t 法判决 ( 用户k )( 用户k ) 图2 6 多用户检测算法模型 f i g 2 6a l g o r i t l l mm o d e lf o rm em u l t i u s e rd e t e c t i o n b ，【q b ：【t 】 b 【t 】 考虑式( 2 1 ) 中的c d m a 信道模型： 吖f 夕：羔以巩s 。o ) + 力o )f o ，丁】 ( 2 9 ) 七= l 令6 = b kr ， 广 6 = l6 l l 磙 r ( 会为得到的最终判决信号) ，则根据最 靠j 6 为得到的最终判决信号l 则根据最 大似然准则，检测后得到