（信号与信息处理专业论文）dscdma通信系统中的码辅助干扰抑制技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 “ 第1 页 摘要 扩频通信系统的一个主要优点在于宽带信号能与窄带通信信号共享信 道而彼此间不会产生严重干扰。虽然扩频信号本身拥有抗任意类型窄带干 扰的能力，在解扩和解调之前进行窄带干扰抑制能有效提高系统的性能增 益。早期的抗干扰研究主要集中在增强单用户系统的抗干扰能力上。近年 来，人们已经把注意力转向多址通信系统，特别是在当前和未来无线通信 扮演着重要角色的直扩码分多址系统( d s c d m a ) 。 本文对d s c d m a 遇信系统中的码辅助干扰抑制技术进行了研究。码 辅助方法利用接收信号的扩频码将抑制多址干扰( m a i ) 的多用户检测技 术应用到窄带干扰( n b i ) 抑制中。其主要思想是将数字窄带干扰视为几 个相关的，虚拟的，拥有简单扩频码的扩频用户，使得多用户检测技术得 以应用。多用户检测技术还可以抑制其它类型的窄带干扰，如自回归过程 和音频干扰。本文对d s c d m a 系统中基于最小均方误差( m m s e ) 检测器 和迫零( z e r o f o r c i n g ) 检测器的线性码辅助技术进行了研究，并对其干扰抑 制性能进行理论分析和仿真验证。结果表明，码辅助技术性能远远高于基 于线性预测和非线性预测的窄带干扰抑制方法，还能同时消除系统中的 m a l 。本文还对利用了扩频信号和窄带干扰的几乎所有有用信息的最大似 然码辅助技术进行了研究。 未来的无线通信系统要求能够提供多媒体业务，实现包括语音、视频、 数据等不同数据率信号的同时传输，这使得有必要去研究多速率通信系统 的信号检测问题。在多速率通信系统中对每个扩频用户的可靠检测需要能 够有效地抑制m a i 和n b i 。本文的主要工作是利用多用户检测器来同时 消除可变序列长度( v s l ) d s c d m a 系统中的m a i 和n b i 。由于v s l d s c d m a 系统中不同传输速率的用户拥有不同长度的扩频码，基于 d s c d m a 通信系统中的多用户技术在这里无法直接应用。本文检测器设 计的主要思想是将高速率的扩频用户转化成多个虚拟的低速率扩频用户 来处理，使他们拥有相同长度的扩频码，这样就可以将d s c d m a 通信系 统中的码辅助技术应用到多速率系统中来。利用接收信号的一些先验信 息，本文提出了窄带干扰下v s ld s c d m a 系统的最优检测器、m m s e 检测器和迫零检测器。本文在理论上分析了它们同时抑制m a i 和n b i 的 性能，并通过仿真进行验证。在自适应率系统中，当接收机未知期望信号 实际数据率时，本文提出基于码辅助盲速率检测方法对v s l d s c d m a 系 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t o n eo ft h ec h i e fa d v a n t a g e so ft h es p r e a d s p e c t r u m ( s s ) c o m m u n i c a t i o n s s y s t e mi s t h a tt h ew i d e b a n ds i g n a l sc a ns h a r eac h a n n e lw i t hn a r r o w b a n d c o m m u n i c a t i o ns i g n a l s w i t h o u to n eu n d u l yi n t e r f e r i n gw i t ht h eo t h e r t h es s s i g n a l sh a v ei n h e r e n ta n t i j a m m i n gc a p a b i l i t ya n di n t r i n s i cr e s i s t a n c et oa n y t y p eo fn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e ( n b i ) e v e ns o ，s u b s t a n t i a lp e r f o r m a n c e g a i n sc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h eu s eo fa c t i v en b is u p p r e s s i o np r i o r t o d i s p r e a d i n ga n dd e m o d u l a t i n g e a r l i e ra p p r o a c h e ss o u g h tt o e n h a n c et h e n a t u r a l a n t i j a mc a p a b i l i t i e s o f s i n g l e - u s e r s s s y s t e m s m o r er e c e n t l y ， e m p h a s i sh a ss h i f t e dt om u l t i p l e a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，p a r t i c u l a r l y d i r e c t s e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( d s - c d m a ) s y s t e m s 。w h i c h p l a yal e a d i n gr o l ei nc u f r c n ta n df u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s t h i st h e s i s i n v e s t i g a t e s t h ec o d e a i d e di n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o n t e c h n i q u e si nd s c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o d e - a i d e dm e t h o d s e x p l o i tt h es p r e a d i n gc o d e st h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fm u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n i q u e s ，d e s i g n e dt os u p p r e s st h em a i ，t on b ic a n c e l l a t i o n t h e b a s i ci d e ai st os p l i ta d i g i t a ln b ii n t oas e to fn o n o v e r l a p p i n gv i r t u a lu s e r ss o t h a tt h eo v e r l a yo fa ns ss i g n a lo nd i g i t a ln b ic a nb er e g a r d e da sac d m a s y s t e m ，a n dm u d t o o l sc a nb ea p p l i e d m u dt e c h n i q u e sc a ns u p p r e s sam u c h b r o a d e rc l a s so fn b i ss u c ha sa u t o r e g r c s s i v ep r o c e s s e sa n ds i n u s o i d a lt o n e s t h el i n e a rc o d e a i d e dt e c h n i q u e s b a s e do nl i n e a rm m s ed e t e c t o ro r z e r o f o r c i n gd e t e c t o ra r ei n t r o d u c e di nd s c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e i rp e r f o r m a n c ea g a i n s tb o t hm a ia n dn b ii sa n a l y z e d t h es t a t i s t i c a l r e s u l t sa n dn u m e r a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o d e - a i d e dm e t h o d so u t p e r f o r ma l l o ft h ep r e v i o u sl i n e a ro rn o n l i n e a rm e t h o d so fn b is u p p r e s s i o n ，w h i l e s i m u l t a n e o u s l ys u p p r e s s i n gt h em a i t h em a x i m u m l i k e l i h o o dc o d e - a i d e d t e c h n i q u e ，w h i c hm a k e su s eo fe s s e n t i a l l ya l lt h a ti sk n o w na b o u tt h eu s e f u l s i g n a l sa n di n t e r f e r e n c e ，i sa l s oi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s m u s tb ea b l et o a c c o m m o d a t et h em u l t i m e d i at r a f f i cs u c ha sv o i c e ，d a t aa n dv i d e o ，w h i c hh a v e t h ed i f f e r e n td a t ar a t e sa n dr e q u i r e m e n t so fq u a l i t yo fs e r v i c e t h i sm a k e si t i m p e r a t i v et od e v e l o pe f f e c t i v em u l t i r a t ec d m a m u l t i u s e rd e t e c t o r s r e l i a b l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 d e t e c t i n ge a c hu s e rr e q u i r e st h ej o i n ts u p p r e s s i o no fb o t hm a i a n dn b i t h i s p a p e rc o n c e n t r a t e s o nt h e j o i n ts u p p r e s s i o n o fn b ia n dm a lb yt h e a p p l i c a t i o n o f t h em u dt e c h n i q u e si nv a r i a b l e s p r e a d i n gl e n g t h ( v s l ) d s c d m as y s t e m t h eb a s i ci d e ao fm u dd e t e c t o rd e s i g n e df o rm u l t i r a t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e l i e so nd e c o m p o s i n ge a c hu s e ri n t os e v e r a lv i r t u a l u s e r st oc o n v e r tt h eo r i g i n a lp r o b l e mi n t oa s i n g l er a t em u l t i u s e rp r o b l e ma n d t h ec o d e a i d e d t e c h n i q u e si nd s - c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb e a p p l i e d t h eo p t i m u md e t e c t o r , m m s ed e t e c t o r , a n dz e r o f o r c i n gd e t e c t o r f o rv s ld s c d m as y s t e m si nt h ep r e s e n c eo fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ea r e p r o p o s e d ，b ye x p l o i t i n gs o m ep r i o ri n f o r m a t i o no ft h er e c e i v e ds i g n a l s t h e i r p e r f o r m a n c ea g a i n s tc o m b i n e dm a ia n dn b ii sa n a l y z e da n dt h es t a t i s t i c a l r e s u l t sa n dn u m e r a lr e s u l t sa r eg i v e n a l s o ，c o d e a i d e db l i n dr a t ed e t e c t i o nf o r v s ld s c d m as y s t e m si sc o n s i d e r e du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e st h a tt h e r e c e i v e rh a sn ok n o w l e d g eo ft h ea c t u a ld a t a r a t eo ft h es i g n a lo fi n t e r e s t k e yw o r d s ：v s ld s c d m a ；i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ；c o d e - a i d e dt e c h n i q u e s ； m u l t i u e rd e t e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 扩频这种特殊的宽带调制方式，充分利用扩频码很小的码片宽度，很 长的周期和伪随机性，使载荷信息的传输波形具有宽带性及白噪声的某些 特征。非法接收者由于不了解扩频码的生成规律，很难检测或获取传输的 信息；而预定接收者用双方约定的扩频码进行解扩而后解调即可恢复出发 送的信息。由于预定接收者的解扩解调可使基带信号能量重新“集中”， 而传输中外来干扰的能量只有很小一部分落入基带带宽内，因此扩频系统 不易受到外加干扰影响。扩频系统传输的高可靠性以及安全保密性是以极 大带宽，系统复杂化和一定的传播延时为代价的“ 八十年代以前，扩频技术几乎为军事通信系统专用，研发工作也主要 为军方服务，是军事通信中最受重视的抗干扰方式之一。抗干扰技术应用 于军事领域的例子不胜枚举，科技的发展，电子对抗的日益尖锐，通信系 统的抗干扰能力直接决定战争的胜负。 1 9 8 3 年美国联邦通信委员会开放了三个商用扩频频段，自此扩频技术 进入大规模应用阶段。商用领域通信用户数量的剧增使频谱拥塞问题越来 越严重，扩频技术是一种很有前途的解决方案。一方面：扩频信号的功率 谱密度很低，其对已有通信系统影响相当小。再加上扩频系统自身具有一 定的抗干扰能力，因而扩频系统可与现有通信系统共享频率资源。另一方 面：基于扩频技术的码分多址( c d m a ) 蜂窝系统的全部用户共享一个无线 信道，靠扩频序列的码型区分不同用户。虽然付出极大的带宽，但大量用 户共享同一带宽，仍可改善频带利用率。当系统满负荷时，另外增加少数 用户，只会引起话音质量的轻微下降( 或者说信干比稍微降低) ，但不会出 现阻塞现象，因此c d m a 蜂窝通信系统具有“软容量”特性，或者说“软 过载”特性。在业务高峰期，可以稍微降低系统的误码性能，以适当增多 用户数目，即短时间内提供稍多的可用信道数。c d m a 蜂窝系统的软容量 特性可以避免因用户过境切换找不到可用频道或时隙时造成的通信中断。 另外，基于扩频技术的c d m a 具有扩频系统固有的优点，如抗干扰、抗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 多径衰落和具有保密性。因此c d m a 在移动通信中越来越受到重视 直接序列扩频通信( d s s s ) 系统与窄带通信系统共享既可以看作是频 谱效率的改善，也可以看作是与现有窄带通信共享频谱资源。然而实际应 用当中，直扩信号的发射功率应该不对窄带通信系统造成不良影响，所以 其发射功率是受限的，这样的直扩信号不再经得起来自窄带系统的干扰。 而且，当不同用户之间的扩频码不完全正交时，还会存在多址干扰，严重 影响了c d m a 的系统容量。因而，民用通信的需求也将进一步推动扩频通 信干扰抑制技术的深入研究和发展。 1 2 扩频通信系统概述 1 2 。1 扩频技术的起源及发展 自从1 9 4 9 年，世界上第一个直接序列扩频系统在美国联邦通信实验室 ( f t l ) ，由d e r o s a 和r o g o f f 研制成功以来，扩频技术的应用仅仅局限于 制导系统、电子对抗等军用通信领域。直到8 0 年代，随着超大规模集成 电路技术、微处理器技术的飞速发展以及新型元器件的应用，扩频技术以 其对系统发射功率要求低、抗干扰能力强，并适合于无线通信等优越性在 民用、商用通信领域获得了广泛的应用，如：i s - 9 5 移动通信系统、3 g 移 动通信系统、无线局域网( w l a n ) 、美国的全球定位系统( g p s ) 、通信数据 转发卫星系统( t d e s s ) 、码分多址( c d m a ) 卫星通信系统等。 1 2 2 扩频通信的理论基础 扩频技术的理论基础是香农的信道容量公式，香农信道容量公式可描 述为： “引o g z ( 1 + 旁( i - 1 ) 式( 1 - i ) 中，c 为信道容量，b n 为信道的信号噪声功率比，简称信噪比； b 为信道带宽；n = n o b ，n o 是噪声功率谱密度在强干扰环境中，s n t t l ， 将上式按幂级数展开，并略去高次项得： c - i 韬b 。i s ( i - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由式( 卜1 ) ，为了提高系统的信道容量，存在两种途径，增大系统带 宽b 或者提高系统信噪比s n 。也就是说，对于给定的信道容量，可以通 过增大信道带宽，降低系统对信噪比的要求，当带宽增大到一定程度，允 许信噪比很低，有用信号功率接近噪声功率，甚至淹没在噪声中，即实现 了扩频。可见，利用增大系统传输宽带换取系统信噪比的降低，是扩频技 术的基本思想和理论依据。 1 2 3 扩频技术的工作方式 扩频技术至今已经经历了近6 0 年的发展，人们普遍将扩频技术分为 以下几类： ( 1 ) 直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 直接序列扩频一般简称直扩，是指直接用双极性或多极性的伪随机序 列，对已调制或未调制信息的载频进行调制，达到扩展信号频谱的扩频技 术。 ( 2 ) 跳变频率扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 跳频是指用伪随机序列控制系统发射信号频率，使其按照一定的规律， 载给定的频段内周期地跳变。 ( 3 ) 跳变时间扩频( t h s s ，t i m eh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 跳时是指采用伪随机序列来控制系统发射信号的有无和持续的时间。 在数字通信系统中，采用跳对方式时，由于发射信号的最小切谱持续时间 小于信息码元周期，因此，发射信号的频谱要宽于未跳时的信号频谱，从 而达到频谱扩展的目的。但是由于跳时信号是一种低占空比的信号，其抗 干扰能力不能和直扩、跳频技术相比，因此单独采用跳时实现扩频的系统 很少。 ( 4 ) 线性调频( c h i r p ) 线性调频是指周期性地控制信号频率，使之由高到低或由低到离地变 化，达到扩展信号频谱宽度的技术。 ( 5 ) 混合体制 所谓混合体制，是指在一个扩频系统中采用了两种或两种以上的扩频 技术，以结合各种扩频技术的优点，达到更好的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3c d m a 技术介绍 1 3 1c d m a 系统的基本原理 c d m a 是直接序列( d s ) 扩频技术的一个直接应用。直扩的基本思想是 将要传送的信息先对载波进行一次调制，然后再用一个伪随机序列对已调 波进行二次调制，由于伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而 最后得到的已调信号的频谱宽度将远大于原来信息的频谱宽度，故称之为 扩频。在接收端采用相同且同步的伪随机序列进行解调就能将原信息恢 复。这样，多个用户只要分配不同的伪随机序列( 伪码) ，就可以共用一 个公共的信道同时迸行通信，在接收端利用同样的伪码解扩就可以检测出 所需要的用户信息。这就是所谓的“码分多址”。显然，要正确地检测和 区别不同的用户信号，必须满足两个基本的条件：一是接收端和发送端的 伪码序列必须严格同步，时间偏差要小于一个码位的长度：二是不同伪码 的互相关性必须接近零。 1 3 2c d m a 系统的特点 相对于时分多址和频分多址，c d m a 具有以下特点1 ： 一( 1 ) 软容量 由于c d m a 系统是干扰受限的，在不影响通信正常进行的情况下可通过 降低系统服务质量来提高系统容量，因此它具有“软容量”。在一定情况 下，允许增加一定的用户数而不出现阻塞现象。尽管这时系统中每个用户 的通信质量有所下降，但可使系统容量增加。 ( 2 ) 保密性好 由于扩频信号的功率谱密度很低。而c d m a 采用扩频技术，所以可在 很低的信号功率谱密度上进行通信，从而具有很低的被截获概率。 ( 3 ) 抗多径衰落能力强 c d m a 采用扩频技术，可以采用r a k e 接收技术，使多径干扰已不再是 种干扰，而成为多路分集的有用信息。从而使其具有优良的抗多径衰落 的能力。 ( 4 ) 抗干扰能力强 在c d m a 系统中，信息码元被扩频码调制，展成了很宽的频谱，如果 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在接收端用匹配滤波器提取信号，当接收机本地解扩码与用户扩频码一致 时，就将扩频信号恢复为原来的信息，而其它干扰，尤其是单频或窄带干 扰等通过匹配滤波器其频谱被扩散，从而落入到信号通带内的干扰强度被 大大地降低了。 ( 5 ) 软切换 由于c d m a 系统相邻小区共用同一频带，所以移动台过境时可以采用软 切换，即在切换过程中与原小区和新小区同时保持联系，直到与新小区的 保持正常接通为止，这样可以保证通话的不间断。c d m a 系统采用软切换技 术，大大降低了切换掉话的可能性，改善了用户处于小区边界时的通信质 量。 ( 6 ) 频率规划简单 在c d m a 系统中不同用户按各自不同的序列码区分，所以不同c d m a 载 波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 另外，c d m a 技术具有发射功率低，过渡方便等优点。因此，c d m a 技术已 成为第三代移动通信系统首选的多址方式“”，同时也成为国内外研究的热 点课题。 1 3 3c d m a 系统中的主要干扰 c d m a 蜂窝移动通信系统中主要存在以下几种干扰“”： ( 1 ) 加性白噪声：它是所有通信系统中都存在的一类可加性噪声。主要 由通信设备的有源、无源器件所产生，它一般遵从高斯分布且功率谱是平 坦的，故称为加性白噪声。 ( 2 ) 多径干扰：它主要是由于电波传播中的多径反射引起的。这种干扰 可以通过均衡技术或者分集技术来解决。 ( 3 ) 多址干扰：主要是由不同用户的地址码间的互相关系数不为零所引 起的多个用户之间的干扰。 ( 4 ) 窄带干扰：通常来源于数据率比较低的外部数据源或是人为的强窄 带干扰，可以建模成自回归干扰模型、音频干扰模型以及数字窄带干扰模 型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 干扰抑制技术的研究现状 1 4 1 多址干扰抑制技术 c d m a 系统是干扰受限系统。它的容量和性能主要受到多址干扰的 限制。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 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优解调。但 是在实际情况中，由于多径衰落以及异步传输的影响，c d m a 扩频码间 的相关特性会受限制，不可避免的带来用户问的相互干扰。随着用户数的 增加，这种干扰将越来越严重，导致系统性能的急剧恶化。此外，“远近” 效应也严重影响系统性能。 在现有的c d m a 系统中，主要采用功率控制技术来克服“远近”效 应，但是严格的功率控制不但实现复杂，同时由于传输时延及移动台的限 制使其具有极大的局限性。传统接收机消除多址干扰( m a i ) 主要在以下 几个方面进行了研究。 1 、具有优良相关性质的扩频码； 2 、有效的功率控制机制： 3 、应用前向纠错码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 。f e c ) ： 4 、采用分扇自适应天线。 这些研究对于提高系统的抗多址干扰能力有一定作用，但是还不能够 理想地解决问题，于是人们利用空间传输中造成干扰的用户的各种信息进 行抗干扰，提出了多用户检测理论。多用户检测是抑制多址干扰的一种主 要手段。自2 0 世纪8 0 年代初期，s v e r d u 首次提出了多用户检测的概念 以来，多用户检测算法的发展先后经历了最优多用户检测算法( 最大似然 序列检测) 、线性多用户检测算法、非线性的多级型多用户检测算法、盲 多用户检测算法及半盲的多用户检测算法等。 1 9 8 6 年，s v c r d u 利用对数似然函数的可分解性，证明了d s c d m a 系统中的最佳多用户检测器可由匹配滤波器组后接v i t c r b i 译码器构成 “”，但其运算复杂度与用户数呈指数增加。为使多用户检测器能够实用化， 人们将研究重点集中在了其性能接近于最佳多用户检测器而计算复杂度 较低的次最佳多用户检测器上。次最佳多用户检测器可分为线性检测器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和非线性检测器两大类，其中已出现线性检测器主要包括解相关检测器、 最小均方误差检测器( m m s e ) 、最优线性检测器等“8 “1 ；非线性检测器主 要包括判决反馈检测器、并行( 或串行) 干扰抵消算法以及各种神经网络 多用户检测器等。”“1 1 4 2 窄带干扰抑制技术 过去的2 0 多年中，大量的研究工作一直关注于扩频系统中有效的窄 带干扰抑制技术的开发运用，发展至今仍是众多学者研究的热门课题。目 前已有的窄带干扰抑制技术主要可以分为三类：时域技术【2 岳5 3 l ：变换域技 术1 5 4 6 6 】和码辅助技术阳7 - ”】。 所有基于预测的方法，不管是线性还是非线性预测，都是基于窄带干 扰比宽带扩频信号更容易预测的思想。扩频信号带宽较宽，自相关函数衰 减很快，较难预测；n b i 带宽窄，不同时刻的取值相关性强，容易预测。 时域预测技术利用两者在可预测性上的差异，按照某种最优准则估计干 扰，然后从接收信号中减掉，以消除干扰影响。可用预测器来预测n b i ， 预测器又分为基于状态空间模型的k a l m a n b u c y 预测器和基于抽头延迟 线结构的f i r 预测器。采用第一种预测器结构时，常将n b i 建模为p 阶高 斯自回归( a r ) 过程，a r 过程满足的差分方程就是以干扰为状态矢量的状 态方程，而a r 过程的白高斯噪声激励就为状态噪声。当信噪比( s n r ) 较 小时，由扩频信号和热噪声组成的观测噪声近似服从高斯分布，此时，线 性最小均方误差( l m m s e ) 意义下的最优估计近似于m m s e 意义下的最优 估计，因而可用k a l m a n 滤波等线性滤波得到的预测值近似干扰的最优估 计。当s n r 较大时，由于观测噪声的非高斯分布导致与最优估计对应滤 波器为非线性滤波器。m a s r e l i e z 提出的近似条件均值( a c m ) 滤波，能在( 非) 高斯噪声背景下得到状态矢量最优估计的近似值【4 7 】。除了预测器外还可以 用内插器产生预测值，内插器利用了过去时刻和将来时刻的输入，其性能 通常比只利用了过去时刻输入的预测器要好。r u s c h 将非线性预测滤波器 推广到非线性内插滤波器，使抑制干扰性能进一步提高【5 0 l 。 交换域技术抑制n b i 基于以下思想：n b i 所占带宽远远小于扩频带宽， 去除干扰对应的频率分量应该不会对扩频信号造成很大的失真。m i l s t e i n 提出通过d f t 抑制扩频接收机的n b i 59 1 。然而d f t 固有的严重的频谱泄 漏使得该技术抑制n b i 性能对于扰功率、频率以及带宽等参数非常敏感。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在d f t 之前预加窗可以改善频谱泄漏情况，但需要对数据进行重叠处理 以补偿加窗对边缘处数据的衰减，这样一来，除运算量显著增加外，还要 求窗函数满足完全重构( p r ) 条件1 6 0 - 6 2 1 。j o n e s t 6 3 】于1 9 9 2 年提出基于滤波器 组的变换域抗干扰技术的基本框架，包括：从时域映射到变换域，在变换 域中处理，逆映射回时域三个步骤。其中分析滤波器组完成时域到变换域 的映射，目的在于使干扰和扩频信号在变换域中容易区分；合成滤波器组 完成变换域到时域的映射。从d f t 和加窗d f t 出发的变换域技术只是该 框架下的两个特例。该技术只要求滤波器组满足p r 条件，因此设计自由 度相当大，较容易设计出具有良好性能的滤波器组以改善频谱泄漏。变换 域技术利用扩频信号，强n b i 在变换域中能量( 功率) 分布的不同区别两者， 然后采用合适的处理方法以消除干扰、保留有用信号。与时域预测技术相 比，变换域技术具有以下优点：( 1 ) 时域中很复杂的滤波过程可通过变换域 中简单的相乘运算完成；( 2 ) 在变换域中设计滤波器比时域直接、简单、更 易达到期望性能；( 3 ) 变换域技术这种开环自适应技术抑制干扰速度快于时 域预测技术。然而变换域技术不可避免的n b i 能量泄露以及变换域中所做 的处理决定了该技术适于抑制带宽极窄的干扰，对带宽稍宽干扰的抑制效 果将非常差，且对干扰样式和干扰参数非常敏感。 窄带干扰抑制技术的巨大进展来源于多用户检测技术的应用。扩频系 统与现有窄带通信系统共享频谱资源时，功率谱密度很低的扩频信号对同 信道内的窄带通信系统的影响很小，但后者对扩频系统来说却是不容忽视 的干扰源，而且这类干扰不宜建模为单音或自回归过程。为此，r u s c h 等 人【7 0 l 提出将其视为几个相关的，虚拟的，拥有简单扩频码的扩频用户，从 而可以把用来消除多址干扰( m a i ) 的多用户检测( m u d ) 技术应用到抑制这 类数字窄带干扰当中哺”，。考虑到解调数据时，接收方已知期望用户扩频 码这个事实，p o o r 利用窄带干扰的二阶统计量和扩频码等先验信息，提出 最小均方误差( m m s e ) 多用户检测器来抑制扩频通信中的窄带干扰，其 性能远远高于以往的线性和非线性预测技术，而且窄带干扰可以是任意类 型的哺”。由于多用户检测方法消除窄带干扰方法利用到了期望信号的扩频 码，也称为码辅助技术。由于m m s e 需要利用到扩频信号的幅值，而在 一个时变的环境中，扩频用户的幅值通常不容易得到，为此，m a r c ol o p s 利用予空间投影的方法，提出了窄带干扰下的迫零检测器n ”。由于m m s e 检测器和迫零检测器都是线性的，因而也称为线性码辅助技术。依据有用 信号和干扰的所有信息，p o o r 提出最大似然码辅助技术”。最大似然码 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 辅助技术是一种非线性技术，目的是得到发送信息比特的最大似然估计， 该技术可理解为：( 1 ) 用传统的检测器检测干扰并将其去除；( 2 ) 将传统的 信息比特检测方法应用于去除了干扰影响的剩余信号，以估计发送端发送 的信息比特。 时域线性预测技术利用了扩频信号和干扰的频谱特性，非线性预测技 术还用到两者的一阶概率分布信息。变换域技术只利用了两者的频谱特 性；码辅助技术应用了更多的信息。总的来说，利用的信息越多，抑制干 扰效果越明显。 1 4 3 码辅助方法与多用户检测技术 多用户检测技术是第三代移动通信系统关键技术之一。其主要思想 是充分利用所有用户的信息对接收信号做联合检测，抑制多址干扰，缓解 “远一近”效应，从而有效地提高系统容量。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。如果能利用多址干扰的所提供的先验知识，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。 由于扩频系统与现有窄带通信系统共享频谱资源时，同信道内，的窄带 通信系统对扩频系统来说却是不容忽视的干扰源。为此，p o o r 等人利用窄 带干扰的先验信息和期望信号的扩频码，从而可以把用来消除多址干扰的 多用户检测( m u d ) 技术应用到窄带干扰抑制当中，即所谓的码辅助窄带干 扰抑制方法。由于多用户检测技术本身拥有消除m a i 的能力，码辅助方 法通常能够同时消除m a i 和n b i 。事实上，可以将码辅助技术视为窄带 干扰下的多用户检测技术，即利用造成多址干扰的所有用户信号的信息和 窄带干扰的二阶统计信息( n b i 的自相关矩阵) 对单个用户的信号进行检 测。码辅助技术不同于传统多用户检测在于窄带干扰不再被视为不含任何 可用信息的高斯白噪声处理，而是将其作为有用信息加以利用。 1 5 论文主要工作以及章节安排 本文从d s c d m a 通信系统的模型和多用户检测的基本原理开始，对 基于码辅助的干扰抑制技术进行研究。本文的工作主要表现以下几个方 面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 对d s c d m a 系统中几种典型的多用户检测器的进行研究和分析。 ( 2 ) 对利用m m s e 检测器和迫零检测器进行窄带干扰抑制的线性码辅 助技术进行研究，并分析了两者同时抑制m a l 和n b i 时的性能。 ( 3 ) 对d s c d m a 系统的最大似然码辅助窄带干扰抑制技术进行了研 究。 ( 4 ) 提出v s ld s c d m a 多速率系统的最优检测器，在理论上推导出 其同时抑制m a i 和n b i 时抗“远近”效应的性能公式。 ( 5 ) 提出v s ld s c d m a 多速率系统的迫零检测器，在理论上推导出 其同时抑制m a i 和n b i 时的误码率公式和抗“远近”效应性能公 式。 ( 6 ) 提出v s ld s c d m a 多速率系统的m m s e 检测器，在理论上推导 出其在同时抑制m a i 和n b i 时的平均输出信干比，并给出其盲自 适应实现。 ( 7 ) 提出v s ld s c d m a 多速率系统存在窄带干扰时的盲速率检测方 法，解决了接收方在未知期望信号扩频码以及数据率时的干扰消除 以及码元估计问题。 全文的章节内容结构安排如下： 第一章是绪论。首先指出课题研究的背景以及研究意义，接着简要介 绍扩频通信的基本原理及其特点，最后介绍了课题研究的具体内容和主要 成果。 第二章是多用户检测技术概述。本章介绍了d s c d m a 系统的多用户 检测思想，性能测度以及几种典型的多用户检测算法。 第三章是d s c d m a 通信系统码辅助干扰抑制技术研究。本章首先介绍 了窄带干扰的基本模型；接着介绍了利用m m s e 检测器和迫零检测器抑制 窄带干扰的线性码辅助技术，并分析了两者同时抑制姒i 和n b i 的性能； 接着介绍了最大似然码辅助技术。、 第四章是多速率d s c d m a 通信系统码辅助干扰抑制技术研究。本章首 先介绍了v s ld s c d m a 多速率系统的数学模型；接着介绍了基于最优检测 器的非线性码辅助技术与基于m m s e 检测器和追零检测器的线性码辅助技 术，并分析了它们在同时抑制m a i 和n b i 时的性能；最后介绍了码辅助盲 速率检测方法。 最后一章是结论和展望。总结本专题研究过程中所得到的一些有意义 的结论，并对今后的研究工作进一步的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章多用户检测技术概述 2 1 传统c d m a 检测技术 2 1 1d s c d m a 系统模型 ( 1 ) 高斯白噪声信道、单径异步信号模型： 考虑加性高斯白噪声( a g w n ) 信道下具有置个用户的异步d s c d m a 信号模型采用b p s k 调制技术，则接收到的等效基带信号可以表示为 点 r ( 0 - 4 ( f 一k ( f - r t ) + o n ( t ) f o ，毛】( 2 1 ) f z - 1 其中：毛表示符号间隔； 表示第k 个用户的信号延迟 a 表示接收到第k 个用户的幅度； 一1 ，+ 畸表示第k 个用户发送的比特信息符号，本文假定所有用 户的信息序列都是等概率的； s k ( t ) 表示第k 个用户的归一化扩频信号； 恢胪一f r o b s k ( t ) a t - 1 ( 2 2 ) n ( o 表示具有单位功率谱密度的零均值高斯白噪声； 仃2 表示信道中的噪声功率。 ( 2 ) 高斯白噪声信道、同步信号模型： 只要在( 2 - 1 ) 式中令瓢- 0 ，就可得到加性高斯白噪声信道下采用b p s k 调制技术，具有k 个用户的同步d s c d m a 信号模型，在接收端收到的基带 信号表示为： ，j 【 ，o ) -4 b k s k ( t ) + 咖( f ) f 【o ，瓦】( 2 3 ) 厢 所有符号的含义与( 2 1 ) 式相同。 由于具有k 个用户的异步通信系统可以等效为2 k 一1 个用户的同步系 统【8 叭。为了分析简单，本文在分析过程中只考虑同步系统。 ( 3 ) 高斯白噪声信道，多径信号模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 r ( f ) - q ，4 o 一取b o 一) + 册o ) f 【o ，写】( 2 - 4 ) 0 1 f o i 其中，c 七，吒分别为第k 个用户第，条路径的衰落因子和时延，其余符号 同( 2 1 ) 式。 2 1 2 传统检测器 常规检测时，使用k 个相关器组成的相关器组对接收信号，( f ) 进行检 测。实际中，相关器常常由匹配滤波器( m f ) 实现。其接收机结构如图2 - 1 所示a 显然，这种检测器对每个用户进行单独检测，一路相关器只检测一 个用户的信号，并没有考虑其它用户的影响。 图2 1 传统检测器结构图 接收信号，o ) 经过第k 个用户匹配滤波器后输出的采样值为： y k - j ：6 r o ) & ( t ) d t x - 4 + a j b j p j k + n k ( 2 - 5 ) j - l , ) o f - 4 钆+ m m j k + n k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 其中：鲰- 割6 s ，p ) ( f ) 出为用户的扩频码问的相关系数； - 砉石6 月( t ) s k ( t ) a t 为噪声经过相关器以后的输出。 分析( 2 - 5 ) 式，可看出，匹配滤波器的输出有三项，第一项为期望用户 的信号，总不为零；第二项是由于各用户扩频码不完全正交所造成的用户 阀的干扰，即为多址干扰：这项当不同用户扩频码正交时为零，当不同用 户扩频码不正交时，这项总存在；第三项是输出噪声。传统检测器将多 址干扰当作背景噪声处理，直接对匹配滤波器的输出做判决。 钆- s g n ( y d t - l 2 ，k( 2 6 ) 若令 ，一防，y 2 ，敬】r( 2 - 7 ) b 晚，k 】r 庸一慨，也，】r 4 - d i a g ( a i ，a 2 t ，叙) r - p l k 】氖- l 1r p 旷 囊s j ( t ) s k ( t ) d t 式( 2 - 5 ) 写成矩阵形式为： ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ，一j - 曲+ 开 ( 2 1 3 ) 其中b ，n 分别表示发送数据，匹配滤波器输出的数据向量和噪声向量； 4 是由用户信号幅度组成的对角阵；r 表示归一化互相关系数矩 阵，