（通信与信息系统专业论文）多用户检测技术在异步wcdma中的应用.pdf

摘要 多址干扰是影响c d m a 系统容量的主要因素。传统的c d m a 信号检测器将 用户唰的多址干扰视为噪声，这大大降低了接收机的输入载干比，影响了系统的 性能。多用户检测能够有效地消除不同用户问的多址干扰，提高载干比，降低误 码率；此外，多用户检测还能克服远近效应。最优多用户检测由于其实现复杂而 难以应用，因而，复杂度大幅降低但性能稍差的各种次最优多用户检测算法受到 广泛的研究，其中并行干扰对消算法由于其易于实现而各受关注。 已有的关于多用户检测的文献大都把注意力集中在讨论算法的复杂度、误码 率、多用户效率等性能指标上，而对于多用户检测所能达到的实际的容量增益， 却很少有文献报道。基于此，本文旨在探究高数据传输速率，低扩频增益的宽带 c d m a 系统，在满足给定误码率要求的情况下，采用多级并行干扰对消多用户 检测技术后，所能达到的极限容量。为此，我们在m a t l a b 平台上建立了基于多 级并行干扰对消多用户检测器的c d m a 反向链路模型，通过不同用户数情况的 模拟仿真，找出了限制系统容量提高的主要因素，并通过对算法加以适当的修正 来克服或降低这些因素造成的影响。 模拟仿真研究发现，限制系统容量提高的主要因素有： 对于采用卷积酊向纠错编码的c d m a 系统，由匹配滤波器结合多级并行干 扰对消算法组成的多用户检测器，决定检测器能否收敛以及收敛速度的主要因素 仍然是匹配滤波器输出信号的错误概率，它将影响卷积解码器的工作状态以及对 干扰估计的可靠性。 对于v i t e r b i 解码器存在纠错门限，如果它的输入误码率高于此门限，解码 后的误码率反而更高，此门限是由卷积码的结构决定的，它是限制这种多用户检 测器能否收敛的因素之一，对卷积解码前的匹配滤波器的输出信号进行预干扰对 消可减轻纠错门限的影响。 如果用于估计干扰的各个用户信号的平均误码率高于0 1 ，1 0 0 干扰对消后 的信号的误码率将高于对消前，此时采用部分干扰对消效果会更好，通过模拟仿 真，我们发现当干扰用户信号的平均误码率在0 1 o 2 之间时，采用4 0 干扰对 消效果最佳，平均可降低的误比特率为o 0 5 。 用户扩频码间的互相关系数决定干扰功率的大小，从而决定了匹配滤波器输 出信号的可靠性：此外互相关系数太高会导致错误在相应的用户间相互传播，也 可能造成检测器不收敛，采用相对于互相关系数的部分干扰对消可有效地解决此 问题。 模拟仿真结果表明： 1 如果采用b p s k 调制，相干解调，以及码率为妻，约束长度为7 的卷积编码， z 在w c d m a 所规定的5 m h z 带宽的加性高斯白噪信道中，在满足误码率指标不 超过1 0 5 的| j 提下，不采用多用户检测的普通单匹配滤波器接收机最多只能支持 3 个用户以3 8 4 k b p s 的速率同时传输数据。本文在大量模拟实验的基础上得出如 下结论，如果不考虑蜂窝间干扰，采用我们所建议的多用户检测算法，上述应用 系统的容量可以达到普通系统的3 倍以上。 关键词：多用户检测；v i t e r b i 算法；纠错门限：并行干扰对消：多址接入干扰 部分干扰对消 a b s t r a c t i nac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s y s t e m ，t h ep r e s e n c eo ft h em u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) l i m i t st h en u m b e ro fu s e r st h a tc a l l s i m u l t a n e o u s l y c o m m u n i c a t eo v e rt h ec h a n n e l t oo v e r c o m et h ed e t r i m e n t a le f f e c t so ft h em a i ，t h e m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i si n t r o d u c e d d u et oi t sh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ， t h eo p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mc a nn o tb ei m p l e m e n t e di n p r a c t i c a l r e c e i v e r , s ov a r i o u ss u b - o p t i m u mm u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t l m 3w h i c hh a v e s i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yb u tw i t hn e g l i g i b l ep e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o nw e r ep r o p o s e d m u l t i s t a g ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( m i c ) i so n eo ft h e s u b o p t i m u mm u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mw h i c hh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y m o s to ft h ep r e v i o u sp a p e ro nm u l t i u s e rd e t e c t i o nf o c u so nt h er e c e i v e r s p e r f o r m a n c es u c ha sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , b i te r r o rr a t e ( b e r ) ，m u l t i u s e r e f f i c i e n c ya n de t c ，b u tl i t t l ea t t e n t i o nw a sp a i do nt h es y s t e m sa c t u a lc a p a c i t yg a i nb y u s eo fm u d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d i e dt h ep o t e n t i a lc a p a c i t yb e n e f i t sb yt h eu s e o fm u l t i - s t a g e si n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi na na s y n c h r o n o u sw c d m a u p l i n k ，w h i c ht r a n s m i td a t aa tr a t eo f3 8 4k b p si n5m h zb a n d w i d t h ，g i v e n1 0 5b i t e r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t am u l t i u s e rd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n c d m ar e v e r s el i n kw a sm o d e l e di nm a t l a bp l a t f o r m p e r f o r m a n c e sf o rd i f 诧r e n t n u m b e ro fu s e r sw e r ee v a l u a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ： f o ram u l t i u s e rd e t e c t i o nr e c e i v e rw h i c hc o m b i n e df o r w a r de r r o rc o n t r o l c o d e ( f e c ) a n dm u l t i s t a g ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ，t h ek e y f a c t o rw h i c h d e t e r m i n ew h e t h e rt h ed e t e c t o rc a nc o n v e r g e n c ei st h ee r r o rp r o b a b i l i t yo ft h eo u t p u t s o fm a t c hf i l t e r s i tw i l la f f e c tt h ew o r k i n gs t a t u so fv i t e r b id e c o d e ra n dt h er e l i a b i l i t y o fi n t e r f e r e n c ee s t i m a t i o n t h ev i t e r b id e c o d e rh a se r r o rc o r r e c t i n gt h r e s h o l d ，w h e nt h ee r r o rr a t eo fi t s i n p u ts i g n a li sa b o v et h et h r e s h o l d ，t h ee r r o rp r o b a b i l i t yo f i t so u t p u tw i l lb em u c h h i g h e r ；i t s a l s oaf a c t o rw h i c hr e s t r i c tt h ec o n v e r g e n c eo ft h em u dd e t e c t o n p r e d e c o d e ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nt ot h eo u t p u t so fm a t c hf i l t e rc a na l l e v i a t ei t s i m p a c t i ft h eb e ro ft h es i g n a l sw h i c hw a su s e dt oe s t i m a t ei n t e r f e r e n c ei sh i g h e rt h a n 0 1 ，p a r t i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw i l lg e tb e t t e rr e s u l t ss i m u l a t i o ns h o wt h a tw h e n t h ea v e r a g eb e ro fa l li n t e r f e r eu s e ri sb e t w e e no 1 - 0 2 ，0 4i st h eo p t i m i z e d c a n c e l l a t i o nc o e f f i c i e n t ，t h e r ei sa na v e r a g eo fo 0 5b e r i m p r o v e m e n t s t h ei n t e r f e r ep o w e rw a sd e t e r m i n e db yt h ec r o s sc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n e a c hu s e r s s i g n a t u r ew a v e f o m l ；h i g h e rc r o s sc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw i l lc a u s et h e e r r o r sp r o p a g a t eb e t w e e nu s e r sa n ds t a g e s ，a n di tm a yc a u s et h em u dd e t e c t o r d i v e r g e n c e p a r t i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o np e r t a i n i n gt oap a r t i c u l a rc r o s sc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tc a r le f f e c t i v e l yr e s o l v et h i sp r o b l e m f o ra l la w g nc h a n n e l s ，t h ec o n v e n t i o n a lc d m ad e t e c t o rc a no n l y s u p p o r t s t h r e eh i g hb i tr a t eu s e r si nw c d m aa tab i t - e r r o rr a t eo f10 5f o rt h ec o n s t r a i n tl e n g t h 7 ，1 2 r a t ec o n v o l u t i o n a lc o d e ds y s t e m t h ei t e r a t i v ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i s c a r lt r i p l et h en u m b e ro fu s e r si nt h et a r g e ta p p l i c a t i o ni nt h ea b s e n c eo fi n t e r 。c e l l i n t e r f c r e n c e k e yw o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ；m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) ； m u l t i s t a g ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( m i c ) ；p a r t i a li n t e r f e r e n c ec a r l c e l l a t i o n ；v i t e r b i d e c o d e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘茎或其他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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：年月日签字日期：年月 日 a w g n b e r d f e t s i f e c i c i t u m a i m i c m l s d m m s e m u d o v s f p e p i c p g s i c u m t s w c d m a 缩略语 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e d e c i s i o nf e e d b a c k e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i n t e r n a t i o n a l r e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m u l t i - s t a g e si n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n m i n i m u mm e a n - s q u a r e de r r o r m u l t i u s e rd e t e c t i o n o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r p o l y n o m i a le x p a n s i o n p a r t i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n p r o c e s sg a i n s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m w i d eb a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s e s 加性白高斯噪声 误码率 判决反馈 欧洲电信标准组织 前向纠错编码 干扰对消 国际电信联盟 多址干扰 多级干扰对消 最大似然序列检测 最小均方误差 多用户检测 可变长度正交序列 多项式扩展 部分干扰对消 处理增益 连续干扰对消 通用移动通信系统 宽带码分多址接入 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 第三代无线通信网络的目标是通过通用的个人通信设备提供多媒体服务。为 了实现这个目标，无论是在系统容量还是在服务质量上必须对目前的无线通信网 络加以改进。码分多址( c d m a ) 接入技术由于其理论上优越的容量指标而受到 广泛的关注。在目的提出的各种第三代个人移动通信系统方案中，大都是以 c d m a 技术为基础的。如目前被采纳的c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a 等。 1 1c d m a 系统简介 与传统的多址接入技术( f d m a 、t d m a ) 不同，在c d m a 系统中，各个用 户的信号无论在时间域还是频率域都是互相交迭的。每个用户的信息序列被调制 到带宽比它本身带宽更宽的称为伪噪声( p n ) 的类噪声信号上，此过程称为扩 频。在系统中，每个用户分配有一个唯一的扩频码( p n ) ，系统就是通过此p n 码来区分不同用户的信号。 k 个用户通过一个加性高斯白噪声信道同时通话的c d m a 系统的方框图如图 1 1 所示。它由丘个并行的发射机组成，每个发射机代表系统中的一个用户。 扩频调制 。k 九。，a j 7 y 7 譬厂_ g l ( t i t ) c o s 2 7 t f 。硒胁 j 7 y 7 ( 3 厂 9 2 ( t i t 、 c o s 2 7 f f 1。胁胁 j 7 y 7 、 g k ( t - i t 、 c o s 2 兀f i ll lkj 刳，、c d m a 系统发射 l 示意【! 】 天津大学颂十学位论文 第一章绪论 与普通的通信系统的发射机不同，每个c d m a 发剩机均包含一个扩频器，它的 作用是用一个类噪声的序列一p n 序列调制用户的信息符号。每个用户分配有一 个独特的扩频波形。这里我们假定用二进制双极性( a n t i p o d a l ) 脉冲传送信息序 列。我们用b 。( i ) 表示第k 个用户的第i 个信息符号，“( f ) 仕1 。在第i 个符号 间隔内的所有用户的发送信息用矢量b ( o = 嗡( 2 ) 6 ：( f ) b 。( f ) | 1 i = l ，2 ，3 表 示。每个用户的信息序列被一个持续时问为? 的，具有单位能量的扩频波形 g 。( f i t ) 扩展。这里t 为信息符号问隔。毋可表示为： m g 女( ，) = d 女( m ) p ( f 一。) o ，7 1 ( 1 1 ) j ”1 这里 a ) ，1 m m ) 是长度为m 的伪随机序列，g v n 1 ) ：p 是持续时 间为疋的脉冲，l 为码片间隔。n ) g 每个符号含有m 个码片，弘峨 第k 个用户的信号的基带表示为： 虬( ，) = 巳b ( f ) g ( 卜i t ) ( 1 2 ) 在接收机输入端的信号实际上是各个用户的信号以及白噪声的总和，基带表 示为： 相关接收 抽样i j 。顾 f - l 7 、二y 7 f h 9 1 ( t ) 。胁 划 7 y 7 1 砷 9 2 ( t ) 。，o 、。 7 y 7 l t l 一 g k ( t ) 图1 2 传统的c d m a 接收机 y 2 y k 天津大学预= l 学位论文第一章绪论 ( 1 3 ) 这里 倒表示高斯白噪声，r 。 o ，7 表示每个用户信号的延迟。对于同步系统 所有用户的延迟是相i 司的，而在异步系统中各个用户的延迟各不相同。典型的同 步信号有i s 9 5 的下行链路信号。一般系统的上行链路都是异步的。 图1 - 2 是普通的c d m a 接收机示意图。它由一组匹配滤波器( 或相关器) 和取样判决电路组成，每个匹配滤波器对应一个用户的扩频波形。以同步信道为 例第k 个匹配滤波器的第i 个输出符号可以表示为： y ( f ) ：l , 1 ) 7y ( f ) g 。0 一f r ) 础 = r f 圭何妻姒m 心叩) 州乩以坩) 讲 = r 睡西施k ”州恤h 聊 。， = r _ 6 撕概( r f ) 十k 廊f ( f ) “h ) 十呻) k 。( f 坩冲 = 廊。( 甜窆_ 6 ) 凤，+ ( f ) = , f q , b i ( f ) + ( f ) + h t ( f ) k 这里瓯( f ) = _ 6 ) p ；，为其它用户对用户k 的干扰 p f = j i i i + ) t g 女。一i t ) g ，( f i t ) d t 为两个扩频波形间的互相关系数。 ( f ) = i f + 1 ) 7 ( f ) g 。( t - i t ) d t 为匹配滤波器输出端的噪声。 从式( 1 4 ) 可见，传统的c d m a 单用户接收机的匹配滤波器输出由三 项组成，即由期望的接收信号b 。( i ) ，多址接入干扰巩( i ) 以及噪声( i ) 组成。 下面我们就这种接收机组成的系统的容量作简单的分析。 呻 一一 培 6 。 厄 。n i l 砸 + “0卧 。h = 哪 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 传统单匹配滤波器接收机组成的c d m a 系统容量分析 c d m a 系统的干扰抑制能力主要取决于系统的处理增益。我们用表示发 射信号的带宽，用b 表示信息承载信号的带宽。w = - 了1 b = 圭。用，表示总 1 f 的干扰信号功率。在发射端，信息承载信号被p n 序列扩展成带宽为的发射 信号。在接收端，接收信号被乘以一个发端p n 序列的同步副本，把目标信号解 扩，使其恢复为原来的带宽口。而来自其它用户的干扰信号仍然分布在宽度为 1 的频谱范围内。在接收端，干扰信号的平均功率谱密度为，。= ，二，在通过匹 w 配滤波器以后，总的干扰功率变为： b ：，旦 w ( 1 5 ) 因此，扩频和解扩的净效果就是使干扰功率按等的因子缩减，我们称此因子为 处理增益，用p g 表示。 理论上，系统能支持的同时通话的用户数与系统的处理增益p g 成正比。假定在 接收端所有用户的功率都相等，即只= b 一= 坟= 只。如果c d m a 能支持k 个用户同时通话，那么，在某个用户的接收机输入端的总的干扰功率是： ，= ( k 一1 ) 只 ( 1 - 6 ) 由式( 1 5 ) 可知，经匹配滤波后的总干扰功率变为： 幽去邓叫去 ( 1 _ 7 ) 如果用s n r r e q u i r e d 表示在传统的c d m a 系统中达到规定的误比特率性能 所要求的信噪比，则下面的等式必须满足： s n r r e q u i r e d ：三 i + p 。 式中一为噪声功率。 一般情况下j 只则式1 8 可简化为 p s n r r e q u i r e d 1 一2 l = ， ( k 一1 ) 只而1 世一1 ( 1 ，8 ) ( 1 9 ) 天津人学颂一岸位论文她一章绪论 k 。1 + 鱼 s n r r e q u i r e d 可见传统的c d m a 系统是干扰受限系统 即系统的处理增益p g 。 1 3 远近效应 ( 1 1 0 ) 系统容量取决于它的干扰抑制能力 式1 9 、l - 1 0 是在理想功率控制情况下( 只= 只一一斥= 只) 得出的。由 式i - 9 、1 1 0 可知，如果某个干扰用户的信号功率大于只，则其它用户接收机前 端的信噪比将低于要求的值( s n r r e q u i r e d ) ，此时要保持系统的正常运行，必须 减少系统中的用户数。如果另一个用户的功率低于只，则此用户接收机前端信 噪比将最差，它将首先退出系统。此现象可等效为具有相同发射助率的用户，由 于与接收机的距离不同，而表现为到达接收机输入端信号强度的不同，即距离远 的用户的信号将被距离近的用户的信号所淹没。这将直接导致系统容量的减少。 另外，即使系统中的有效用户并没有饱和，如果两个用户的信号功率相差太大， 也有可能检测不到弱信号的用户。此类现象统称为远近效应。目前的解决办法主 要是采用严格的功率控制。 由以上分析可知，在传统的c d m a 系统中，限制系统容量的主要因素是多 址接入干扰以及远近效应等。需要指出的是这些问题并不是c d m a 系统固有的 缺陷，而是单用户检测方法的缺陷。解决这些问题的方法就是我们下面将要讨 论的联合多用户检测。 1 4 联合多用户检测及文献综述 由式1 4 可以看出，在传统的单用户匹配滤波器检测器中，来自系统中 其它用户的信号被当作噪声处理，此类检测器对于扰的抑制能力主要取决于系统 的处理增益。受系统可用带宽以及数据传输速率等因素的限制，系统的处理增益 又不能无限增加，这就是限制采用传统的单用户匹配滤波器检测器的系统容量的 主要因素。 另一方面，如果来自其它用户信号的负面影响( 1 4 式中的第二项) 可以消 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 除的话，在理论上，系统的容量可以显著的提高，同时远近效应也可得到有效的 抑制。多用户检测的基本思想就是将来自各个用户的信号看作是相互有用的信 息，而不认为是相互干扰的。通过对所有用户信号的联合检测，获得最佳的系统 性能。 在c d m a 蜂窝移动电话系统中，一般是一定数量的移动台与一个基站进行 通信，移动台只关心它自己的信号。而基站必须检测所有用户的信号。因此，移 动台只知道它自己的扩频波形而基站知道所有用户的扩频波形。再加上基站列体 积和重量的要求不如移动台那么苛刻( 也就是能容纳更复杂的电路) ，所以多用 户检测的研究主要集中在上行链路，即移动台到基站。 多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 的想法最早在1 9 7 9 年由 k s s c h n e i d e r 提出。1 9 8 3 年r k o h n o 发表了对多用户干扰消除器( i c ) 的研 究“1 ，利用其他用户的已知信号消除多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ， m a i ) 实现无m a i 的多用户检测，并指出了一些研究方向，这是多用户检测的最 早文献。1 9 8 6 年s v e r d u 将多用户检测的理论向前推进了一大步0 1 ，认为多址干 扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然序列检测( m l s d ) 可以 逼近单用户接收性能，并有效的克服了“远一近效应”，大大提高了系统容量， 从而开始了对多用户检测的广泛研究。 但是m l s d 结构是匹配滤波器组加上v i t e r b i 译码，其复杂程度为o ( 2 ) ， 为用户数，这在工程上基本无法实现，因此人们开始研究各种次最优多用户检测 器，要求在保证一定性能的条件下能够将复杂度降低到工程上可以接受的程度。 主要的次最优检测有：线性检测、最小均方误差检测( m m s e ) 、多级检测、判决 反馈检测、干扰抵消检测等。 1 5 主要的多用户检测技术 为了抑制多址干扰，在多用户检测中，任何一种接收机都应该知道下面的一 个或几个参数： ( 1 ) 期望用户的特征波形； ( 2 ) 干扰用户的特征波形； 天津大学倾j 学位论文笫一章绪论 ( 3 ) 期望用户的定时信息； ( 4 ) 干扰用户的定时信息； ( 5 ) 干扰用户相对于期望用户信号幅值的接收信号幅值。 传统的相关接收机只利用上述信息的( 1 ) 和( 3 ) ，未考虑其它用户的干扰， 因而遭受多址干扰和远近效应的困扰。多用户检测则充分有效地利用以上各条信 息构成更好的检测器。 多用户检测技术可分为线性检测和干扰消除两个大类。线性多用户检测技术 主要有四种：去相关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展 检测。去相关检测器( d e c o r r e l a t i n gd e t e c t o r ) 最早由k s s c h n e i d e r “3 和 r k o h n o 。1 等人提出，r l u p a s 和s v e r d u 给出了具体的实现方法，并从数学上 进行了分析”。“。它的基本思想是首先计算各个用户信号( 一般取单个字符或部 分字符) 之间基于扩展码的互相关矩阵并求取其逆，然后对接收信号进行去相关 计算，最后再对去相关信号进行判决。该方法不用估计接收信号的幅度，比m l s d 计算量小，但是去相关操作将加强加性高斯白噪声( a w g n ) ，互相关矩阵求逆的计 算量仍然很大；z x i e 等人提出了最小均方误差检测器( m i n i m u mm e a n s q u a r e d e r r o rd e t e c t o r ，m m s e ) “”，其基本思想是计算经三线性变换的接收数据和传统 检测器的软判决输出之问的均方差，使之最小的三矩阵即为所求线性变换。m m s e 检测器考虑了背景噪声的存在并利用接收信号的功率值进行相关计算，在消除 m a i 干扰和不增强背景噪声之间取得了一个平衡点，但是它需要对信号的幅度进 行估计，性能依赖于干扰用户的功率，因此在抗远近效应方面的表现不如去相关 检测器：s m o s h a v i 等提出了多项式扩展检测器( p o l y n o m i a le x p a n s i o n d e t e c t i o n ，p e ) 0 1 ，其基本思想是利用相关矩阵的多项式扩展对匹配滤波器 ( m a t c h e df i l t e r ，m f ) 的输出进行运算，然后再进行判决。p e 检测器通过选择 合适的多项式系数来优化其性能，可近似去相关检测器和最小均方误差检测器， 计算复杂度较低，无需进行信号幅度估计，具有较简单的结构。 干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除多用户检测、并行干扰消除多用 户检测和判决反馈多用户检测。最早研究串行干扰消除多用户检测器 ( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，si c ) 的有k o h n o ”p p a t e la n d j h o l t z m a n “”3 ，其基本思想是在接收信号中列多个用户逐个进行数据判决，判 天津大学硕士学位论文第一章绪论 出一个就重构并在后面用户解调前减去该用户信号造成的m a i 干扰，操作顺序是 根据信号功率的大小来定的，功率较大的信号先进行操作，因此，功率最弱的信 号受益最大。s i c 在性能上比传统检测器有较大提高，而且在硬件上改动不大， 易于实现，但是s i c 每一级都需要有一个字符的延时，另外当信号功率强度顺序 发生变化时需要重新排序，最不利的一点是如果初始数据判决不可靠的话将对下 级产生较大的干扰。 多级并行干扰消除多用户检测器( p 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 ， p i c ) 是由m v a r a n a s ia n db a a z h a n g 等人最先提出的1 2 ，1 3 ，1 4 , 15 , 1 6 1 ，一般具有多 级结构，其每一级并行估计和去除各个用户造成的m a i 干扰，然后进行数据判决。 p i c 的设计思想和s i c 基本相同，但由于p i c 是并行处理，克服了s i c 延时大的 缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序，在各种m u d 中具有较高的实用 价值。 判决反馈检测器( d e c i s i o n - f e e d b a c kd e t e c t o r ，d f ) 首先对接收信号进行线 性处理，然后进行s i c 检测。线性处理进行部分去相关，避免了对噪声的加强， s i c 再根据信号强度递减顺序进行串行干扰消除。d f 检测器的难点在于要计算 c h o l e s k y 分解和白化f e t e 求逆，而且需要估计接收信号的幅度。 此外，d a r i u s hd i v s a a r 和m a r v ins i m o n 等人提出了部分干扰对消检测 器“，并指出其在低信噪比区优越的性能。 针对以上多用户检测技术的局限性人们提出了半盲和盲检测技术。所谓半 盲检测就是干扰用户特征序列部分己知，部分米知条件下的检测，适用于小区基 站；所谓盲检测就是不知道所有干扰用户特征序列条件下的检测，适用于移动台。 两者的主要思想都是通过子空间跟踪技术获得信号子空间并利用它来消除未知 用户造成的干扰。半盲检测器的代表有混合型半盲检测器，它采用了去相关和最 小均方误差相结合的方法。盲检测器有基于信号子空间的m m s e 盲检测器和基于 正交投影的盲检测器。信号子空间跟踪结果的准确性直接影响了盲和半盲检测器 的性能。 空时联合m u d 是当前m u d 理论的研究热点。传统的移动通信信号处理仅仅考 虑时间信号处理，这样处理的结果是对同信道干扰( c c i ) 的抑制不足。而大量的 c c i 与所需信号在空间特征上保持了显著的差异，使人们进一步利用信号的空间 天津大学颂j 二学位论文第一章绪论 特征对信号进行空间滤波，以期更大程度的抑制c c i 。空时联合m u d 相对于单纯 时域m u d 有明显的优势：尽管在c d m a 系统中可以采用r a k e 接收机利用多径分量 来增强信号，但仍存在大量不可被识别的多径分量，这些多径分量增强了干扰背 景，如果m u d 的前端( 空间) 将这些多径分量进行合并，可以增强信号、削弱干扰 背景、提高信噪比。相邻小区的m a i 由于其特征难以被本地基站掌握，所以只能 忽略或采用m m s e 检测自适应的抑制。如果我们能使移动台的发射信号指向对应 的基站，则它对相邻小区的干扰将比全向发射时大大削弱，发射端的空间信号处 理技术减小了相邻小区m a i 。可见，在时域m u d 的前端，进行一些信号处理，预 先抑制部分干扰，可以增强后端算法的有效性。目前主要的时空多用户检测算法 有：基于最大似然序列的s t 的m u d ，基于最小均方误差的s t 的m u d ，最大 信噪比准则结合( 串，并) 干扰对消算法，空时去相关m u d 以及盲s tm u d 。 虽然多用户检测技术有它的局限性，但是瑕不掩瑜，其抗干扰的优越性是大家公 认的，迄今为止多用户检测技术已经获得了长足的进步，成为c d m a 移动通信系 统中抗干扰的关键技术。 l 。6 多用户检测的局限性 基站接收机输入端的干扰可分小区内干扰和小区间干扰两部分。用公式表示 为= ，+ 。，其中第项是本小区内的m a i ，第二项是小区间m a i ，f 是小 区间干扰与本小区内干扰的比值，称为溢出比。因为不知道相邻小区干扰用户的 特征序列，所以多用户检测不能清除这一部分干扰。所以最后还有干扰，= 见。，。 因为用户数与干扰近似成正比，因此最大容量增益因子是( 1 + f ) f 。在蜂窝系统 中f 的典型值为0 5 5 ，容量增益因子为2 8 1 7 本文研究重点 论文的主要内容如下： 第一章绪论，通过剥传统的c d m a 系统的容量分析，引出多用户检测的必 要性和可行性，并对多用户检测技术的分类和发展过程作了简单的介绍和回顾。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章着重介绍了基本的多用户检测算法。 第三章对多用户检测系统中所涉及的性能指标作了介绍和必要的数学分 析。 第四章主要讨论了高数据传输速率，低扩频增益的宽带c d m a 系统，在满 足给定误码率要求的情况下，采用多级并行干扰对消多用户检测技术后的容量增 益，详细分析了限制系统容量提高和检测器收敛的主要因素，并提出了相应的解 决措施。 第五章结论和对下一步工作的建议。 本文的主要贡献有如下两点： 1 发现在了在强干扰、低噪声情况下，由突发错误和高互相关系数造成的 并行干扰对消器不收敛现象，并提出了钊列互相关系数值加权的部分干扰对消解 决方案。 2 第一次提出v i t e r b i 解码器的纠错门限的概念，指出它是限制多级并行干 扰对消器收敛及系统容量提高的主要因素。并提出了克服此门限的解码前预对消 方案。 墨堡奎兰堡主堂垡堡苎 塑三兰童旦芝丝型竺堕塑垄 第二章多用户检测算法概述 2 1c d m a 信号和信道的多用户模型 考虑一个有k 个用户的c d m a 信道，每个用户分配有唯一的扩频波形甑 其持续时间，即符号持续时间为t 。毋倒可表示为： g 一) ：曼以。( m ) p ( f 一丁。) o f 丁( 2 - 1 ) 式中 日。o 竹) ，1 m 是长度为m 的伪随机序列，取值 1 。p 例是持续 时间为疋的脉冲，疋为码片间隔。因此每个符号含有m 个码片，t = m t c 。不失 一般性，假设所有m 个扩频波形都具有单位能量，即： j j gt ( f ) d t = 1 扩频波形之间的互相关函数，对信号检测器的性能有很重要的影响 我们定义下面两个互相关函数： p v ( r ) = rg ，( f ) g 一rj ) 斫 ( 2 _ 2 ) p ，( r ) = 【rg ( f ) g + 丁一f ，) 出( 2 - 3 ) 式中0 f t ，i 勺。 方程2 - 2 、2 - 3 应用于异步信道，对于同步信道，只需要用到p f ( 0 ) 。 设第k 个用户的信息序列用 b k ( n ) ) 表示，b k ( n ) 取值 1 ) 。 考虑用户k 的一个长度为n 的数据块：b k _ 【b k ( 1 ) ，b k ( 2 ) ，b k ( n ) 】，其等 效低通传输模型为：坼( f ) = i 巩( f ) g 。( f i t ) ( 2 - 4 ) 式中以为每比特信号所具有的能量。则k 个用户的复合信号传输模型可表示为： 呻) ：艺。o 一。) ：囊i 羔钆( 弛( r f r r 。) ( 2 5 ) 式中r 。为传输时延，且对于l k k 有0 q r 。不失一般性，我们假设 天津大学坝一l 学位论文第二章多用户检测算法概述 r 。r 2 o 。式2 - 5 为多用户异步传输模型。当r 。= 0 时，它就是一个同步 传输模型。假设信号在传输过程中受到加性白噪声的干扰，此时接收信号的数学 表示式为： r ( o = s i ) + n (