（通信与信息系统专业论文）dscdma系统中盲多用户检测算法研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 多用户检测能有效的抑制多址干扰，提高系统的容量，是c d m a 系统的关键技术之一。 盲多用户检测由于需要的先验知识非常的少，使其成为人们研究的热点。 首先，重点分析了通信系统里的几个关键技术，然后给出了d s c d m a 信号模型。介绍 了多用户检测的基本原理，分别讨论了多用户检测几个重要的性能指标，为以后的理论提供 了重要评估标准。 其次，对多用户检测几种经典算法做了理论分析，如最佳多用户检测、解相关多用户检 测、m m s e 多用户检测等，然后对各方法进行了性能仿真。根据仿真结果分析各种方法的优 点与其存在的缺陷，为以后的研究提供了一个方向。 再次，对恒模多用户检测算法做了深入的研究，对基本恒模算法、最小二乘恒模算法、 线性约束最小二乘恒模算法的基本原理做了介绍，在此基础上，本文提出了次分量分析恒模 ( m c a c m a ) 盲多用户检测算法，该算法利用r a y l e i g h 熵的性质，推导出最优权矢量对应 于r a y l e i g h 熵的极小值点。然后对各方法进行了性能仿真，仿真结果表明，本文建议的 m c a c m a 算法在输出信干噪比和误码率性能上比传统的最小二乘恒模算法( l s c m a ) 、线 性约束最小二乘恒模算法( l c l s c m a ) 都有很大的改善。而且由于避免了矩阵求逆的运算， 大大减小了算法的复杂度，更具有实用价值。 最后，研究了几种子空间盲多用户检测方法，首先给出了子空间方法的原理以及子空间 盲多用户检测信号模型，对几种子空间的跟踪方法的原理做了深入的分析。在此基础上，本 文将次分量分析恒模算法与子空间方法相结合，提出了基于子空间的次分量分析恒模 ( s u b m c a c m a ) 盲多用户检测算法。最后对几种基于子空间的多用户检测算法进行了仿 真，仿真结果表明，在相同的多址干扰情况下，本文提出的s u b m c a c m a 方法在输出信干 比和误码率等性能上比线性约束最小二乘恒模算法以及次分量分析恒模算法都有显著的提 高，且有更强的抗多址干扰能力，检测性能更好。 关键词：c d m a ，多用户检测，恒模算法，子空间方法，次分量分析 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i u s e rd e t e c t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fc d m a ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y s u p r e s sm u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a n di m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n h a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sf o ri t sl e s sn e e d o f p r i o rk n o w l e d g e f i r s t l y , t h i sp a p e rf o u c so ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si nc o m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e n ，s y s t e m m o d e lo fd s c d m aa n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm u l t i u s e rd e t e c t i o nw a si n t r o d u c e d s e v e r a l i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d e xo fm u l t u s e rd e t e c t i o ni sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , w h i c hp r o v i d et h e i m p o r t a n te v a l u a t i o ns t a n d a r df o rt h e o r e t i c a ls t u d yl a t e r s e c o n d l y , s e v e r a lc l a s s i c a la l g o r i t h m si nm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，s u c ha so p t i m u mm u l t i u s e r d e t e c t i o n ，d e c o r r e l a t i n gm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m m s em u l t i u s e rd e t e c t i o ne t c ，a r et h e o r e t i c a l l y a n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ea l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v ew e r e a n a l y z e da c c o r d i n g t ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hp r o v i d ear e s e a r c hd i r e c t i o n t h i r d l y , w es t u d ya n ds i m u l a t es e v e r a lc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h ms u c ha sb a s i cc o n s t a n t m o d u l u sa l g o r i t h m ( c m a ) ，l e a s ts q u a r ec o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ( l s c m a ) ，l i n e a r l yc o n s t r a i n e d l e a s ts q u a r ec o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ( l c l s c m a ) t h e n ，m i n o rc o m p o n e n ta n a l y s i sc o n s t a n t m o d u l u sa l g o r i t h m ( m c a c m a ) i sp r o p o s e d ，a n do p t i m i z e dw e i g h tv e c t o rc o r r e s p o n d i n gt ot h e m i n i m u mo fr a y l e i g he n t r o p yi sd e r i v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm c a c m a a l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei ns i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ( s i n r ) a n db i te r r o r r a t e ( b e r ) t h a nl s c m aa n dl c l s c m a f u r t h e r m o r e ，t h i sp r o p o s e da l g o r i t h mh a sm o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o np r o s p e c tb e c a u s ei te f f e c t i v e l yr e d u c e st h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yb ya v o i d i n gt h e m a t r i xi n v e r s i o nc a l c u l a t i o n f i n a l l y , s e v e r a ls u b s p a c eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m sw e r ed i s c u s s e d ，p e r f o r m a n c eo f t h o s ea l g o r i t h m so nm u l f i u s e rd e t e c t i o nw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，w ep r e s e n ta b l i n dm u l f i u s e rd e t e c t i o na p p r o a c hb a s e do ns u b s p a c em i n o rc o m p o n e n ta n a l y s i sc o n s t a n tm o d u l u s b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m ( s u b - m c a c m a ) ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee f f e c to f n o i s es u b s p a c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t hl c l s c m aa n dm c a c m a ，t h e p r o p o s e ds u b - m c a c m aa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ns i n ra n db e rd r a m a t i c a l l y ， i sr o b u s tt om a ia n dh a sg o o dd e t e c t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c d m a ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ，s u b s p a c ea p p r o a c h ，m i n o r c o m p o n e n ta n a l y s i s 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 在2 0 世纪8 0 年代移动电话开始投入使用之后，移动通信便开始进入了飞速的发展阶段。 至目前为止，已经历经了三代。第一代称之为模拟移动通信，这种通信方式使用的是模拟调 制和频分多址( f d m a ) 的技术，采用模拟信令，可以提供区域性的话音业务，但是其业务 种类过于单一、频谱利用率低、用户移动范围很窄。1 9 8 7 年，我国开始引入这种模拟移动通 信，到2 1 世纪的今天我国已基本转变成了数字移动通信；第二代就是我们现在正在使用的数 字移动通信，它使用数字调制，采用时分多址( t d m a ) 、频分多址以及码分多址( c d m a ) 技术，采用数字信令方式，相对于模拟移动通信，它可提供广域性的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 通信在全世界范围存在着三种标准，其中的一种标准是西欧的1 6 个国家共同制定的g s m ， 第二种标准是北美采用的标准的d a m p s ，第三张标准是日本采用的标准p d c 。我国采用的 是g s m 标准，这种标准也是采用最为广泛的一种标准。因为这三个标准之间不能互相兼容， 这就要求一种新的标准来解决由于全球移动电话用户数的增加及对高速数据业务的需求而产 生的大量的问题，此时第三代移动通信应运而生。虽然世界各大电信公司联盟都已经提出了 自己的标准，比如欧洲和日本提出的w c d m a ，美国l u c e n t 和m o t o r o 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，但是采用的都是码分多址 ( c d m a ) 这一核心技术。采用c d m a 核心技术能实现全世界范围的覆盖和各个不同标准之 间的无缝漫游。2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部已经向我国三大运营商：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i l 圳。 通信技术的进步推动着社会向前发展，在现今高速发展的大背景下，人们对通信质量的 要求也是与日俱增，个人通信也成为人们最为关注的焦点之一。随着个人通信的蓬勃发展， 所要求的技术也越来越高，尤其是其中的一些关键技术。到今天，多址技术已经成为无线个 人通信的核心技术。许多的用户可以在同一时间使用同一频谱，然后用不同的滤波器和处理 技术，使各用户信号能互不干扰的被接收和解调。目前流行的多址方式主要有t d m a ( 时分 多址) 、f d m a ( 频分多址) 和c d m a ( 码分多址) 三种。而c d m a 由于本身固有的优点而 成为了第三代数字蜂窝移动通信系统的主流技术。 在码分多址通信中，干扰通常有以下三种类型：多径干扰、加性噪声干扰和多用户问的 多址干扰。在d s c d m a 系统中，扩频码集并不是严格正交的，其非零互相关系数会使各用 户间产生相互干扰，即多址干扰【3 】( 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 ) 。由于多址干扰的存 杭州电子科技大学硕士学位论文 在而引发了两个必须要解决的问题： ( 1 ) 限制了系统的容量 虽然c d m a 系统容量比起t d m a 和f d m a 要大，但是m a i 的功率会随着用户数的增多 而增加，这就会导致误码率的上升。因此c d m a 系统容量在很大程度上仍然受限于m a i ， 如果要增加系统的容量，就必须克服多址干扰。尤其是通信用户数较多的时候，这时多址干 扰是其最主要的干扰。 ( 2 ) 远近效应严重影响系统的性能 在现实的移动通信中，由于移动用户的位置的不断变化的，用户到达基站距离的不相等 使得到达基站的功率也不尽相同，即使距离是相等的，也会由于深衰落致使信号功率有很大 的差异。弱一点的信号在强信号的干扰下，性能会变得特别差，在移动通信中人们把这种现 象称为“远近效应”。 如今，c d m a 已经商用化，并且进程是越来越快，降低m a i 的影响，克服远近效应就成 为了人们研究的一个热点。通常克服多址干扰有以下的三种措施： ( 1 ) 功率控制技术 由于存在远近效应，它使多址干扰带来的影响更加的严重。为了解决这一困难，在工程 上应用了一种叫做功率控制技术的方法，它主要是控制那些不管距离是远的还是近的用户在 到达基站时的功率或者信噪比保持平衡，但是经过实践的证明，这并不能完全消除多址干扰 带来的影响。 ( 2 ) 空间滤波技术 它的原理是将多用户干扰小区划分为多个子小区，再将每个子小区又划分为许多更小的 小区，每个小区内实现减少多用户干扰的影响。 ( 3 ) 多用户检测技术 多用户检测技术是利用c d m a 用户特征码的内部信息来提高接收系统的性能。它对提高 系统容量和克服远近效应的影响都有很好的效果，已经成为了第三代移动通信系统的关键技 术之一。 1 2 国内外的研究现状 1 9 7 9 年，学者k s s c h n e i d e r 提出了最早的多用户检测思想 4 】，他将多个用户的码元和定 时信息联合用来检测每个用户数据，而且研究了迫零算法。随后，r k o h n o 提出了多址干扰 消除接收机。 1 9 8 6 年s v e r d u 提出了最优多用户检测【5 1 。该方法利用已知扩频码的信息来克服多个用 户问的干扰。最优多用户检测器的抗远近能力是最优的，但是其复杂度太高，并不适合实际 应用。但是它在理论上证明了最优检测可以逼近单用户检测，非常有效的克服了远近效应。 自此国内外开始了多用户检测的研究热潮。 由于最优多用户检测的一些缺点，它并不能在实际中应用。所以出现了很多次最优多用 杭州电子科技大学硕士学位论文 户检测方法。目前，多用户检测方法非常多。一般按处理方法分，可以分为线性和非线性两 大类。 ( 1 ) 线性多用户检测 线性多用户检测能降低复杂度，研究较为广泛。它用一个线性变换矩阵加在匹配滤波器 的后面，能够很好的克服误差扩散问题。但是加了一个线性变换矩阵之后就需要对矩阵求逆， 扩频码要是短码，否则运算量太大。线性多用户检测器包括解相关检测、最优线性检测和最 小均方误差检测等等。 ( 2 ) 非线性多用户检测 非线性多用户检测又可以分为干扰抵消多用户检测以及非线性概率类多用户检测。干扰 抵消多用户检测又有串行抵消【6 1 、并行抵消【7 】【8 1 以及混合抵消 8 】之分。 串行干扰抵消多用户检测是在对数据判决的同时减去多址干扰，这样逐级判决的时候干 扰就会越来越弱，判决的顺序是依据功率而定。不过该方法的准确性依赖于数据的准确度， 而且串行结构导致算法的延时比较高。 并行干扰抵消多用户检测与串行干扰抵消方法不同，此方法是在逐级对数据判决的时候 减去所有的多址干扰。由于并行干扰抵消采用并行结构，可以克服串行延时高的缺点。但是 误差扩散会导致性能下降。 混合抵消多用户检测则是综合了串行与并行的优点，可以有效的消除多址干扰，但是它 会导致大功率用户性能的下降。 按检测器处理信息时需要知道期望用户信息量的多少，多用户检测又可以分为盲多用户 检测器与非盲多用户检测器。 因为很多的算法必须知道各用户的扩频码、用户功率、信道参数和时延等信息，但是在 实际情况中由于异步、多径衰落等因素的影响，很难得到这些信息。所以人们开始研究不知 道这些信息或者只知道一部分的信息的前提下是否也能进行多用户检测。终于，在1 9 9 5 年 m h o n i g 等人首次提出了盲多用户检测技术【9 1 ，它是以检测器的输出能量作为目标函数，在 仅仅知道期望用户的扩频序列的前提下进行多用户检测，这种方法被称为基于最小输出能量 ( m o e ) 准则的盲多用户检测算法。 盲多用户检测的这些优点，使得它成为了目前多用户检测的主要发展方向。而经过多年 的研究，在这方面出现了许多骄人的成果。如线性盲多用户检测、群盲多用户检测、空时盲 多用户检测和非高斯信道中的稳健盲多用户检测等等。而线性盲自适应多用户检测方法是基 本内容，它主要有以下几种主要的检测方法： ( 1 ) 解相关多用户检测【1 0 - 1 4 解相关多用户检测可以使每个用户的信号分量不受其他用户的干扰影响，从而达到完全 消除多址干扰的目的，这种方法的干扰源仅仅来自于背景噪声。而且它需要的先验知识较少。 但是它的计算复杂度虽然比最优检测要低，但是由于其存在矩阵求逆的运算，复杂度依然让 人难以接受，不利于工程实现。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 最小输出能量( m o e ) 盲多用户检测p j 这种方法只需要知道期望用户的扩频序列，是许多种盲检测方法中运用先验知识较少的 一种，它的代价函数为检测器的输出能量，它包括期望信号的能量和干扰用户的能量，它的 目的是使干扰部分的能量最小化，从而达到消除干扰的目的。这种算法具有全局收敛的优点， 但是它的稳定性比较差，其代价函数相比于m m s e 算法的代价函数只有一个常数的差别，二 者的实质其实差不多，因为从代价函数上看平均输出能量最小等效于均方误差最小，可以找 到全局最优值点。 ( 3 ) 线性m m s e 多用户检测【1 5 - 1 9 1 解相关检测在消除多址干扰的同时会引起噪声的增强，线性m m s e 多用户检测的目的就 是在二者问找到一个平衡，它以最小均方误差为准则。虽然它能在二者之问得出平衡解，但 是它依然存在着矩阵求逆的计算，复杂度高。它最显著的优点是稳态输出信号干扰噪声比较 高，缺点是需要发送训练序列。 ( 4 ) 卡尔曼滤波器盲多用户检测2 0 - 2 3 k a l m a n 滤波方法最早是用于处理随机过程的参数估计，近些年来才应用于多用户检测 中。它用状态空间的形式来表示数学公式，采用递推计算，是一种自适应方法。它的显著特 点是它的解可以不需要修改就能应用于平稳或者非平稳的环境之中，每一次的状态估计都由 上一次的估计结合输入数据而得到，所以不需要存储大量的估计数据，只需要知道上一次的 估计数据。缺点是算法的复杂度较高，对硬件设施要求较高。 ( 5 ) 子空间盲多用户检钡l j t 2 4 - 3 2 j 该方法是利用矩阵的特征值分解方法，把数据矩阵分解为两个子矩阵，分别称为信号子 空间以及噪声子空间。在做检测时只要把接收到的信号投影到信号子空间上，就能大大的减 少噪声分量所带来的影响，从而达到理想的消除干扰的目的。子空间盲多用户检测算法不需 要用户的扩频码序列，而是直接跟踪和估计接收到的信号，是一种使用非常广泛的盲多用户 检测算法。 ( 6 ) 恒模算法( c m a ) 盲多用户检测【3 3 - 4 1 该方法利用信号的恒模特性，构造出期望信号，它不需要发送训练序列就能检测发送信 号，大大的节省了信道带宽。基本恒模盲多用户检测算法收敛很慢，最小二乘恒模盲多用户 检测算法相对于基本恒模盲多用户检测算法来说，在收敛性能上有了很大的提高，但是性能 依然不太理想且收敛性能受步长因子的影响很大。 以目前的技术而言，多用户检测在硬件上付出的代价是非常巨大的，有时甚至大于多用 户检测所得到的收益，这就使得多用户检测商用受到了限制，但是随着器件的发展，也加速 了多用户检测商用的进程。多用户检测技术也越来越被人们所关注。 1 3 本文的内容安排 在前面的小节中已经介绍了研究多用户检测技术的意义及发展趋势。作者在两年的科研 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 工作中，研究了很多前人的经典算法，对比各种方法的优缺点。在前人的基础上作者提出了 次分量分析恒模算法及基于子空间的次分量分析算法，并且进行了仿真实验。 第二章，介绍了d s c d m a 的系统模型、多用户检测的基本原理、多用户检测的优缺点 以及多用户检测的性能测度，为后面新方法提供了可靠的理论依据。 第三章，介绍了经典的多用户检测算法，分析各种算法的优缺点。了解到最佳多用户检 测器能达到最强的抗远近效应能力，但是其复杂度等关系制约了其在实际中的应用。本章还 对最小输出能量多用户检测算法以及卡尔曼滤波多用户检测算法做了仿真分析。 第四章，本章对恒模算法进行了深度的讨论和研究，对基本恒模，线性约束最小二乘恒 模算法给出了理论依据并进行了仿真分析。提出了次分量分析恒模算法，并与最小二乘算法 和线性约束最小二乘算法进行了性能比较。仿真结采表明，该算法在输出信干比和误码率等 性能上都有显著的提高。 第五章，讨论了基于子空间的多用户检测算法，并对几种子空间跟踪方法做了分析。在 此基础上，本文将次分量分析恒模算法与子空间方法相结合，提出了基于子空问的次分量分 析恒模( s u b m c a c m a ) 盲多用户检测算法。仿真结果表明在相同的多址干扰情况下，本 文提出的s u b m c a c m a 方法在输出信干比和误码率等性能上比线性约束最小二乘恒模算法 以及次分量分析恒模算法都有显著的提高，且有更强的抗多址干扰能力，检测性能更好。 第六章，总结了本文所做的工作，分析了将来可能的研究方向。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章多用户检测 2 1d s - c d m a 的系统模型 2 1 1 多址技术 在移动通信中，会有许多的用户同时通话，为了解决用户之间不相互干扰的问题，就将 他们以不同的信道分离开来，这种技术就被称为多址技术。通常的多址技术【2 】主要有以下三 种： ( 1 ) 频分多址( f d m a ) 频分多址主要是把整个的频谱分成很多个单独的无线电信道，每一个用户都可以选择其 中的任意一个，每一个信道都有传输语音或者控制信息的功能。它是如今最成熟的多址方式 之一，不过现在很少有单独采用f d m a 技术的，一般会采用与时分多址相结合的方式。它的 优点是简单，信号能够连续的传输，能够满足模拟语音的通信，技术己经相当的成熟。缺点 是频谱利用率较低，容量很小，而且信号相互之间的干扰非常的严重。 ( 2 ) 时分多址( t d m a ) 时分多址是用来传输数字信息的，在实际通信中一般会采用f d m a 与t d m a 复用的技 术，它是按时间来划分成若干个信道，每一个用户在一个规定的时隙内接收或者发送信号， 每一个用户只占用一个时隙。它的优点成本较低，因为它不需要两个载频( 上行和下行) 来 实现信号的发射和接收，不用切换频率。但是它难以满足大规模通信系统的容量要求。 ( 3 ) c d m a 采用的是扩频技术，利用码序列之间的正交性来实现信道分离。与f d m a 、 t d m a 完全不同的是，它不需要把信道分离开来，它可以在一个信道上实现传输多个用户信 息的功能。它的优点是系统容量非常的大，克服了频分多址与码分多址不能满足大规模通信 系统的容量要求的缺点，而且它的抗干扰以及抗多径能力都比较高。 2 1 2 扩频技术 由香农公式可以知道，在白噪声环境下，通信系统的信道容量可用以下公式来描述： c = b l 0 9 2 ( 1 + s ) ( b i t s ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，s 是信号的平均功率，b 表示信道带宽，n 为噪声的平均功率。如果白噪声的 功率谱密度为l ，那么信道容量可以表达为 c = b l 0 9 2 ( 1 + s b n l ) ( b i t s ) ( 2 2 ) 上面这个著名的公式说明，可以利用增加信道带宽和增加信噪比的方法来增大信道容量。 但是在实际的通信系统中，环境噪声是会持续增大的，扩频技术能够解决移动设备的电池容 量有限从而无法满足持续提高发射机功率的要求的问题。下面来介绍扩频通信系统的几个基 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 本的类型。 ( 1 ) 直接序列扩频系统( d s ) ，它又可以称为直接序列调制系统，简称直扩系统。如今该 系统应用非常的广泛。它的工作原理是将信息用一种p n 序列扩展到一个很宽的频带上，然 后再用与发送端相同的p n 序列对扩频信号进行处理，目的是能完全恢复原来的信号。干扰 用户的信号与p n 序列是不相关的，这使得干扰信号在信号频带内的功率减少，这样就增加 了信噪比。 ( 2 ) 跳频系统。和直接序列扩频系统相比较，它并不直接的传送伪随机序列，而是用它 来选择信道。伪随机码控制跳频系统的载频，使其不断的跳变。它的解调一般采用非相干解 调方式。它具有比较强的抗干扰能力，跳频的频率越大抗干扰能力就越强，这种不断变化频 率的方式是非常有用的，因为在这个系统中，只有跳频信号的功率等于干扰信号的功率时， 才会产生干扰，间接的说，这是在躲避干扰以期达到抗干扰的目的。它的频谱利用率比直接 序列扩频系统要高，容易实现码分多址。但是直接序列扩频有一个很大的缺点，那就是远近 的问题，而跳频对此就十分的不敏感，甚至能够完全克服这种困难。跳频系统一般用于军事 领域，但是现在越来越多的用于民用通信，发展前景比较好。 ( 3 ) 跳时系统，它是用伪随机码来控制射频信号的发送和持续时间进而实现扩频。这种 技术应用的相对较少，它主要是压缩传送时间，那么在频域中就扩展频率宽度。 ( 4 ) 线性调频，线性调频的原理是发射出来的射频脉冲信号载频的频率在一个周期内作 线性变换。其信号的频带随着频率在频带内变化而越来越宽。 扩频技术是以香农公式为理论依据的，它有六大主要的特点。 ( 1 ) 抗干扰能力很强，它具有极强的抗干扰能力，比如人为宽带干扰、中继转发式干扰 等，在电子对抗领域中得到了广泛的应用。如果采用多用户检测、自适应滤波等方式来消除 多径干扰的话，它将会在军事和民用通信领域发挥更重要的作用。 ( 2 ) 安全保密，由于单位带宽上的功率非常的小，也就是说信号功率谱密度非常的低。 信号隐藏在白噪声中，要想发现信号的存在是非常难的一件事，而且外人并不知道扩频编码， 那就更难获取到有用信号了。由于信号功率谱密度非常的低，它对其他的电讯设备的干扰将 是微乎其微的。 ( 3 ) 容易实现码分多址，表面上扩频通信是利用占用宽带频谱资源来进行通信的，这好 像将会浪费掉大量的频谱资源，其实不然，它是提高了频带的利用率。由于扩频技术是用扩 频编码的方式进行扩频调制发送的，在信号的接收端必须要用相同的扩频编码进行相关的解 扩，才能够恢复原来的信号，频率复用的原理正在于此。 f 4 ) 抗衰落，一般来说扩频系统的频带较宽，当遇到诸如频率选择性衰落等情况时，衰 落不会对整个扩频信号产生很大影响，只会对扩频信号的- d , 部分产生影响。 ( 5 ) 抗多径，移动通信发展到今天多径问题已经成为阻碍其发展的一个重大问题，而采 用扩频技术能在满足一定的条件下，达到很好的抗干扰目的，甚至于它可以利用多径产生的 能量来提高系统的性能，具备非常强的抗多径的能力。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 数模兼容，扩频通信系统可以传送数字和模拟两种信号。 扩频通信也存在其缺点，主要表现为 ( 1 ) 系统占用频带宽。 ( 2 ) 干扰容限决定了系统能否正常工作，这是处理增益所不能描述出来的。 2 1 3d s c d m a 系统的信号模型 码分多址利用扩频码通信技术来解决选址的问题，它的理论依据是正交编码和相关接收。 码分多址技术是依据不同的扩频码序列来区分不同的用户传输信息，它并不依据时隙不同或 者频率不同来加以区分。c d m a 信号从时域或者频域来看是互相重叠的。图2 1 为d s c d m a 通信系统的原理框图【2 2 1 。 图2 1d s c d m a 通信系统原理图 考虑一个用户数为k 的二进制d s c d m a 基带时不变通信系统，假设噪声为加性高斯白 噪声( a w g n ) ，采用短周期扩频序列，则接收的信号为 km 一、 厂卜后三1 f 三o ( 丁) + 胛2 ) 2 3 式( 2 3 ) 中，t 为用户的码元周期；4 为第k 个用户信号到达基站时的幅度；坟为第七个用 户传输的信息序列，b k ( i ) 一l ，+ 1 ；& ( f ) 为第k 个用户的归一化传输信号波形( 特征波形) ； 胛( f ) 为实部和虚部统计独立的基带高斯噪声，功率谱密度为仃2 。 如果吃( f ) 等概率的取 + 1 - 1 ，且是相互独立的，那么对于直接扩频序列，用户的信号 波形为 啾。2 专丢烈t - 删 ( 2 4 ) 其中，n 为扩频增益； c 肼) n ，= 0 - i 是分配给第j i 个用户的特征序列( 扩频码) ，其f f t 为+ l ；够是 周期为贮= 丁n 的归一化码片波形。 当系统同步时，只需要考虑一个比特周期内的信号检测，因此不妨省略i 得到简化模型 量 r ( t ) = 4 反( r ) + ，z ( f ) ( 2 5 ) 杭州电子科技大学硕士学位论文 接收信号，( f ) 在接收机中是先经过一个码片匹配滤波器的，然后利用码片的数率采样。 那么第i 个符号的第歹个采样值就为 。( i ) = 麟。m ) 一i t 啊) 班 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中：j = 0 ，n 一1 ；i = o ，m l 。 第i 个符号期间的离散时间信号表示形式：则其对应的离散时间信号为 r ( d = d k b k ( i ) s t + n ( f ) = s a b ( i ) + n g ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中：r ( f ) = 【r o ( f ) ，一。( 训r ；s 。= 1 丙 c o ，c _ j ，。 r ；n ( i ) = 【n 。( f ) ，( i ) 】r 。n ( f ) 是服从( 0 , o - 2 i ) 的复高斯分布；l 表示单位矩阵；s = i s s 丘】；a = d i a g ( 4 ，4 ，乓) ； b ( i ) = l6 l ( 讥瓯( f 1 1 。 在白噪声信道中，只接收一个用户时，它的最佳情况是码分多址系统中各个用户之间的 扩频码是相互正交的，但是实际通信中会存在相关时延，这就导致了扩频序列之间不可能完 全正交，致使其他用户对期望用户产生了多址干扰，这就导致了系统容量大大的降低，检测 的可靠性也会变差，而多用户检测技术能克服远近效应所带来的影响，从根本上消除多址干 扰，提高c d m a 系统的容量。 2 2 多用户检测 2 2 1 多用户检测的基本思路 随着多用户检测技术的快速发展，如今它已经成为抑制多址干扰的一种重要技术，通常 它又称为联合检测或者干扰抵消方法。多用户检测的基本思路【2 1j 有以下四个方面： ( i ) 在蜂窝式码分多址中，从信息论的最佳信号检测理论出发，来寻找多用户的最优联 合检测理论。 ( 2 ) 不论是多径干扰还是多址干扰，其实质并不是纯粹没有作用的白噪声，而是具有强 烈结构性的伪随机序列信号，并且各用户间与各条路径间的相关函数都是可以知道的，因而 完全可以从这些伪随机序列出发，利用它的结构和统计信息来进一步消除它所带来的不利影 响，从而可以达到提高系统性能的目的。 ( 3 ) 由第二点知道多径干扰与多址干扰都来源于伪随机序列，如果我们能充分利用扩频 码的已知结构和统计信息，在理论上两者是可以同时消除的，从而也必然消除和削弱了远近 效应。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 从信息论的最佳信号检测理论出发，充分利用扩频码的已知结构和统计信息来进行 多用户联合检测，克服其它所有用户的多用户干扰的想法，在理论上是行得通的。 2 2 2 多用户检测的原理 根据d s c d m a 信号模型我们知道，在接收机中，接收信号厂( f ) 是先通过一个码片匹配滤 波器的，再利用码片速率采样。由前面介绍可知 k r ( f ) = a a ( i ) s t + n ( f ) = s a b ( i ) + n ( f ) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中 b = 【6 l ，以】1 ( 2 9 ) 如果我们只对接收到的信号波形r ( i ) 的某一个特定的数据比特来进行解调，这里不妨假 设对第1 个特定用户进行解调的话，那么对于这样的线性接收机可以用一个加权向量来描述， 把这个加权向量定义为w 。，我们定义y ( f ) 为检测器的输出信号，它的定义为 y l ( i ) = w _ r ( f ) ( 2 1 0 ) 那么对刚刚假设的期望用户即第1 个用户的数据比特进行解调，解调的表达式如下： 吸= s g n ( ( r 1 y ) 女) = s g n ( ( a b ) 女) = 瓯 ( 2 11 ) 包( f ) = s g n ( y , ( i ) ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 中，s g n o 表示符号函数，r 为特征波形的标准化互相关矩阵，r 的表达式详见第 三章3 1 1 小节，式( 2 1 1 ) 的推导详见第三章3 1 1 小节、3 3 1 小节。 可以用差分检测器来处理期望用户幅度4 未知的情况，这样可以使输出误码率达到更小， 对y 。( f ) 做进一步的处理，可以得到 6 l ( f ) = s g n ( y ( t ) y t o 一1 ) ) ( 2 1 3 ) 把式( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 3 ) ，可以得到w 。的输出为 膏 m ( f ) = 4 ( w f s ，) 6 1 ( f ) + 以( w f s 女) 魄( f ) + w f n ( i ) ( 2 1 4 ) j | 【 式( 2 1 4 ) 中，第一项4 ( w f s 。) 包( f ) 、第二项以( w f s 。) 瓯( f ) 以及第三项w 抽( f ) 分别包含待 七= 2 检测用户的有用信号、其他干扰用户对期望用户的多址干扰( m a i ) 以及周围环境的高斯噪 声。检测的目标是待检用户，这就要求应使式( 2 1 4 ) 中后两项尽量最小化，而且不能影响 第一项的符号检测，之后利用差分检测或者取符号来得到需要的数据。图2 2 为多用户检测 的原理框图【4 3 】。 l o 杭州电子科技人学硕士学位论文 图2 2 多用户检测的原理图 2 2 3 多用户检测的优缺点 多用户检测有以下几个主要优点【4 3 】： ( 1 ) 它有效地对抗远近效应所带来的影响，削弱了m a i ；提高了c d m a 的系统容量，增 加了系统的用户数，具有更高的无线频谱效率。 ( 2 ) 对到达接收端的功率不相同的情况不敏感，减轻了功率控制的精度和负担。 ( 3 ) 大幅度的增加了通信距离和基站的覆盖面积，降低了基站的综合成本。 ( 4 ) 非常有效的降低了c d m a 用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 的发射功率，大幅度的提高 了u e 的待机以及通话时间。 多用户检测的缺点主要表现为以下几点： ( 1 ) 增加了系统设备，多用户检测单元使器件的成本增加了。 ( 2 ) 当扩频码较长的时候，系统实现的复杂度较高，增加了系统的时延。 ( 3 ) 用户设备的诸如体积、费用、重量等硬性条件受到了限制，以致于多用户检测目前 还依然无法应用在下行链路中。 ( 4 ) 小区之间会造成干扰，这是由于上、下行信道在不同的小区间要实行复用，所以， 如果检测算法没有考虑到这些的话，性能将会明显下降，不利于实际应用。 2 3 多用户检测的性能测度 多用户检测器的主要性能指标包括：误码率、信号干扰噪声比、渐近多用户有效性和抗 远近能力等。 2 3 1 误码率 大多数通信系统的目的都是为了减小误码率，在多用户检测领域也不例外。在加性高斯白 噪声信道中，假定只有一个用户k ，能量为e ，噪声方差为o - 2 。那么这单个用户的误码率定 义为 厍 只”= q ( 、拳) 2 耶 式( 2 1 5 ) 中s u 表示单用户系统。而q 函数具有以下定义 杭州电子科技大学硕士学位论文 q ( 加去p 2 如 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 知道，当有干扰用户时，误码率便会增加。此时就需要知道用户k 的有效能 一- 罾- e 。( 盯) ，用它来代替用户k 的实际能量最。如此代替之后可得出多用户系统中的误码率为 分q ( 睁) ( 2 1 7 ) 2 3 2 信号干扰噪声比 信号干扰噪声比( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o ，s n n r ) 是指输出端期望用户的功率 与干扰及噪声功率之和的比值。如果信号干扰噪声比越高那么误码率就越低，检测性能就越 好。检测器矢量w ，的信号干扰噪声比公式表示为 娴帆，2 丽e 2 w i t r l2 磊 眨m 2 3 3 渐近多用户有效性 1 9 8 6 年，v e r d u 引进渐近多用户有效。i 生( a s y m p t o t i cm u l t i u s e re f i c i e n c y ) 这一概念，通常简 称为渐近有效性，它主要是用于度量由多址干扰导致的检测器性能损失以及衡量其它干扰用 户对待检用户误码率所产生的影响。其定义是多用户系统达到单用户系统相同的误码率时所 需的能量与单用户系统所需的能量之比，用公式表示如下 1 ：! 坦 (219)rh(or) = 遵 ( 2 由式( 2 1 9 ) 可知当噪声方差趋于零( 仃2 专0 ) 时，有效性仇 ) 的极限6 1 为 巩2 嬲警= - 驴兰_ - 2l i m 。i 如上p 。( c ol ( 2 2 。) “ a - o 乓 乓，一o l 。 l 式( 2 2 0 ) 中，以( 仃) 表示第k 个用户的误码率，仇的取值范围在0 至1 之间。当背景噪声趋 于零，而误码率不趋于零时，礁= 0 。这说明在没有背景噪声的情形下，单用户检测器也有 非零的误码率；换而言之，正的渐近有效性可以说明误码率随噪声方差仃2 的减少而逐渐的趋 于零，且衰减的速率等于1 盯2 。而r h = 1 则表明用户k 不受其它干扰用户的干扰。渐近有效 性能客观的反映m a i 对检测器性能产生的影响。 2 3 4 抗远近能力 由前文可知接收端接收到的功率不相等会引起远近效应，强信号对弱信号产生的影响是 非常大的。因此，抗远近效应能力【6 】也是一个很重要的指标。抗远近能力的大小由特征波形 和解调器决定。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章分析了通信系统里的几个关键技术，然后给出了d s - c d m a 信号模型， 户检测的基本原理。最后讨论了多用户检测的性能指标，在以后的理论分析中， 个性能指标作