（通信与信息系统专业论文）cdma移动通信系统中基于禁忌搜索的多用户检测技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 第三代移动通信系统( 3 g ) 。是以码分多址( c d m a ) 技术作为首选多址接入 标准的，对于信道编译码、多用户检测( m u d ) 、软件无线电和智能天线等关 键技术的研究，近年来已受到广泛关注。本文主要致力于计算智能方法在多 用户检测中的应用研究。由于采用禁忌搜索( t s ) 的次最优多用户检测方法具 有指数的计算复杂度，因此，研究能够有效抑制多址干扰( m a i ) 、具有低误 码率( b e r ) 和合理的计算复杂度、对远近问题不敏感的次优检测方法是本 文的主要内容。 关键词：码分多址( c d m a ) ；多用户检测( m u d ) ；禁忌搜索( t s ) ；多址干扰 ( m a i ) ：远近效应 略尔滨i = j 鼙人学硕七学德论文 a b s t r a c t a sk n o w n ，i nt h e3 t hg e n e r a t i o n ( 3 g ) c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m st h ee o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) h a sb e c o m et h ed o m i n a n t t e c h n i c a ls t a n d a r da n dr e l a t e dk e yt e c h n i q u e s ，s u c ha sc h a n n e lc o d i n g d e c o d i n g ， m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ，s o f t w a r er a d i oa sw e l la si n t e l l i g e ma n t e n n a ，a r e a t t r a c t i n gi n c r e a s i n g l yr e s e a r c hi n t e r e s ti nr e c e n ty e a r s t h i st h e s i si sd e d i c a t e dt o t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c em e t h o d st os o l v et h ed i f f i c u l ti s s u e o fm u dd e s i g nc a p a b l eo fc a n c e l i n gt h es o c a l l e dm 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 、t or e a c hl o wb i te r r o rr a t e ( b e r ) a n dh i g hn e a r - f a rr e s i s t a n tc a p a b i l i t yw i t h a c c e p t a b l ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y o u ra t t e n t i o ni sf o c u s i n go nt h es u b - o p t i m a l m u da l g o r i t h m at a b us e a r c h ( t s ) b a s e dm u da l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，t h i s t s - m u da l g o r i t h mi ss h o w nt ob en e a r - f a rr e s i s t a n ta n do fl o wb e rw i t h p o l y n o m i a lc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y k e yw o r d s ：c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e - a c c e s s ( c d m a ) m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ，t a b us e a r c h ( r s ) ，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 t ) ，n e a r f a r r e s i s t a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 日期：年月 日 哈尔滨一r 程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 第三代移动通信的发展 第三代移动通信系统的概念最早由i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ，国际电信同盟) t g s 1 于1 9 8 5 年提出，最初命名为f p l m t s ( 未来 公共陆地移动通信系统) 。经过i t u 多年的艰苦努力，在1 9 9 6 年更名为 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) ，并确定了第三代 移动通信系统的基本框架，包括业务需求、工作频带、网络过渡要求、无线 传输技术的评估方法等诸多方面。i m t 2 0 0 0 名称的用意在于希望2 0 0 0 年左 右系统最高传输速率可以达到2 m b i t s 、工作于2 0 h z 频段1 2 j 。第三代移动通 信系统的目标是：世界范围内设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的 相互兼容；高服务质量；全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支 持多媒体功能及广泛业务的终端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技 术( r t t ) 提出了支持高速多媒体业务( 高速移动环境：1 4 4 k b p s ，室外步行 环境：3 8 4 k b p s ，室内环境：2 m b p s ) 、比现有系统有更高的频谱效率1 6 】等基 本要求。 1 1 2 移动通信面临的问题 用户要求更高的数据速率和更好的频谱效率是发展3 g 的主要推动力。 通信的发展极大方便了人们信息交流的速度与方便程度，使人们获取信息所 受的时间和空间的限制越来越小。通信追求的长远目标就是使任何人在任何 时间、任何地点都能与任何对象互通任何信息，而移动通信将是实现此此种 哈尔滨i ：科人学硕+ 学位论文 通信方式的主要环节。所以通信的终极目标是移动通信技术的发展【5 1 。现今 移动通信的实现还存在以下几个关键问题： 首先是通信质量问题。移动通信系统的信道的传输特性极为恶劣。通常， 无线运行坏境中信号的衰落可以分解为三个分量：一个是大范围的路径损失； 另一个是中等范围慢变化的分量，具有对数高斯分布；还有一个小范围快变 化的分量【14 1 。上述三类模型可用来描述无线蜂窝系统运行环境：第一类区域 为平均功率决定于从发射机至接收机之间范围内路径损失的特性；第二类区 域为平均功率慢变化，可用对数正念分布来表征：第三类区域为瞬时功率按 瑞利分布或莱斯分布快衰落。传播模型主要是用来确定路径损失。大范围的 传播模型是在发射机与接收机相距数百米或数千米范围内用平均功率电平来 表征接收信号的强度。中等范围的传播模型决定接收天线在几十或几百米范 围内移动时渐变的局部平均功率。接收信号功率中等范围的变化被称为遮蔽， 主要由树木和丛林的阻挡所产生。局部平均功率是用柬表示在数十个波长范 围内的平均功率电平。小范围的传播模型表征短距离内信号强度的快变化， 在几个波长的量级或时间的延长在数秒的量级。小范围内的快衰落也称为 短时衰落或多径衰落，它是由于发射波受到局部散射体如建筑物、路灯杆、 或自然物体如围绕移动体周围的树林等的多径反射所产生的。 无线电波是在开放的环境中传播的，有用信号会与自然界或各种机械、 电子产品产生的电磁信号一同被接收，接收的信号中参杂大量噪声。同时不 同用户之间也会由于频率重用或信道不正交产生相互干扰，影响接收质量。 信号的恶劣传输环境和用户对通信信号接收质量的高标准，要求工程上采取 各种措施来解决这一问题以满足用户的需要。 其次是对容量的要求。由于移动通信采用无线接入方式，所以一定区域 内的无线资源是所有用户共享的。可用的频谱资源是有限的，而随着移动通 信发展，用户数量和用户对通信带宽的要求迅猛增长。为了解决有限的频谱 2 眙尔滨i 程人学硕十学位论文 资源与用户需求的矛盾，在扩展移动通信用频谱资源的同时，还要进行有效 的频率规划，并采用更有效的多址技术充分利用自己已有的频谱资源，尽量 提高系统容量，以满足日益增长的用户需求。 第三是支持多种业务的需求。移动通信系统开始只提供简单的语音业务， 逐渐又加入了低速的数据传输服务。随着通信事业的发展，特别是互联网的 迅速普及，要求通信系统能够提供不同速率、不同服务质量的传输业务支 持语音、数据、视频相结合的多媒体业务。 1 1 3 码分多址的研究 1 1 3 1 通信中的多址方式 在移动通信系统中，多址技术是解决系统中多个用户如何共享公共无线 传输媒体的方法，它是设计无线通信系统空中接口的关键基础。无线物理信 道资源通常需要被划分为更小的逻辑信道后同时为多个用户提供服务，如频 分多址。在移动通信系统中，多个用户同时通话，各个移动台发送的信号通 过一个共同的发射媒介到达基站，被接收机同时接收，这就需要通过某种方 式区分不同用户发送的信号。把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输 媒质实现备用户之间通信的技术称为多址技术【”。现代通信中有四种多址技 术： ( 1 ) 频分多址( f d m a ) 技术。在频分多址中，通信系统的总频带被分隔 成若干等间隔的子频带，系统为每一个用户指定了特定的载波频率发送信号， 在某一个用户占用某子频带时，其他用户不能共享这一频段。为了使用户信 号间互不干扰，子频带应互不交叠，通常在子频带自j 插入保护频带。 ( 2 ) 时分多址( t d m a ) 技术。在时分多址中，将时阃分成周期性的帧， 每一帧再划分成若干时隙( 无论帧或时隙都是互不重叠的) ，每一个时隙就是 一个通信信道，分配给一个用户，而所有的用户共享相同的无线频谱。 3 哈尔滨j ：科人学硕+ 学位论文 ( 3 ) 码分多址( c d m a ) 技术。码分多址中为每个用户分配了特定的地址 码对要发送的信息进行扩频讽制，利用公共信息来传输信息。c d m a 系统的 地址码相互具有准正交性，以区别不同的信道，而不同用户的信号在频域、 时域和空间上都可能重叠。接收机利用目标用户的地址码对接收的信号进行 相关检测。其他使用不同码型的信号因为和该特定地址码的相关性很小而不 能被解调。在移动通信系统中常用的直接序列扩频( d s c d m a ) 仍是直接用 具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的 扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 ( 4 ) 空分多址( s d m a ) 技术。空分多址技术是利用空间分割构成不同 的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球 表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相 同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。 1 1 3 2 码分多址的特点 ( 1 ) 动态容量。这几种多址方式，其理论通信容量是相等的。在t d m a 和f d m a 系统中，每个用户本质上是在一种等效的单信道坏境中工作，以此 避免用户间的干扰；而c d m a 由于同步的困难或传输中信号的畸变很难做到 扩频波形的相互正交，这样用户闯通常是相互干扰的。事实上，码分多址在 数字蜂窝移动通信系统、卫星移动通信、室内无线通信和未来的个人通信中 得到了广泛的应用。为什么在考虑多址技术时，会采用c d m a 这种自干扰的 多址方式，而不坚持如t d m a 或f d m a 一样，将信道分为独立的、无相互 干扰的子信逆的原则呢? 主要原因是： 当潜在的用户数比在任一时刻实际使用的用户数大得多时，如t d m a 或 f d i v i a 这样的多址方式会造成信道资源的大量浪费。以移动电话业务为例， 若每个用户都分配个固定而且专用的无线频率信道或时隙信道，在用户通 哈尔滨1 ：税火学硕十学位论文 话期间，只有很少的时问该资源被使用，大部分时间是空闲的，而信道空闲 时又不能被其他用户使用。因此，在移动通信中，给各用户的信道资源分配 应该是动态的而不是静态的。而在如t d m a 和f d m a 这样的多址通信系统 中进行信道的分配和调度是复杂而且是低效的( 如采用随机多址通信进行信 道共享) ，难以达到满意的效果。相比之下，c d m a 则有明显的优势。c d m a 系统中用户个数不存在绝对的限制，不像t d m a 的时隙数或f d m a 中的子 频带数，只要有足够多的扩频码，就可以增加c d m a 中的用户，不过用户数 的增加会以一种线性形式抬高干扰水平，从而所有用户的系统性能都会逐渐 降低。通过采用话音激活技术，即用户不说话时，以低速率传送信号，降低 对其他用户的干扰，从而可以在满足各个用户的性能要求的前提下接入新的 用户。这种信道资源的动态共享可以使c d m a 系统更加有效地利用有限的频 谱资源，达到比t d m a 和f d m a 大得多的实际容量，这也是c d m a 系统最 显著的优越性。 ( 2 ) 强抗干扰能力。在c d m a 中，信息码元被扩频码调制，展成了很 宽的频谱，如果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a n 信号通带内的干扰 强度被大大地降低。 ( 3 ) 保密性好。由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的 功率就很小，即信号的功率谱密度就很低。所以，应用扩频码序列扩展频谱 的直接序列扩频系统可在信道噪声热噪声的背景下，在很低的信号功率谱密 度水平上进行通信，从而具有很低的被截获概率。此外，出于扩频信号具有 很低的功率谱密度，它对目前广泛使用的各种窄带通信系统的干扰很小。因 而可以在原有窄带通信的频段内同时进行扩频通信，不仅可以提高频谱利用 率，还能使原有通信系统平稳地过渡到扩频通信系统，i s p 的原有投资得到 哈尔滨工程大学硕十学位论文 保护。 ( 4 ) 抗衰落、抗多径干扰。码分多址系统具有潜在的抗频率选择性衰落 的能力。扩频通信系统所传送的信号频谱已扩展很宽，频谱密度很低，如在 传输中小部分频谱衰落时，不会使信号造成严重的畸变。此外如果发送信 号的带宽大于信道的相干带宽，那么接收机就能够分离出多径分量。在码分 多址蜂窝系统中，由于其很宽的信号带可以提取出更多的多径分量，通过一 定的方式进行分集，能有效地克服多径效应哺1 。 综上所述，c d m a 所具有的种种优点和其所展现的诱人前景，使c d m a 在移动通信中得到了广泛的应用，同时也成为了国内外研究的热点课题。 1 1 4 多用户检测技术研究 1 1 4 1 研究多用户检测的意义 在第三代移动通信系统中，由于能够有效利用可用带宽，具有较强抗干 扰的能力和适应环境变化的能力，宽带c d m a 技术己显出强大的吸引力和生 命力。然丽由于多径与多址的存在，并由此产生的同信道干扰c c i ( 包括本 小区内和小区外的多址干扰) 和码间干扰i s i 是限制3 g 系统通信容量和数据 速率的两个最主要因素；同时出于没有足够数量理想正交地址码和理想功率 控制技术而造成的c d m a 系统独特的“远近效应”，也是影响宽带c d m a 系 统性能的主要障碍。传统的多址干扰抑制的方法有： ( 1 ) 设计f 交陛优良的扩频序列 ( 2 ) 采用功率控制的方法 ( 3 ) 利用前向纠错f e c 技术 ( 4 ) 利用天线空间分集，小区扇区化以及波束形成 ( 5 ) 利用r a k e 接收机 6 哈尔滨j t ：释大学硕士学位论文 以上提供的几种方法均未考虑多址干扰的结构特征，因此这些方法可以 削弱多址干扰但不能从根本上消除多址干扰n 1 。多用户检测和以上方法都不 同，多用户检测考虑到干扰用户的存在并且充分的利用了干扰用户的信息， 也就是说，在多用户检测中，多址干扰不再被视为不含任何可用信息的纯粹 的商斯噪声而是在接收检测时充分的分析并利用多址干扰的结构特点以提高 检测的性能。良好的多用户检测算法可以实现以下目标： ( 1 ) 抗远近效应。当多用户检测器具有抗远近效应能力时，无论干扰用 户的功率如何，接收机始终不低于某一最小的误码性能工作，从而可以可靠 地检测出目标用户的数据。 ( 2 ) 提高误码性能。由于多用户检测利用了多址干扰的信息减少多址干 扰对检测性能的影响，所以相同环境下多用户检测器可以比传统匹配滤波器 检测有更低的误码率。 ( 3 ) 提高系统容量。多用户检测器比传统匹配滤波器检测有更低的误码 率c j g3 意味着当误码率要求不变时，可以在保证服务质量的前提下加入更多 的用户，从而提高了可同时接入的用户数，即系统容量。 1 4 1 2 多用户检测的发展历程 多用户检测( m u d ) 的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e rks 提出，1 9 8 3 年k o h n or 等发表了对多址接入干扰消除接收机( i c ) 的研究论文，特别是 值得一提的是1 9 8 4 年v e r d us 提出并分析了最优多用户检测器和最大似然序 列检测器( m l s d ) 。从误码的角度而言，最优多用户检测器是高斯白噪声环境 中的最佳检测方案，具有最佳的抗“远近效应”的能力。然而不幸的是它的 实现太复杂，其复杂度随着通信用户数和传送的信息符号数成指数增长：在 引入维特比译码思想后，算法的复杂度降为只随用户数成指数增长。尽管最 优多用户检测器和最大似然序列检测器在现阶段硬件水平上实现不太现实t 但v e r d us 丌创性的研究工作极大地激励着人们去寻找次优的多用户检测算 哈尔滨j 样人学硕七学位论文 法，以便以合理的复杂度去接近最优的性能。 2 0 世纪8 0 年代中后期，次优m u d 算法的研究首先集中在加性高斯白 噪声信号( a g w n ) 中。1 9 8 9 年l u p a sr 等首次提出了同步c d m a 系统中 的线性多用户检测方案，即用个线性算子作用于接收信号，从而达到目标 用户进行检测的目的。1 9 9 0 年l u p a sr 等又分析了异步c d m a 系统中线性 多用户检测的性能，特别是抗“远近效应”的能力。从此线性多用户检测算 法如雨后春笋般地涌现出来，其研究的信道类型也从a g w n 向衰落多径信 道发展，先是慢衰落信道，然后为相对快衰落信道。 1 2 本文研究的主要内容 人类已经迈进2 1 世纪，在通信领域，我国已经具备了第二代移动通信系 统的整体开发能力，第三代移动通信系统的研究开发取得一定成绩。当前最 为迫切的任务是通信系统一些关键技术的研究工作，要努力形成自己的专利 技术，提高我国电信业的独立性和与全球电信厂商竞争的能力。宽带c d m a 通信系统的关键技术包括抗干扰、抗多径衰落、抗远近效应等，它们之间是 相辅相成互相补充的，是当前研究的热点。 在宽带码分多址通信中多址干扰是最主要的干扰。多用户检j 贝4 技术，是 一类新型抗多址干扰、多径干扰和远近效应的检测技术，是人们研究的热点 问题。目前，在国内外多用户检测技术的研究已取得了一定的成果，但如何 获得快速、高效的多用户检测器仍然需要作大量的工作。由于多用户检测技 术是一个n p 完备问题，其最优检测的运算量随着用户数目成指数增长，故 只能寻找次优的多用户检测器r 3 6 o 而现代优化算法j 下是随着人们不再满足用 常规算法求解n p 问题而兴超的。现代优化算法实质是启发式算法，启发式 算法在求n p 问题的次优解上有独到之处，在算法的复杂性和检测性能之间 有较好的折衷。 8 哈尔滨l ：稃人学硕七学何论文 本文的工作主要用现代优化算法中的禁忌搜索算法来实现c d m a 系统 的多用户检测器。第1 章对移动通信的发展作了研究，分析了移动通信中的 关键技术及其面临的问题；第2 章主要讨论c d m a 系统模型及多用户检测技 术；第3 章对现代优化算法进行了分析，提出基于禁忌算法的种次最优多 用户检测器，对其性能进行了分析；在第4 章对全文作了总结。最后，值得 提到的是，多用户检测的课题还有许多工作可作，希望广大有志同仁共同努 力。 9 哈尔滨j ：稗人学硕士学位论文 第2 章c d m a 系统与多用户检测技术 2 1c d m a 系统 沟通，是人类社会存在的基本需求。从远古的烽火狼烟到现代的无绳电 话，通信系统一直承载着人们实现沟通的梦想。通信更是现在和末来社会经 济发展的重要基础设施。可以说，现代通信系统在当代社会生活中具有重要 作用，它满足人们沟通的渴望、了解世界的渴望。 移动通信特别是蜂窝小区技术的迅速发展，将为用户彻底摆脱终端设备 的束缚、实现迅捷全面的个人移动通信提供可靠的技术手段。从上个世纪8 0 年代中期开始，蜂窝组网技术逐渐成熟，陆地移动通信得到迅速发展。从最 开始的第一代模拟移动通信系统，到目前已经非常成熟的第二代、2 5 代系统 只不过用了短短的不到2 0 年的时间。从第一代系统发展到第二代系统的过程 中，系统制式由模拟制式转向了性能更好的数字制式。多址接入方式从频分 多址( f d m a ) 转向时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，带来了服务 性能和系统容量的显著提高。而结合i n t e r n e t 和高度移动性的第三代移动通 信( 3 r dg e n e r a t i o n ，简称为3 g ) 系统；以提供移动环境下的多媒体业务和宽 带数据业务为主，是宽带数字系统，采用以宽带码分多址为基础，结合时分 多址的通信复用方式，数据速率可达2 m b p s ，第三代移动通信系统的全面投 入商用必将对社会，经济和人们的生活带来重要的影响。 应用的需求推动了技术的发展。人们对移动通信系统的要求越来越高， c d m a 系统由于具有多路复合接入能力、抗多径衰落能力、抗窄带干扰能力 和安全，保密性能等独特的优势，近年来得到了迅速发展，并成为第三代系统 的首选技术，而多用户检测等关键技术的进步，必将推动更先进移动通信技 术的发展。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2c d m a 系统与多址技术 无线通信中的多址技术是解决系统中多个用户如何共享公共无线传输媒 体的方法，它是设计无线通信系统空中接口的关键基础。无线物理信道资源 通常需要被划分为更小的逻辑信道后同时为多个用户提供服务。如f d m a 是 把系统总的频带分成若干个非重叠子频带，每个子频带再分配给每个用户； t d m a 将每个频分信道再分成若干非重叠时隙，然后把每个时隙再分配给用 户。这两种多址技术避免了信道划分上的重叠，每个用户都在各自独立的等 价单信道环境下工作，所以不存在m a i 。但是，这些静态信道划分技术 对信道资源的利用效率比较低，特别是在突发的高数据率传输，以及非对称 业务时更为明显。为了满足提供更高的数据传输率和更佳的频谱利用率的要 求，第三代移动通信系统必需采用可以动态分配信道资源的多址接入技术。 c d m a 技术能很好地满足上述要求，是实现第三代无线通信系统空中接 口的优选方案。i t u 确定的第三代移动通信系统共有三个国际标准分别是 i m t - 2 0 0 0c d m ad s ，即欧洲和f ；i 本的u t r a w - c d m a ；i m t - 2 0 0 0c d m a m c , 即美国的c d m a 2 0 0 0 m c ；i m t - 2 0 0 0c d m a t d d ，即欧洲的u t r a t d d 和中国的t d - s c d m a 。三种标准都采用宽带码分多址技术作为其最佳空中接 入方案。采用码分多址技术的通信系统具有下列优点： ( 1 ) 通信容量大。c d m a 是自干扰受限系统，任何干扰的减少都可以直 接转化为系统容量的提高。因此一些传统的干扰功率降低技术，如话音激活 技术、功率控制技术等，都能提高c d m a 系统的容量。一般来说，在同样条 件下，采用c d m a 方式的系统容量约是采用数字t d m a 的g s m 系统容量 的4 - 6 倍，是模拟系统容量的2 0 倍。 ( 2 ) 系统具有软容量特性。c d m a 系统中，多增加一个用户只会使通信 质量略有下降，不会出现通信硬阻塞情况。小区覆盖范围的动态调整，可以 哈尔滨正穰大学硕士学位论文 平衡各个小区的业务量，这对于解决通信高峰期的通信阻塞问题和提高用户 越区切换的成功率无疑是非常有益的。 ( 3 ) 更适合在衰落信道中传输。移动信道在般情况下是一个时变多径衰 落信道，而在c d m a 系统中，由于采用了宽带传输，所以具有了特有的频率 分集特性，即当信道具有频率选择特性时，对c d m a 系统中信息传输的影响 较小。 ( 4 ) 具有平滑的软切换特性。在c d m a 系统中，所有的小区( 或扇区) 都可以使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以平滑实 现。 ( 5 ) 具有良好的通信安全性。c d m a 系统采用扩频技术，使发射的信号 频谱被扩展得很宽。从而使所发射的信号隐蔽在噪声和干扰中，不易被发现 和截获。 c d m a 接入技术对每个用户分配不同的编码序列来共享信道资源。该编 码序列一般都采用伪随机( p n ) 码。要求具有很强的自相关性和较弱的互相 关性。c d m a 是一种扩频通信技术，按照获得宽带信号的调制方式不同， c d m a 可以分为三种。即跳频( f h ) 扩频，跳时( t h ) 扩频和直接序列( d s ) 扩频。跳频扩频是由p n 序列来确定瞬时传输的频率。虽然每一瞬间信号带 宽是窄的，但发射机是在一个很宽的频带内不断跳变，所以系统总的频带变 宽了。跳频又可分为快跳频和慢跳频。在跳时扩频中。由伪随机序列确定不 同用户使用同周期内的不同传输时隙，每个用户则在其分配时隙内使用快 速突发脉冲传输。由于每个用户只在个周期的某时隙内高速传送信号，因 此需要总的频带变宽了。直接序列扩频方式中，信息数据被p n 序列调制， 般是直接相乘后得到扩频调制信号。由于p n 序列的速率远高于信息比特 的速率，因此调制信号的带宽比信息带宽高得多。直接序列扩频通信本身具 备的特点更适合在移动通信系统中应用1 1 1 】。 哈尔滨l 稃大学硕十学位论文 2 3c d m a 系统与多用户检测技术 目前，通信事业迅猛发展，现有的包括g s m 和i s 9 5 通信系统已很难满 足发展要求，因此第三代移动通信倍受注目。而在第三代移动通信中，宽带 d s c d m a 是迄今最为看好的多址接入方式。宽带c d m a 系统与窄带c d m a 系统相比，不仅是带宽的提高，更是单位带宽利用率的增加，互操作性和移 动性的增强，以及更广泛的业务范围和支持更高的移动速率。在c d m a 通信 系统中，主要干扰为码间干扰和多址干扰。多址干扰是由于c d m a 系统用户 扩频序列之间的互相关不为零引起的。由于多个用户的随机接入，所使用的 扩频码集一般并非严格正交，码片之间的非零互相关系数将引起各用户间的 干扰，这样不仅会严重限制系统的容量，而且强多址信号会淹没弱用户信号， 使“远近效应”的影响加剧。多址干扰由c d m a 系统用户引起并降低了通信 的质量。因此局限了c d m a 系统的容量 4 13 0 为了消除多址干扰的影响，传统的干扰功率抑制技术，如话音激活技术、 功率控制技术等在第二代c d m a 系统中被采用。由于用户的扩频码已知，所 以用户间的互相关系数是已知的，接收机可以知道多址干扰中的某些重要信 息，如多址干扰的扩频码字、组成结构及与目标信号的关系。利用这些信息， 接收机可以对各用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间的干扰，从而有 效地消除多址干扰的负面影响，这种在检测时利用了多个用户信息的策略称 为多用户检测 4 2 o 对于c d m a 这样一个干扰限制的系统，研究干扰抑制技 术将非常有意义，对多址干扰进行抑制将意味着系统容量的直接提高。 2 3 1c d m a 接收机存在的缺陷 在c d m a 系统中，出于多个用户的随机接入，而所使用的扩频码一般又 不能严格正交，非零互相关系数将引起各用户闯的相互干扰。这种现象称为 哈尔滨工程入学硕士! 学位论文 多址干扰( m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) 。同时由于移动用户所在的位置 处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，而即使各 用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站信号各不相同，强信号 对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信， 这种现象称为“远近效应”。现有的c d m a 系统，接收端都是在匹配滤波器 后直接解调，匹配接收机是假定多址干扰具有高斯白噪声的统计特性，并没 有考虑信道中的多址干扰，而且基于匹配滤波的单用户接收机对“远近效应” 极其敏感，因而始终无法提高系统容量。尽管可以采用一些方法平衡和抑制 多址干扰，减少彼此间的影响，但并不能从接收信号中真f 消除多址于扰， 从根本上解决问题。从而当系统中其他用户信号对特定用户信号造成的干扰 超过信道白噪声对该用户信号造成的干扰时，m a i 就成为限制系统容量增长 的重要因素。正是由于这种多址干扰的存在，在c d m a 移动通信系统中，同 一信道中可同时传输的最大用户数存在一个极限( 在满足各个用户特定业务 性能指标的前提下) 。而且在现有的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，主要在 以下几个方面进行了研究。 ( 1 ) 设计具有强相关性质的扩频码； ( 2 ) 应用有效的功率控制机制； ( 3 ) 应用前向纠错码( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ，f e c ) ； ( 4 ) 采用智能自适应天线。 这些研究对于提高系统的抗多址干扰能力有一定的作用，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。 1 4 哈尔滨：【：稃大学硕士学位论文 i i i 2 3 2 传统多用户检测的概念 在常规c d m a 用户检测中，通过将期望用户的扩频序列与接收的混合信 号直接做相关处理，再经过符号判决后得到估计符号。该处理方式是将相关 运算得到的残留互相关量看作a w g n 对待。由于扩频序列为准噪声宽带频 谱，作为第一阶近似是可接受的。这样处理虽然非常简单，但忽略了多址干 扰高度的结构性和循环稳态统计。c d m a 系统性能饱受多址干扰限制，同时 信道使用效率变得很低 1 2 3 o 1 9 7 9 年和1 9 8 3 年，k s s c h n e i d e r ，r k o h n o 分别提出了多用户检测的 思想，利用其他用户的已知信息消除m a i ，实现无m a i 的多用户接收。1 9 8 6 年，v e r d u 提出的最佳多用户检测器表明c d m a 系统并不是本质的m a i 受 限系统，远近效应能够被克服，从而引发了c d m a 系统多用户检测的研究热 潮。多用户检测技术不再将多址干扰看作噪声，而是有用信号加以充分利用， 因此能有效提高检测性能，增加c d m a 系统容量。 1 9 8 4 年v e r d us 提出并分析了最优多用户检测器和最大似然序列检测器 f m l s d ) 。v e r d u 的最佳多用户检测器由一组匹配滤波器( m f ) 构成，其系数 为用户的扩频序列。匹配滤波器组的输出不再是由符号判决直接处理，而是 被输入到一个v i t e r b i 算法来求解最大似然序列估计( m l s e ) 。理论分析和试 验结果表明该最佳多用户检测器能有效消除m a i 。但是最佳多用户检测技术 有两个不足，严重阻碍了其在c d m a 系统中的应用。首先是最大似然估计算 法的复杂度同用户数量成指数关系，当存在大量用户时，问题变得难以处理。 另外，最佳多用户检钡n 还需要大量的系统知识，如每个用户的扩频序列、工 作与否、系统定时、相位同步、用户功率和信道条件等，否则不能精确实现 匹配滤波器组。因此大量系统先验信息的准确获得是最佳多用户检测方法难 以实际应用的另一个障碍。不过最佳多用户检测表明了多址干扰并不是 哈尔滨。t ：程大学硕十学谚论文 c d m a 系统的本质特性，同时匹配滤波器组的输出完全就能够提供进行( 最 佳) 多用户检测需要的足够统计信息。因此，为了在较低的计算复杂度下获 得良好的用户检测性能，v i t e r b i 算法被许多低复杂度算法所替代，这就是次 最佳多用户检测技术。 2 。4 多用户检测技术研究 1 9 7 9 年k s c h n e i d e r 提出多用户检测的概念以来。经过2 0 余年的发展， 特别是1 9 8 6 年v e r d u 提出最佳多用户检测算法以后，多用户检测技术成为无 线通信领域最重要的学术研究热点之一。c d m a 系统中多用户检测的定义： 联合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其它用户对 往一用户的影响，芽同时检测出所有这些用户或莱些用户的信息的一种信号 检测方法。多用户检测有时又称联合检；测( j o i n td e t e c t i o n ) 。含多用户检测技 术的c d m a 接收机称为先迸接收机( a d v a n c e dr e c e i v e r ) _ 卯。 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抗多址干扰的c d m a 系统。功率控制法 抗多址干扰是种原始的、简单的抗多址干扰方法。如果采用多用户检测技 术抗多垃干扰，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 高的无线频谱效率。 ( 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 时闻。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。 1 6 哈孙滨1 秽人学硕十学位论文 2 4 1 主要的多用户检测方法简介 经过2 0 余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法已研究的十分广 泛和具体。在不同的准则下，多用户检测具有不同的分类方法。按性能的不 同，多用户检测可分为最优多用户检测法及准最优多用户检测法。从结构上 看，多用户检测又分为线性多用户检测及非线性多用户检测方法。 2 4 1 1 基站中的多用户检测方法 基站( b a s es t a t i o n ) 中的多址干扰抑制方法一般选择针对多用户的多用 户检测方法。由于基站知道所有用户的特征码( s i g n a t u r es e q u e n c e ) 考虑算法 复杂度，下面分别介绍基站中的典型多用户检测方法。 ( 1 ) 最优多用户检测法 最优多用户检测法，即最大似然序列估计( m l s e ) 方法，1 9 8 6 年由v e r d u 提出。该算法的复杂度随着用户数成指数增加，从目前器件经济的可实现性 来看，当用户数大于9 时，是不可行的。最优多用户检测法为我们提供了性 能改善的极限值。 ( 2 ) 线性准最优多用户检测法 由于最优多用户检测法的复杂度太高，1 9 8 9 年以后的研究均侧重于准最 优多用户检测法。准最优多用户检测可分为线性及非线性两大类。所谓线性 或非线性，即是判断算法的输出是否是输入的线性变换。线性多用户检测算 法主要包括去相关法( d e e o r r e l a t o r ) 和最小均方估计法( m m s e ) 。 去相关法及m m s e 法的复杂度均随用户数线性增长，其中去相关法不需 估计各用户的幅度，具有较好的抗远近效应能力，而m m s e 法需估计各用户 的幅度，抗远近效应能力不如去相关法，但去相关法对信道噪声有放大作用， m m s e 法则没有。当信噪比较大时，使用去相关法较好；当信噪比较小进， 易于使用m m s e 法e 4 6 。 7 哈尔滨j ：张大学硕士学位论文 解相关线性多用户检测实际上是建立于最大最小准则基础上，它是在用 户干扰功率未知的情况下，保证接收机在最坏情况下的最佳性能而提出的。 设线性算子l = r ，所以与传统检测器的输出y 相乘进行解相关，即可 得用户的信息比特： d = r y = a - d + r 。1 n ( 2 - - 1 ) 解相关线性多用户检测完全消除了m a i ，但d 中噪声分量的协方差矩阵 为( n 。，2 ) - r 一，第k 用户的比特误码率为 e p ) = q 旧仃砸呵) ( 2 2 ) 解相关线性多用户检测方法多址干扰的消除是以噪声的增强为代价的。 此外，解相关线性多用户检测的判决变量是无偏的( u n b i a s e d ) 。艰因如此噪 声不依赖于干扰功率，最佳地抑制了“远近效应”。其性能独立于干扰功率， 不需要估计功率的大小，实现也相对简单，因此非常适合于“远近效应”的 环境。 m m s e 检测器考虑了背景噪声并利用接收信号的功率值，其基本思想是 使实际数据和传统检、狈4 器的软输出之间的均方羞最小，最后得出满足要求的 估计。m m s e 检测器如图2 1 所示。m m s e 检测器在消除m a i 和不增强背 景噪声之间进行了折衷。考虑它与解相关线性多用户检测之间的羞别可以看 出，m m s e 对相关矩阵进行的是部分或修丁f 取逆，修f 的大小与背景噪声的 大小成反比，噪声越大，相关矩阵的不完全取逆越重c 3 9 3 ，这样就避免了加强 噪声。m m s e 类似干扰i s i 的m m s e 线性均衡器。其缺点是必须对信号的幅 度进行估计，另外它的性能依赖于干扰用户的功率，这样在抗远近效应方面 性能就不如解相关检测器。 l 毫 哈尔滨 _ _ = 程人学硕士学位论文 ( r + o2 w 2 ，。 图2 1m m s e 检测器 从本质上看，解相关性及m m s e 法均需对互相关矩阵求逆，当用户数很 多时，使用解相关法及m m s e 法的复杂度还是太大。为此m o s h a v i 等人提出 了矩阵求逆的多项式分解法，只取多项式的前几项代替整个逆阵，从而化简 求逆的复杂度。 ( 3 ) 非线性准最优多用户检测法 由于线性多用户检测法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考虑的研究 方向主要集中于非线性多用户检测方法。非线性多用户检测方法主要有多级 型、判决反馈型、神经网络等几种方法。 多级型多用户检测算法，根据每一级各用户的检测形式不同，又可划分 很多形式。若每一级各用户并行的采用匹配滤波器或相关器检测，这就是传 统的并行干扰对消( 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 ) 算法。若每一级的 每个用户，根据信号强度的大小，采用串行的匹配滤波或相关检测的方法， 这就是所谓的串行干扰对消( 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 ：s i c ) 算法。 当然，每一级各用户还均可以采用去相关检测、m m s e 等算法，这时的性能 会更好一些，但算法实现复杂度也更高一些。多级型多用户检测算法的每级 一般算法结构相似，因而多级型的每一级的最后( 除最后一级) ，还有一个各 用户信号的再生、还原过程，这也是多级型方法的特点之一。 判决反馈多用户检测算法，有与多级型算法类似的种类。从本质上看， 判决反馈多用户检测算法等价于多级型算法。从结构上来看，判决反馈法将 | 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多级型方法采用循环的方式一级来完成，通过对一级的多次循环，完成多级 型相同的功能。从实现上来看，判决反馈多用户检测算法比多级型算法需要 更多的存储空间。 2 4 1 2 用户设备中的多用户检测方法 对于用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ，又称移动终端：m o b i l es t a t i o n ，m s ) 来说，从安全及复杂度上考虑，它只知道自己使用的特征序列。这时的多址 干扰抑制方法( 为了方便，我们也称为多用户检测方法) ，与基站中的的多址 干扰抑制方法有很大的差别。用户设备中多用户检测方法把传统c d m a 检测 器作为固定式多用户检测方法也归纳进来了。所谓传统c d m a 检测器，即采