（通信与信息系统专业论文）基于turbo编码的迭代多用户检测技术研究.pdf

硕士论文基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术酽究 摘要 多址干扰o 吐a i ) 和多径衰落是码分多址( c d m a ) 信道中性能提高的主要障碍。在 下一代宽带c d m a 系统中，多用户检测和t u r b o 编码是两种最有效的性能增强技术。 文中首先对传统多用户检测技术和t u r b o 码信道编译码的技术进行了深入研究， 在此基础上进一步研究迭代多用户检测技术。迭代多用户检测是t u r b o 译码原理在多 用户检测领域的成功应用，通过对多用户检测和信道译码的联合迭代，可大大提高系 统性能。然后分析了迭代多用户检测译码结构，介绍了迭代多用户检测技术与研究进 展，分析了基于软m m s e 干扰消除和线性m m s e 滤波的s i s o 多用户检测算法和解 相关判决反馈s i s o 多用户检测算法，分析研究了对m a p 算法作改进的s i s o 的t u r b o 信道译码算法。仿真实现了采用软m m s e 干扰消除和线性m m s e 滤波的s l s o 多用 户检测与s i s o 的m a p 信道译码联合迭代，对不同参数下的多用户迭代性能做了仿 真比较。 仿真结果表明采用多用户迭代的系统能得到很大的性能改善，接近单用户的性 能，而且能有效消除“远近效应”。 关键词：直接序列扩频码分多址，多用户检测( m u d ) ，迭代多用户检测， 最小均方误差( i v i m s e ) ，t u r b o 编码，软输入软输出，多址干扰 硕十论文 摹于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术研究 a b s t r a c t m u l t i p l ea e o e s $ i n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p a t hf a d i n ga r em a j o ri m p e d i m e n tt oa p p r o a c h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a n dt u r b oc o d i n ga r et w oo ft h em o s t p o w e r f u lt e c h n i q u e s f o r e r d a a n e i n g t h ep e r f o r m a n c eo fn e x t g e n e r a t i o nw i d e - b a n d c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( c d m a ) s y s t e m s i nt h i sp a p e r , t r a d i t i o n a lt e c h n i q u e so fm u da n dt u r b oc h a n n e lc o d i n g d e c o d i n ga r e s t u d i e df i r s t , t h e ns o m er e s e a r c ho ni t e r a t i v em u da l eb e e nd o n e i t e r a f i v em u di sa s u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nm u d d o m a i n , b y j o i n ti t e r a t i v eo f m u da n dc h a n n e ld e c o d i n g i t c o u l d6 n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m f o l l o w i n g ，i ta n a l y s e st h ei t e r a t i v es t r u c t u r e i nm u d ，i n t r o d u c e st h et e c h n i q u e sa n dd e v e l o p m e n to fm u d ，s t u d i e st w ok i n d so fs i s o m u d a l g o r i t h mb a s e do ns o f tm m s ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na n di n s t a n t a n e o u sl i n e a r m m s e f i l t e r i n ga n dd e e o r r e l a t i n gd e c i s i o nf e e d b a c k ，i ta n a l y s e st h es i s ot u r b oc h a n n e l c e c o d i n ga l g o r i t h mw h i c hm a k e ss o m ei m p r o v e m e n ti nm a pa l g o r i t h m t h es i m u l a t i o n i m p l e m e n t s t h ej o i n ti t e r a f i v eo fs i s om u dw h i c hc o n s i s t so fs o f ti n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o na n dl 【n e a rm m s ef i l t e r i n ga n ds i s oc h a n n e ld e c o d i n gu s i n gm a p a l g o r i t h m ， a n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo f i t e r a t i v em u di nd i f f e r e n tp a r a m e t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t e r a t i o n so ft h es y s t e ma r eu s e dt oa t t a i n l a r g e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t st h a ta r ec l o s et os i n g l eu s e rp e r f o r m a n c ea n dt or e d u c et h e i n f l u e n c eo f n e a r a n d f a r 一一， k e yw o r d s ：d s c d m a ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ，i t e r a t i v em u d ， m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) ，t u r b oc o d i n g ，s o f t - i n p u ts o f t - o u t p u t ， m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：至量l枷年月d 臼 学位论文使用授权声明 一南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分庞容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程亭处理。 研究生签名：至垄! 驴年朗 目 够士论文摹于t u r b o 编码的选代多用户检测技术研究 第1 章绪论 1 1 基础背景 个人通信所追求的目标就是实现任何人、任何时候可以与任何地方的人进行任何 方式便利的通信。随着移动通信系统的发展，移动用户的增多，人们正在逐步实现这 个目标，移动通信产业，特别是陆地公众移动通信系统呈现出空前的繁荣。与此同时 人们对移动通信的业务追求己从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，对服务质量 ( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 有了更高的要求。c d m a ( e o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术已成为第三代移动通信系统的一种主流技术，在国内外得到了广泛认同和深入的 研究，如何进一步提高c d m a 通信系统的性能和增加系统容量一直是人们研究的热 点。 在d s c d m a ( d i r e c ts e q u e n c e ) 通信系统中的主要干扰包括：加性高斯白噪声、 多径衰落干扰和多址干扰( m a i ，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 ) ，其中多址干扰是最主 要的干扰，其次是多径衰落干扰，而加性高斯白噪声干扰影响最小。传统的c d m a 系统检测观点认为，大量叠加在一起的干扰用户信号可以看作多个独立随机变量的累 积，因此只要用户数目充分多，那么根据中心极限定理，多址干扰基本服从高斯分布。 因此，经典算法将多径衰落干扰和多址干扰的伪随机码信号看作等效白噪声的无用信 号来处理，这是一种消极的处理方法。 实际上，不论是多径衰落干扰还是多址干扰，其本质并不是纯粹无用的白噪声， 而是有强烈结构性的伪随机序列信号。且各用户间与各条路径间的相关系数都是已知 的。因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息， 如相关性等来进一步消除这些干扰带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。 多用户检测的主要优点是它能有效消除或减弱c d m a 系统中的多址干扰，多径 衰落干扰，减轻远近效应，简化c d m a 系统中的功率控制，弥补由于扩频码互相关 性不理想所带来的一系列消极影响，改善c d m a 系统性能，提高系统容量，扩大小 区覆盖范围。 自1 9 8 6 年美国学者v e r d u 提出最优多用户检测算法以来，多用户检测理论迅速 成为通信理论界研究的一个热点，第三代移动通信系统也看好这一技术，将它列为最 有前途的增强型技术之一，并希望在第三代第二期中得以实际应用。 1 2 多用户检测研究现状和发展趋势 近年来多用户检测技术发展迅速。由于最优多用户检测算法其复杂度随用户数指 l 硕士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术研究 数增加，因此人们提出了许多次最优多用户检测算法，以合理的可实现复杂度来接近 最优检测器。次最优多用户检测算法分为两大类：线性多用户检测和非线性的干扰抵 消多用户检测。前者对传统的检测器输出进行解相关或其它线性变换以利于判决，后 者利用己知信号对干扰进行估计，然后在原信号中减去以利于接收判决。线性多用户 检测技术主要有：解相关检测器，最小均方误差检测器，多次式展开检测器，基于训 练序列的自适应多用户检测器和盲自适应多用户检测器等。于扰抵消多用户检测器有 串行干扰消除( s i c ) 检测器，并行干扰消除( p i c ) 检测器和解相关判决反馈检测器 等。 近年来各种技术的结合问题引起了人们广泛的注意。与多用户检测相结合的技术 主要有以下几种： 空时二维信号处理技术。由于信号在信道中传播时存在空域和时域的弥散，因 此在空时域联合进行信号处理可以提高系统性能，经典的结构是二维蛆正接收机。 目前有关智能天线技术和多用户检测联合的结构和算法尚待进一步研究。 多用户检测和多载波调制结合技术。多载波调制能有效地克服衰落信道引起的 符号间串扰，将多用户检测技术引入到多载波c d m a 系统，研究其频域和码域二维 信号处理技术，可大大提高系统的抗干扰能力。 多用户检测和信道编译码结合技术。在c d m a 系统的接收端，多用户检测的 后边是译码单元，显然多用户检测采用硬判决方法将降低译码性能，因此人们提出了 迭代多用户检测的思想，将多用户检测和信道译码相结合，多用户检测采用软判决输 出，送给译码单元译码后将软判决信息再反馈给多用户检测器，进行多次迭代，最后 作硬判决输出结果。采用这种迭代多用户检测可以提高系统的性能，降低误码率。 多用户检测和功率控制结合技术。由于多用户检测和功率控制都可以克服远近 效应，因此有少数学者研究两者的结合问题，但是这两门技术都比较复杂，所以在这 方面的进展不大。 多用户检测的其他应用。由于多用户检测既可以估计信道参数，如延迟，同时 还抑制多址干扰，因此部分学者研究采用多用户检测进行捕获跟踪。另外，c d m a 是扩频通信系统，因此还有一些文献研究采用多用户检测抑制窄带干扰，其性能比传 统的非线性滤波器更好。 研究结论表明，多用户检测技术能够有效地改善c d m a 系统的性能，但其代价 是增加系统实现的复杂度，所以目前主要研究方向是如何在保证一定性能的前提下将 复杂度降低到工程可接受的程度。 1 3t u r b o 信道编码技术及其迭代译码思想 1 9 9 3 年由c b e r r o u 提出一种全新的信道编码方案t u r b o 码。它是在综合过去几 2 硕士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用卢检测技术铲究 十年来级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论基础上的一种创新。 t u r b o 码的基本原理是通过在编码器中引入随机交织器，使码字具有近似随机的特性， 通过对分量码的并行或串行级联实现利用短码构造长码，从而使产生的t u r b o 码具有 类似随机编码的特性。t u r b o 码的译码采用了类似涡轮机反复利用的机理，通过对分 量码之间软信息的迭代交换实现迭代译码，获得了卓越的纠错性能。仿真表明，t u r b o 码不但在抵御加性高斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力其 纠错性能接近香农极限，这使得t u r b o 码在信道条件较差的移动通信系统中有很大的 应用潜力。目前，t u r b o 码在实际应用方面的研究已经有很多，其中第三代移动通信 系统i m t - 2 0 0 0 已经将t u r b o 码作为其传输高速数据的信道编码标准之一；在国际海 事卫星组织的1 n m a r s a t - p h o n em 4 系统中，也以t u r b o 码为核心技术来实现压缩频 带的高速数据传输的。 受t u r b o 码迭代译码思想启发，人们将这种译码思想推广到c d m a 多用户检测 中，实现基于t u r b o 码译码原理的c d m a 多用户迭代检测接收机。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要对同步d s c d m a 系统中a w g n 信道下基于t u r b o 编码的迭代多用户 检测及其相关技术进行了研究，论文由五章组成。 第1 章介绍了本课题的研究背景，简要介绍了多用户检测技术和t u r b o 编码及其 迭代译码技术，引入迭代多用户检测思想。 第2 章分析了多用户检测的优点，对传统的多用户检测算法：解相关算法、m m s e 检测算法和解相关判决反馈算法进行了深入的研究，文中推导了这三种算法，分析了 各自的优缺点，并对这三种算法性能作了仿真比较，比较了这三种算法与单用户检测、 传统匹配滤波器直接判决法的性能差别，对强用户、弱用户和等功率用户情况下 m m s e 算法的性能作了分析比较，并对扩频序列长度和用户数目改变时m m s e 算法 性能作了对比。 第3 章介绍了t u r b o 码的特点和在实际系统中的应用，对具有p c c c 结构的t u r b o 码编译码进行了深入的研究。分析了归零、删余矩阵和交织器对编码性能的影响，详 细分析了t u r b o 码迭代译码结构，推导了m a p 、l o gm a p 和s o v a 译码算法，对 其复杂度和性能做了比较，对这三种译码算法性能和采用l o gm a p 译码算法下不 同迭代次数、不同码率和不同帧长下的译码性能作了仿真比较。 第4 章分析了迭代多用户译码结构，介绍了迭代多用户检测技术与研究进展，分 析了基于软m m s e 干扰消除和线性m m s e 滤波的s i s o 多用户检测算法和解相关判 决反馈s l s o 多用户检测算法，分析研究了对m a p 算法作改进的s i s o 的t u r b o 信道 译码算法。仿真实现了采用软m m s e 干扰消除和线性m m s e 滤波的s i s o 多用户检 3 磅士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用户捡铡技柬研究 测与s i s o 的m a p 信道译码联合迭代，对不同内外迭代次数、不同扩频波形相关矩 阵和不同接收功率用户的多用户迭代性能做了分析比较。 第5 章总结了本文的研究工作，指出了需要进一步研究的方向。 4 矽士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技柬研究 第2 章传统多用户检测算法研究 采用多用户检测技术可以有效消除或减弱c d m a 系统中的多址干扰、多径衰落 干扰，减轻远近效应，简化c d m a 系统中的功率控制，弥补由于正交扩频码互相关 性不理想带来的一系列消极影响，改善c d m a 系统性能，提高系统容量，扩大小区 覆盖范围等。 本章主要研究传统多用户检测技术，文中首先会绍c d m a 系统中传统接收机， 指出其局限性，然后多用户检测的基本原理和几种次优多用户检测技术，最后对不同 条件下解相关多用户检测算法、最小均方误差多用户检测算法和解相关判决反馈多用 户检测算法的误码率性能进行了仿真、分析和比较。 2 1 传统单用户检测 一个典型的传统多用户系统模型如图2 1 所示： 人 l 沐，( 硷 信号 夕j 检测 l 器 ( f ) b l b 2 图2 1 典型的传统多用户系统模型 对于同步d s c d m a 系统，假设在同步单径b p s k 实信道中有k 个用户，那么 接收到的等效基带信号可以表示为： 耳 ，( r ) = a i ( r ) 吼( f ) 以( f ) + ( f ) ( 2 1 ) k - i 对于k 个用户的异步d s c d m a 系统，其接收到的等效基带信号可以表示为： k ，( f ) = a k ( t ) b k ( t ) g t ( t - - 2 i ) + 以( f ) ( 2 2 ) ；l 其中，以表示第k 个用户信号的幅度；g 。表示第k 个用户信号的扩频波形，取 值为l ，由持续时间为疋( 码片周期) 的矩形脉冲组成；钆表示第k 个用户的信息数 据，取值为l ，由持续时间为瓦( 码元周期) 的矩形脉冲组成；q 表示第k 个用户的 5 硕十论文 基于t u r b 0 编码的迭代多用户检测技柬研究 信号经信道传输后所造成的时延。n ( t ) 为加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为： n o 2 ( w m ) 。本文主要研究同步d s c d m a 系统中的多用户检测技术。 同步d s c d m a 通信系统中传统单用户检测器结构如图2 2 所示： 圈2 2 传统的单用户检测器结构 传统单用户检测器由相关器及判决器组成，相关检测器可由一组匹配滤波器实 现。检测时将接收到的信号通过组匹配滤波器，每个滤波器与一个不同的用户特征 波形匹配，最后对各路匹配滤波器输出采样判决即可得到检测信号。对于某一特定用 户k ，相关器的输出为： 儿= e 6 ，( ，) 吼( f ) 西 咆”。参，+ 毒胁鼬渺 = a 由k + b t a i t + z t 其中，n 。为扩频波形的相关系数，定义如下： ( 2 3 ) 一= f 既( r ) 晶( f ) 西 ( 2 4 ) 6 由式( 2 3 ) 可以看出，第一项为用户本身希望接收的数据项，第二项是有其它 用户时产生的多址干扰m a i ，第三项是由噪声造成的干扰。 可见，在d s c d m a 系统中，多址干扰的存在使得多用户通信系统的误码性能不 仅仅取决于用户的信噪比( 在单用户系统中误码性能仅与用户的信噪比有关) ，而且更 6 黟士论文摹于t u r b o 编码的迭代多用户检测技柬铲究 多地取决于系统中各用户之间的多址干扰大小。传统检测器不考虑多址干扰，采用单 用户检测机制，每个用户单独检测，不考虑其他用户，把多址干扰看为噪声。这种检 测器在单用户条件下是最佳接收机，其性能给出了各种检测方案的性能上界，但在多 用户条件下，却有很大的局限性。 2 2 多用户检测的基本原理 在多用户检测中，背景噪声是随机的、不可预测的；与背景噪声相比，多址干扰 不同于普通的高斯白噪声，具有一定的可预测性：从信息论的角度而言，m a j 是携 带有不同用户扩频码之间相关信息的信号，具有一定的估计精度。因此如果将这一部 分信息作为噪声处理或丢弃掉，势必会影响整个系统的容量或相同条件下系统的误码 性能。 鉴于多址干扰的这一重要特性，在检测过程中可以把所有用户的信号都当作有用 信号，考虑到其他用户的信息( 如用户之间的相关特性) 在一定程度上是可预知的，因 而可以综合利用包括干扰用户在内的各种信息及信号处理手段，充分利用c d i v i a 用 户特征波形的内在结构信息，对接收信号进行联合处理，最大可能地抑制甚至消除多 址干扰，从而达到更准确检测目标用户信号、改善接收系统性能的目的。这就是多用 户检测的基本原理。一个典型的多用户检测系统模型如图2 3 所示： 里 坚l 叫匹配滤被器l 卜 冈田e 。厂、 。l 旷靠曲世盥il多甩 碉嗣zi 残21 5 坦z ? 此臣碍孜鼙z 户检 ； 铡算 法 叵卜怔寸旧。( t )叫匹配滤波嚣k 卜 2 3 多用户检测算法 图2 3 多用户检测系统模型 b l b 2 1 9 8 6 年v e r d u 提出以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测m l s d ( m a x i n u m - - l i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ) 的最优多用户检测器。维特比算法的 复杂度与用户数呈指数增长，且要估计接收信号的幅度和相位，故复杂度较高，于是 人们努力寻求易于实现的次优多用户检测器。次优多用户检测技术分为两类，即线性 多用户检测和干扰对消多用户检测两大类。 线性多用户检测器是将匹配滤波器组的输出作某种线性变换再做判决，主要有解 顿士论文基于t u r b o 编码的迭代多用户捡铡技术研究 相关检测器( d e c o r r e l a f i n g ) ，最小均方误差检测器( l i n e a r m m s ed e t e c t o r ) 和多项 式展开检测器等。解相关检测器的基本思想是首先对基于扩频码的互相关矩阵求逆， 然后对接收信号进行解相关计算，最后再对解相关信号进行判决。最小均方误差检测 器的基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检测器的软判决输出之间的均方 差，使之最小。这两种线性检测器能够取得较好的效果，但需要对输入信号的自相关 矩阵求逆，计算量巨大。 干扰对消算法根据各个用户已判决信号再生多址干扰，然后在总接收信号中将各 路多址干扰对消掉。干扰对消算法主要有串行干扰对消( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ，s i c ) 、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 e e l l a t i o n ，p i c ) 算法和判 决反馈算法( d e c i s i o nf e e d b a c k ，d f ) 。s i c 多用户检测器在接收信号中对多个用户 逐个进行数据判决，判出一个就再造并减去该用户信号造成的m a i 干扰，操作顺序 根据信号功率的大小来定，s i c 在性能上比传统检测器有较大提高。p i c 多用户检测 器具有多级结构，其每一级并行估计并去除各用户造成的m a i 干扰，然后进行数据 判决。p i c 采用并行处理，克服了s i c 大延时的缺点，而且无需在情况发生变化时进 行重新排序，在各种多用户检测器中具有较高的实用价值。a d u e l - - h a l l e n 结合解 相关和s i c 提出解相关判决反馈算法( d e c o r r e l a f i n gd e c i s i o nf e e d b a c k ，d d f ) ，其基 本思想是在进行部分解相关线性处理之后，再根据信号强度递减的顺序进行串行干扰 对消。 2 3 1 解相关多用户检测器( d e c 一唧d ) 由式( 2 3 ) 可知： 其中，r 是相关矩阵，r = y = r a b + ： n 1 岛1 n 。2 , 0 2 。2 岛k p k l 风2 ： p r ( 2 5 ) ，其中n ，为扩频波形的相关 系数6 ，：，y 分别表示输入的k 个用户数据输入、噪声、匹配滤波器的k 个输出， 其中b ( i ) = b l ( i ) b 2 ( f ) ： k ( f ) ，y ( f ) = y 1 ( i ) y 2 ( d ： 儿( f ) ，z 为k 维有色高斯噪声向量。矩阵a 是与接收信 号功率相对应的对角矩阵。为去除各用户之间的线性相关，解相关检测器采用的线性 算子为： 8 黟士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用户硷铡技米铲究 k = r 。1 ( 2 6 ) 这里我们假定r 是可逆阵，即各用户的特征波形线性独立，r - 1 是r 的逆矩阵。 解相关检测器的结构如图2 4 所示： 滤波器组 解相关器 判决器 叫匹配滤波器用户l 卜二- 呻- 匹配滤波器用户2r l r 一1 ： 叫匹配滤波器用户k _ 二b b l b 2 图2 4 解相关检测器的结构 由于这种检测器对匹配滤波器的相关输出进行了解相关的处理，去掉了各用户信 号之间的相关性，所以被称为解相关器。解相关检测器的软输出为： r - s y = a b + r - l z ( 2 7 ) 判决器的输出为： 反= s i g n ( a b + r 。：) t 】 ( 2 8 ) 其中s i g n ( x ) = 匕葛 由式( 2 8 ) 中可以看出，来自其他用户的多址干扰被完全消除，背景噪声是唯 一的干扰源。z 。= r - i z 为解相关输出的噪声分量，其自相关矩阵为盯2 r 一，仃2 为噪 声方差。即第k 个用户的输出噪声功率为： z d e c j = 盯2 础 ( 2 9 ) 式中为矩阵r 一1 中的第( k ，k ) 个元素。由于硭 l ，所以解相关后噪声功率被 放大。 当用户k 的信号与其他用户信号之间非线性独立时( 即矩阵r 不可逆时) ，需要 用m o o r e p e r t r o s e 广义逆矩阵来代替r 。 解相关器的主要优点有： 与最优检测器相比，计算的复杂度大大降低。 抗远近能力与最优检测器相同，能够完全消除远近效应的影响。 不需要估计接收信号幅度，而且性能与干扰用户的功率无关( 有用信号和噪 声功率都不依赖于干扰用户的功率) 。 硕士论文基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术研究 具有独立于用户信号能量的出错概率，可简化对出错概率的分析。 解相关检测器也存在如下一些主要的缺点： 放大了信道高斯白噪声，对于每一比特，解相关检测器输出的噪声项总是大 于或等于传统检测器输出端的噪声项。 当各用户特征波形的互相关性增加时，检测性能将变差。 矩阵r 求逆的计算复杂度仍较高，很难实现实时计算，对于异步系统，由 于维数的增加，求解复杂度将更高。 只要精确地估计出有关参数，解相关多用户检测就能够完全消除多址干扰，减弱 远近效应，但它同时也放大了信道噪声，使其性能无法与对应的单用户情形相比。这 里的“对应的单用户”是指所有干扰用户功率为零，而待解调用户噪声功率不变。当 用户数较少时，解相关多用户检测器有时表现出比传统匹配滤波器更差的接收性能， 这是由于线性解相关检测器不能很好地抑制高斯噪声这一致命弱点造成的。 2 3 2 最小均方误差多用户检测器( 蛳s e - i l u d ) 线性解相关检测器是从消除多址干扰的角度处理问题，但没有考虑背景噪声的影 响，因此在消除多址干扰的同时放大了背景噪声。线性m m s e 多用户检测器则是把 线性多用户检测视为一个线性估计问题，在抑制多址干扰和提高背景噪声水平之间求 得一个平衡点，通过线性算子l 使实际信息码元与线性变换的输出结果之间的均方误 差e 【( 6 一砂) 7 ( 6 一印) 】最小。 m m s e 线性检测的问题也可等价为在m m s e 准则下求最佳线性变换l ，使均方 误差的代价函数最小化，即： 以l ) = 一砂) 1 ( b 一砂) 】 ( 2 1 0 ) 又误差向量的协方差矩阵为： e o v ( b 一砂) = 研( 6 一砂) ( 6 一砂) 7 】 ( 2 1 1 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 1 1 ) ，同时令羞b v ( 6 一砂) 】= 0 ，则可求得满足m m s e 准则的线性算子为： 二脚= j r + o 2 a 1 】- 1 ( 2 1 2 ) 对式( 2 5 ) 做线性变换x = n 艇y 可得； 膏= 三舢y = k r a b + 懈：= k r a b + v ( 2 1 3 ) 式中，y = 三脚z 为有色高斯噪声矢量，取x 为判决变量，可得判决器的输出为： 1 0 硕士论文基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术酽究 b = s i g n ( 功= s i g n ( k r d b + y ) ( 2 1 4 ) m m s e 检测器综合考虑了多址干扰( m a d 和噪声的影响，充分利用了接收信号的 功率信息，其线性变换矩阵的选取基于均方误差最小化准则。它实质上是对解相关检 测器的修正，其修正量与噪声方差成正比，从而在既消除了多址干扰又不加剧噪声之 间实现了平衡，克服了噪声增强问题。但也正是该修正量的存在，使得m a i 不再能 被完全消除，使m m s e 检测器仍遭受远近效应的影响。 m m s e 检测器的主要优点有： 由于考虑了背景噪声，因此m m s e 检测器的误码性能优于解相关检测器。 不需要知道其他用户的扩频码。 没有增强噪声。 m m s e 检测器存在的一些缺点： 要估计接收信号的幅度。 需要求逆矩阵，运算量大。 m m s e 多用户检测器的结构和解相关的结构相同，只需将线性变换矩阵= r 1 换成k = k + 仃2 4 _ 1j - 即可。 2 3 3 串行干扰消除多用户检测器( s i c - k i u d ) s i c 检测器采用串行结构，它的每一级只检测一个用户信号，因此k 个用户就需 要k 级判决。各用户的操作顺序是根据其信号功率值的降序排列进行的，功率越大 的信号就越先进行处理，每级输出的是功率最大用户的数据判决和去除该用户造成的 m a i 以后的接收信号，这样做可以将多址干扰的影响降到最低，并且信号越弱获益 越多，从而大大增加了检测的可靠性。串行干扰消除多用户检测器的第一级( 硬判决) 结构图如图2 5 所示。 ， 图2 5s i c 检测器的第一级( 硬判决) 结构图 s i c 检测器的实现步骤如下： 硕士论文基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术研究 用传统检测器检测最强信号s 。 对s 作硬判决。 恢复出对用户1 信号的估计值s ( ，) ，该步骤需要使用以下信息： 步骤得到的硬判决( 对s 作硬判决后的结果) ； 用户1 的p n 序列信息； 定时信息( 时间和相位) 和幅度的估计。 将s ( f ) 从“t ) 中消除，得到已被部分消除了m a i 的接收信号( f ) 。 这样通过第一级的处理，我们得到了对信号最强用户的硬判决和去除了该最强用 户产生的多址干扰的接收信号。多级结构是将上一级的输出信号作为下一级的输入信 号，即当前级的检测器利用前一级的检测结果对多址干扰进行估计，并将之从接收信 号中消去以此提高当前级检测的精度。重复以上“检测，估计，消除”的循环操 作，逐步消除接收信号中的多址干扰，这样就可以得到完全消除了多址干扰的接收信 号，使得系统整体的误码性能达到局部最优。 s i c 检测器的主要优点： 硬件结构简单，只需在传统检测器的基础上附加少量硬件就可以实现。 性能比传统的检测器有所提高。 检测最强的用户效果最好。 s i c 检测器的主要缺点 每级都会引入l 比特的延时。 每当用户功率发生变化时要重新进行功率排序。 初始数据判决的不可靠将大大增加下一级的干扰。 各级间的误码传递性可能导致误码性能产生严重的“乒乓”效应。 2 3 4 并行干扰消除多用户检测器( p i c - j d ) 与串行干扰消除器相比，并行干扰消除检测器( 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 ) 并行地预测并减去每个用户所有的多址干扰1 1 1 。 它利用接收信号的初始( 前一级) 判决值，构造所有用户的干扰信号，然后再同时 并行地从接收信号中减去所有用户的干扰，对所有用户均进行同样的操作。该检测器 的第一级结构如图2 6 所示： 硕士论文 基于t u r b 0 编码的迭代多用户检铡技术研究 图2 6p i c 检测器的第一级结构 在图中，初始的比特预测值反( o ) ( k = 1 ，2 ，k ) 由匹配滤波器采用硬判决得 到，我们称匹配滤波器为第0 级。然后，这些比特经幅度估计器估测得相应的幅度并 通过扩频码扩频。这样，对每一个用户产生了1 个瓦延时的再扩频信号五o 一瓦) 。 部分加法器把除了某个要解调的输入信号外的所有再扩频信号加起来，产生对要解 调用户的m a i 。 假设对各用户的信号幅度和延时有很好的预测，对用户k 减去m a i 估测后得到 的结果是： r ( t - t b ) - g , ( t - t o ) = b k ( t - r k - t e ) a k ( t - r k - - t b ) g k ( t - - r k 瓦) + 挖( f 一瓦) 一( ( 包( f f ，一瓦) 一b 。( f f 。一瓦) ) 4 ( f f ，一瓦) ；。( f t 一瓦) ) ( 2 1 5 ) ，t 上式的结果再传到第1 级匹配滤波器以产生一组新的、期望更好的扩频估测值。 初始的一级( 传统检测器) 没有在图中表示出，它引入了一个比特的延时，这也是接收 的信号和幅度要延时一个码元周期瓦的原因。采用多级结构重复进行同样的处理，每 一级利用前一级的数据估测作为它的输入并产生一组新的估测值作为输出。一般实际 应用时，只需取2 至3 级即可，3 级以上检测器的性能已无明显的改善。p i c 采用并 行处理，克服了s i c 延时大的缺点，因此在各种多用户检测算法中具有较高的实用价 值。 上述两种干扰消除器性能比较概括如下： 与串行干扰消除检测器相比，并行干扰消除检测器延时小，适合于功率控制比 较理想的情况，但p i c 检测器的计算量比s i c 大。 硕士论文 基于t u r b o 编码的迭代多用户检测技术研究 两类干扰消除检测器都存在误差扩散问题。当前级检测的可靠性比较差时，后 面的检测性能会更差。 串行干扰消除检测器以降低强信号的性能为代价来提高弱信号的性能。 两类干扰消除检测器都要对接收信号排序( 通常是按功率排序，也可按信噪比 排序) 。 2 3 5 解相关判决反馈检测器( d d f - m u d ) 解相关判决反馈( d e e o r r e l a t i n gd e c i s i o nf e e d b a c k ) 检测器其基本思想是在线性处 理之后再进行s i c 检测，线性处理进行部分解相关，不加强噪声，s i c 再根据信号强 度递减的顺序进行串行干扰减消。同步d s c d m a 系统中接收端的解相关判决反馈结 构如图2 7 所示： y ( t ) 硼 l 划l 台l t = t ( f t ) 1 毹闲 y 2 m a l r i x ；_ 年 台2 f i l t e r t - - t 、_ 刊 图2 7 解相关判决反馈结构 接收信号y ( t ) 先通过匹配滤波器组( r f ) ，k ：l ，2 ，k ，其中，( ) 为归一化用 户特征波形，即在符号间隔t 内，满足r g ( o a t = 1 在t = t 时刻作软判决后得到 】，i ，y 2 ，y 。，送入矩阵滤波器。矩阵滤波器对用户特征波形的相关矩阵r 做c h o l e s k y 分解，r = f 7 f ，f 为下三角矩阵，然后信号通过其响应为( f 7 ) - 1 矩阵滤波器，也称 为白化滤波矩阵。根据式( 2 5 ) 得 y = r w b + z ( 2 1 6 ) 上式中形和式( 2 5 ) 中的4 是等效的。 对式( 2 1 6 ) 两边同时乘以( f 7 ) 一，得滤波器输出矢量为： 箩= f w b + n ( 2 1 7 ) 1 4 顾 论文 莲于t u r b 0 编码的迭代多用户检测技术研究 其中形为对角矩阵，形。= w ，( w 为第i 输入能量，假定w 1 w 2 w ) ，刀 为高斯噪声向量，其协方差相关矩阵r ( n ) = 仃2 i 。第k 个用户输出信号为： 箩= e 。石k + 芝最。，而+ 仇 ( 2 1 8 ) j - 1 从式子( 2 1 8 ) 可以看出，第一个最强的用户不含多用户干扰，首先对第一个用 户做判决占l = s g , ( 甄) 。第一个用户对第二个用户产生的多用户干扰为五。m 6 。既 然第一个用户的判决已经知道，我们可以利用其反馈回来估计第二个用户。因此，第 二个用户的判决是兄一只j 6 l 。同理，可以逐步得到k 个用户的判决量。 第k 个用户的判决变量为： 反( f ) = s i g n ( l ( i ) 一e 。，属) ( 2 1 9 ) j 。l 可见，解相关判决反馈检测器首先对接收信号进行线性处理，然后再进行s i c 检 测。线性处理进行部分解相关，避免了对噪声的加强，s i c 可以再根据信号强度递减 顺序进行串行干扰消除。但d f 检测器的难点在于要计算c h o l e s k y 分解和白化矩阵求 逆，而且需要估计接收信号的幅度。 2 4 性能仿真分析 本节主要对解相关多用户检测器，最小均方误差多用户检测器和解相关判决反馈 多用户检测器的性能进行计算机仿真。评价多用户检测算法性能的主要指标有误码 率、渐进有效性、抗远近效应的能力和均衡能量。其中误码率是多用户检测器最重要 的性能评价指标，这里我们主要对误码率性能进行仿真。仿真背景是同步d s c d m a 系统中的a w g n 信道。扩频序列采用长度为7 的g o l d 序列，g o l d 序列的产生框图 如下： 图2 8 长度为7 的g o l d 序列产生结构 硕士论文 基于t u r b o 编码的迂代多用户捡铡技术研究 在同步时钟控制下，将反馈为( 1 5 ) 。的m 序列和反馈为( 1 3 ) 。的m 序列模2 加生成 长度为7 的g o l d 序列。假设有4 个用户，其扩频波形的互相关矩阵 r ：三 7 71 17 31 3 3 33 13 71 17 ，信息比特长度为5 0 0 0 0 。 ( i ) 传统匹配滤波器直接判决和采用m m s e 算法的性能比较 t 叠j j i ；至i j j ! j j i i ；! j 至耄三j 卜一一一j ? 。一：一? ：一一一。1 1 0 - 3 ：! 二= = = ；二二= ；一；= = ：j ! ；i ! ! 乏：；：j ：i ：；i ：i i j ：i j ：；i ! ! ：i i ；：! i ：! ! ! i i ! ! x 、! i j ：二：二：；：二：；：- - ：x 卜：。j 。：? ? 一彤 f ：。i ：? ：1 1 0 4 。j ：i i j j ：一 图2 9 传统多用户检测和m m s e 检测的性能比较 图2 9 中对采用传统匹配滤波器的直接判决法、最小均方误差多用户检测算法和 单用户检测的性能进行了仿真比较。这里假设4 个用户接收功率相等。 从图2 9 可以看出：单用户误码率最低，因为它只有噪声，没有其他用户的干扰。 采用最小均方误差m m s e 多用户检测器要比传统匹配滤波器直接判决要好，而且随 着信噪比增加，性能提高更明显。这说明了多用户检测利用了多个用户间的相关信息， 能在很大程度上降低误码率，提高系统的性能。 ( 2 ) 非等接收功率条件下m m s e 多用户检测算法性能比较 图2 1 0 对各用户非等接收功率条件下采用m m s e 多用户检测算法的性能进行 了仿真。图中弱用户是指其中一个所检测用户的接收功率比其他三个用户功率低 3 d b 。其余仿真条件同( 1 ) 。 1 6 硕士论文 摹