（通信与信息系统专业论文）cdma系统中并行干扰消除（pic）算法研究与仿真分析.pdf

摘要 y8 8 0 0 5 5 码分多址( c d m a ) 是第三代移动通信系统的优选多址方案，c d m a 是一种干扰受限系统，用户扩频码( p n ) 之间不正交特性造成的多址干 扰( m a i ) 限制了系统的性能和容量。本论文对应用于反向链路的并行 干扰消除( p i c ) 多用户检测器进行了研究。重点仿真并分析了各种因素 对p i c 接收性能的影响，如接收机级数、扩频码的互相关特性和信号幅 度等：以及p i c 接收机对检测性能和系统容量的改善作用。 论文首先介绍了直接序列扩频c d m a ( d s c d m a ) 的技术原理和 系统的多用户信道模型。在信息论中对于多用户信道容量的阐述，不仅 表明了c d m a 接入优于所有用户之间正交的接入方式，还揭示了多用户 检测( m u d ) 深刻的理论意义，并对多用户榆测的方法和特点进行了比 较。论文利用p i c 接收各级的用户误码率( b e r ) 的理论推导，从其接 收思想的角度出发，对p i c 的逐级收敛性做出了原理性的分析，并结合 仿真结果给出了典型信道下p i c 接收机的合理级数。然后仿真分析了p i c 接收对扩频码互相关特性和信号幅度的依赖程度。进一步，通过与传统 匹配滤波( m f ) 接收的对比仿真，分析研究了p i c 接收抗多址干扰的能 力和对检测性能与系统容量的改善作用。 关键词：码分多址，多址干扰，多用户检测，并行干扰消除 北京交通人学电，信息= r ：程学院硕二l = 学位论空第j 瓤 c d m a 系统中并行干扰消除( p c ) 算法研究与仿真分析 a b s t r a c t c 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 ) i st h ep r e f e n dn m l t i p l e a c c e s s i j l gm o d eo ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， b u tt h ei n h e r e n tm u l t i p l e a c c e s si n i e r f e r e n c e ( m a db r o u g h ib yp s e u d o n o i s e ( p n ) c o d e1 i m i t si t sp e r f o n n a n c ea n dc 印a c i t * s o ，i nf h i sp 印e lt h ep a m l l e l i n t 盯f c r c ec a n c e l l a t i 彻( p i c ) u s e db e ”e 肌廿1 er c v e r s e1 j n ki nt h em 曲i l e c o m m u n i c a l i o ns y s t e m si ss t l l d i e dt h ee m p h a s e sa r es o m ef a c t o r so fp i c ， s u c ha st h ep m g r e s s i o n 、孙jc o d ea n dm ep o w e ro fs i 印a l ，a n dm e p e r f o m a n c eo f p i cr e c e i v f i r s t l y t h ep 印e rs u m m a r i z e sm ec d m at e c h n i q u e 柚d 廿1 em o d e lo f m u l t i - u s e r s ，i ti sd c s c d b e di nt h ep 印e rt h a tt h em u l t i p l ea c c e s sc h 锄n e i c 印a c i t yp 打n c i p l ei ni n f o 皿a t i o nt h e o r yw ek n o wt h a tc d m a c a nr c a c hm e c a p a c i t yu p p e rb o u n do fm u l n p l ea c c e s sc h a r m e l s om em u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i sv e r yi m p o r c a n ti nc d m ab a s e do nt h et h e o r ya b o u tb i te r r o rr a t e ( b e r ) a n dt 1 1 er e s u l t so fs i m u l a t j o n ，t h ep 印e ra i l a l y s e st h ec o n s t d n g e n 。yo f p i ca 】1 ds u i n m 耐z e st h ep r o g r e s s i o no fp i ci nt y p i c a lc h a n n e l s t h e nm e r e l a t i o n sb e t w e e np nc o d ea n di h ep o w e fo fs i g n a la r es t i 】d i e d f u r t h e c o m p a r e dw “hm a t c h i n g 五l t e ll h ep e r f o r n l 锄c eo f d e t e c t i o n a i 】dt l l ec 印a c i t y o fs v s t e mmp i ca r es t u d i e d 粕ds u m m 撕z e d k e y w o r d s ：c d m a ，m a l ，m u d ，p i c 北京交通大学i n 干信息丁程学院硕l 学位论文第 1 甄 c d m a 系统中并行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 一、绪论 直接序列扩频c d m a ( d s c d m a ) 系统中，将同一频段里所有用 户的信息码采用各自惟。的伪随机码( p n 序列) 扩频后同时发送出去。 在接收端，通过本地提供的p n 序列与接收到的扩频信号进行相关来解 调出各个用户的信息。由于扩频信号与基带信号相比，其带宽要大得多， 使扩频信号具有很强的抗同信道干扰的能力；而且由于所有用户共享同 一带宽，仍可改善频带利用率。当各个用户所用的码字之间不正交或者 备个用户之间并非同步的情况下，如果采用常规的当用户匹配滤波接收 机方法码字之间会产生干扰，对某个用户而言，其他用户的c d m a 信 号表现为噪声，而这些噪声被称为多址干扰( m a i ) 。c d m a 系统是一 种干扰受限的系统，所谓的干扰受限系统指的是系统容量和性能的限制 主要是由于干扰的存在而造成的，就是说，在c d m a 系统中，提高发送 功率并不能够提高系统性能，只有去除其他用户的干扰才能有效地增加 容量和提高性能。因此多用户检测对于提高c d m a 系统的性能和容量具 有重要意义，也是无线通信领域研究的重点和热点。 本章首先对d s c d m a 系统的原理及技术特点进行简要介绍，然后 对d s c d m a 多用户信道进行了三种建模，包括d s c d m a 的多用户同 步信道模型，d s c d m a 的一部扩展多用户信道模型和异步o n e s h o t 多 用户信道模型。这些模型对d s c d m a 系统多用广信道做了很好的描述， 是研究多用户检测理论的基础。绪论最后，阐述了本论文的主要研究内 容和章节安排。本论文所讨论的内容都足基于直接序列扩频( d s s s ) 调制技术，因此以后若不加说明，文中的所提到的c d m a 就是指 d s c d m a 。 北京交通大学i b 了信息丁程学院顺1 ：学位论丘 第1 负 c d m a 系统中并行+ 扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 1 1c d m a 系统的基本原理 直接序列扩频( d s s s ) 是一种特殊的宽带调制方式，其传输带宽b ； 远大于基带信号带宽或比特率r 。即扩频因数占。r 、 1 ，s s 系统使 用如此大的带宽冗余度，旨在有力地克服外来干扰，特别是有意干扰 ( 1 a m m i n g ) 和无线多径衰落。数字扩频多用于无线与卫星数据传输。 由参考文献【1 ，d s s s 系统的调制方法的实现，是将信码与带有白 噪声特性的伪随机( p n ) 序列相乘进行传输，由于p n 序列的“码片” ( c o d ec h i p ) 时宽比信息比特或符号间隔小得多，使得传输带宽较原数 据所需最小带宽大到数百、上千倍以上，称为扩频。这样通过扩展信号 波形的瞬时带宽，使得波形频谱密度降得很低而“类似噪声”；当解扩后， 信号能量可“收聚”为原来信码能量，而干扰能量却被散落在宽带内， h j 能再收聚同来，因此可将t 扰抑制咒l = b 。r 。倍，如图1 - 1 所示。 c ) 解扩衍的信号恢复 幽1 1 扩频调制的原理 北京交通 学i u 了信息工程学院坝l 学位论史帮2 c d m a 系统中并干亍干扰消除( p i c ) 算泣研究与仿真分析 1 2 i 同步多用户倍道模型 由参考文献 3 ，在c d m a 系统中，通过a w g n 信道，k 个用户同 步的发送信号，用户的信道模型如图1 3 所示。 用户1 “( f ) 用户k k ( f ) ( f ) 耳 图1 - 3c d m a 通信系统模型 设小区内共有k 个用户，则使用b p s k 调制的k 个用户到达基站的 信号为： mr ，( f ) = 佤轧( f ) 吒( 卜i t q ) + ”( r ) ( 1 - 2 ) 苴中只和r 。分别为用户七的信号功率和时延在同步c d m a 多用户 系统中f 。= 0 ，即所有用户到达接收湍的时刻是一致的；机( i ) 为用户置 发送的第f 个信息比特，它是脉宽为，的矩形脉冲序列，幅度取值1 ， 信息数据的总长度为2 m + l ；以( f ) 为用户t 的特征波形，即扩频码序列， 码片宽度为i ，码长为j ；，l ( f ) 为功率普密度为帆2 的高斯白噪声。 此处需要对用户的特征波形进一步进行分析，因为特征波形之划的 相关特性，是影响c d m a 系统性能的主要因素。特征波形时限于 o ，邪， 并具有单位能量，即当t 0 ，t 时，s 。( f ) = 0 ，且对于所有的用户均有 北京交通人学l u 丁信息1 一程学院砸h 学位论立第5i c d m a 系统中并行十扰消除( p i c ) 算注研究与仿真分析 用户1 用户2 j _ | j 户3 图l 一6 三用户0 n e s h o t 异步系统模型 系统，但需注意这些用户的码字只足原系统用户码字的一部分。 淦文第二章多用户信道容量进行了理论分析，揭示了多用户检测在 信息论中的重要意义，并对多用户检测的主要方法进行简要介绍。论文 第三章主要介绍p i c 接收机的结构，并在理论卜对p r c 接收各级用户的 b e r 性能进行了分析。在m a c l 曲仿真平台下，第四章对影响p i c 接收性 能的参数进行了仿真分析，通过结果很好说明了这些参数对系统b e r 性 能的影响力。第五章对p i c 的接收性能和系统容量进行了仿真，并对仿 真结果进行了分析。其中在a w g n 信道下采用了同步多用户信道模型； 在多径衰落信道f 则采用的异步信道模型。第六章通过总结前五章的分 析和结果做出了本论文的结论。 北京交通人学 u 了信息t 程学院删i 浩位论直销9m c d m a 系统巾j 亍干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 二、多用户信道理论及多用户检测 本章首先利用信息理论对多用户信道容量进行了理论分析，从而证 明：多用户检测方法是达到更大信道容量的有效途径，适用于c d m a 多 用户系统：基于绪论中给出c d m a 系统的三种用户信道模型，进一步描 述了多用户检测的方法和技术，并分析了每种方法的优点和缺陷，重点 分析了并行干扰消除算法( p i c ) 的特点。 2 1 多用户信道理论及多用户检测的重要意义 移动通信系统是一个多用户系统，由参考文献f 5 知，其用户信息传 输所经过的信道通常都是多个输入和多个输出或者多输入单输出或者单 输八多输出的信道。经典的信息理论研究的都是单输入单输出的单用户 信道，这种信道的容量用一个值c 就可以完全表征，离散信道和连续信 道下的信道容量定义如下： c = m a x 扩( x ；y ) j ( 2 一1 ) j j j c = m a x ，( x ；y ) ( 2 2 ) ， 其中，；】，) 为信源与信源的交互信息最。 由信道容量的定义可以看出，信道容量的大小取扶于信道本身的统 计特性，而与信源无关，它反映的是信道本身的性质和能力。对于蜂窝 通信系统，其上行链路是个多输入单输出的信道( 多元接入信道) ，而 下行链路是一个单输入多输出的信道( 广播信道) ，这种多用户信道的容 量不能用类似单用户信道容量的一个值来表示，通常需要在二维平血或 高维空问内的一个区域来表示，而这个区域的边界就是信道的容量，可 高维空间内的一个区域来表示，向这个区域的边界就是信道的容量，可 北京交通 学1 【i f 信息t 程学院倾学位皓艾第】0 儿 ! ! 坚! 墨丝! 苎笪王些堕堕! ! 里! 苎垦旦坚兰型蔓墨坌堑一 以按香农第二定理理解为：如果各个用户信道传送的信息速率在这个区 域内，那么必然存在一种编码方法，使每个用户信道的信息误码率降到 无穷小。 由于移动用户受到复杂度的限制( 如尺寸、重量) ，多用户检测目d 口 主要用于基站，即应用于c d m a 系统的上行( 反向) 链路a 因此本论文 的研究重点是c d m a 系统的e 行传输问题，所以丰要分析多输入单输出 的多用户信道容量。其信道模型如图2 1 所示a 图2 一l多输入单输出信遒模型 图中阿个编码器分别将两个独立信源u 和的信息符号编成适合 信道传输的信号x 。和也 在输出端译码器将信道输出r 分剐译成c ，、和 6 ：做为信源的估计。设( r ，足) 为可达速率对，由参考文献 5 】可知，所 有可达速率对构成的闭包就是二元接入信道的信道区域容量a 即 c ( 只，b ) = ( r ，r ，) ：o r ，( 爿t ；y ：) o 且：，( 五；】，l 一) r 1 + 冠2 ，( z t x 2 ；y ) ( 2 3 ) 其中，“e ，b ) 是在乘积空间x ，：上，对所有可能的输入概率分布求 得的可达速率对( r ，月：) 的集合；，( ，；r 【：) 为在x ：确知的情况下，将 j 宸嘧! 通学电子信息1 程学院碗+ 学位论文 第1 1 砸 c d m a 系统中并行丁扰消除( p l c ) 算法石j | 究与仿真分析 测器( m m s e m u d ) 等。最优线形检测可以在渐进效率和抗远近效应上 达到最优，但变换矩阵很难求到。解相关检测和m m s e 检测都不能使渐 进效率撮优，但亩j 以达到最优的抗远近效应的能力。 2 、非线性多用户检测 这种接收方法通常采用判决反馈。包括迫零判决反馈检测( z f d f ) 、 串行干扰消除器( s i c ) 和并行干扰消除器( p i c ) 等。 3 、其它方法 包括利用神经网络技术进行最大似然搜索，利用模式匹配进行二分 法解调等等。 2 21 最佳多用户检测器 最佳多用户检测器利用最大似然序列估计( m l s e ) 来联合估计所有 用户。其接收结构是在匹配滤波器组后加上v i t e r b i 算法模块，从接收的 信号中找出最大似然发送序列6 ，这里概率指的是联合后验概率 p r ( r ) 】。因此若系统的用户数为芷，最佳接收研究的主要问题是： 对于同步系统而言，需要从2 种用户信息中找出最大似然序列 矗： 对于异步系统而言，需要从2 “种用户信息中( 发送比特数为) 最大似然序列6 。 由此可见m l s d 接收复杂度与系统的用户数呈指数关系，即为 0 ( 2 ) 。此外，m l s d 接收还必须知道接收信号的幅度和相位，而这些 值并不是先验的，需要估计。届然，晟佳检测器存实际席用中是基本无 法实现的。 北京交通大学电子信息1 搬学院顺l 学位论立第1 5 页 c d m a 系统中井行干扰消除( p 【c ) 算；玄研究与仿真分析 2 2 2 线性多用户检测器 线性多用户检测器是在判决之前对匹配滤波器的输出矩阵进行线性 变换，各用户复杂度只是用户数的线性函数，而性能接近最佳多用户检 测器。下面主要介绍解相关检测器和m m s e 检测器。 1 解相关检测器 由前面多用户信道模型的分析知道，对于五个用户的c d m a 系统， 匹配滤波器的输出的矩阵形式可表示为 y = 胁+ 月 ( 2 一1 1 ) 其中，向量6 、，分别表示数据、噪声和匹配滤波器的个输出， 西= 【乜，6 2 ，k 1 ，月= ，”，h 。 ，j ，= y 。，儿，蜥】t ，矩阵p 是接收 到的各个用户信号功率对应的对角矩阵，矩阵且是用户之间的码字相关 矩阵，在同步系统中胄为足k 阶( 如下表示) ，在异步系统中且要复杂 的多。 卜降 o 瓦 0 o o - i 胄= 1 p i2户i 岛1 1 nk p k lp x 2 解相关检测器是在匹配滤波器输卅后加上线性变换阵上d 。= 霄“模 块，这样检测器的输出为： 6 缸= 月，= p 6 + 曰h ( 2 1 2 ) 对6 * 。进行判决可得到用户信息的估计： 6 = s g n 6 抵】_ s g n m + 胄1 n ( 2 一1 3 ) 北京交通大学i u 了信息t 程学肮倒f 学位论文第1 6 c d m a 系统中升行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 由于使用了码字相关逆矩阵，去除了用户之间的相关性，因此解相 关检测器完全消除了m a i ，它的性能与干扰用户的功率无关。但在解相 关过程中各个用户高斯噪声信号的功率由仃2 变为盯2 矗：，加强了噪声， 当用户间的互相关性较强时，较大的胄：值会使系统性能变差。另外，求 矩阵的计算很难实时实现，对于同步系统，可以应用置臣相关矩阵的 逆一次解出每个用户的1 b i t 信号；对于异步系统，由于它是一个有记忆 系统，且的阶数通常是很大的，处理的复杂度将大大增加。 2m m s e 检测器 解相关检测虽能够完全抑制多用户下扰，但以提高高斯噪声功率为 代价。m m s e 的思想是在抑制干扰和提高噪声功率之间取得折中，其思 想是使接收信号的最小均方误差为最小。m m s e 接收机利用m m s e 准则 得到变换矩阵，然后将匹配滤波器的输出向量乘以变换矩阵得到解调结 果，如 k m s e = ( 置+ 盯2 p 2 ) “ ( 2 - 1 4 ) 利用m m s e 接收机可以将多用户干扰和高斯白噪声转化为m m s e 的残 差，而这种残差的特性更接近高斯白噪声。这种接收机在信噪比低的情 况下，即a 2 o 。时，性能趋近于匹配滤波接收机，在信噪比高的情况下， 趋近于解相关检测器。 由h 面分析可看出，线性检测都需要对矩阵求逆，因此要求c d m a 系统采用短码序列，否则，需要在每个符号周期内重新训算矩阵的逆。 线性检测的优点是每个用户可以单独实现榆测，不需要其他用户的符号 信息，而且不需要知道用f | _ l i 的信号幅度，因此实现复杂度低。 北京交通大学i u 了信息工程学院砸l 一学位论文帮l7 页 c d m a 系统中并行干扰消除( p 1 c ) 算洼研究与仿真分析 2 2 3 非线性多用户检测器 非线性多用户检测基于判决反馈的思想，根据先前解调、判决所得 的( 一个或一组) 用户比特信息，结合估计得到的用户信号功率和相位 对用户信号进行重构，即重新进行扩频调制，将重构出来的这些用户信 号，即对其他用户造成多址干扰的信息，从原接收信号中减去，达到消 除这些用户信息干扰的作用，这样就能获得没有多址干扰的期望用户的 信号，利于此用户的解调和判决。 这类监测器与用来消除i s i 的反馈均衡器类似。在反馈均衡器中， 通过将前一次判决得到的符号反馈回来用以消除i s i 。 1z f d f 检测器 z f d f 方法使用具有解相关功能的前置滤波器经前置滤波器处理 以后的信号有如下特征：噪声为功率不变的高斯白噪声；第女个用户的 信号只受到前缸1 个用户的干扰。后而采用逐级干扰抵消，即第1 个用 户的信号商接判决，然后重构第1 个到第缸1 个用户的干扰信号，从第t 个用户信号中减掉所有十扰用户的信号，最后判决； z f d f 目前是理论上最优的判决反馈检测，但同时具有解相关检测 和串行干扰消除检测的缺点。 2s i c 检测器 串行干扰消除器( s i c ，s u c c e s s i v e n e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 与z f d f 中逐级干扰抵消的思想樊似。s i c 接收机首先根据接收到的各用户信号 功率进行排序，然后按从高到低的次序依次、逐级对各用户信号进行估 计和消除，即先解调判决出功率最强的用户信号比特，结合估计的信号 幅度帛l 相位对此用户信号进行重构，从原始接收信号巾减去重构的信号 后将得到的差信号作为下一级的输入。这样在下级对次最强用户信 北豪空通人学m 了倍。阿丁程学院砌l 学什沦业鞘l8 虹 c d m a 系统中并行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 号解调判决时就去掉了最强的多址干扰分量，接着进行次最强用户信号 的重构，按照上一级相同的方法完成对其造成的多址干扰的消除。依此 类推，直到所有用户信号解调完毕。 由于同等条件下，信号功率越强的用户信号解调得到的比特可靠性 越高。因此在s i c 接收机的结构中，信号功率最强的用户信号最早被解 调出来，他从多址干扰相消中得到的抗多址干扰的好处为零；功率越弱 的用户信号越靠后被解调出来，从这种干扰消除中得到的好处也越大。 s i c 接收的结构简单，计算复杂度小；但其性能很大程度上取决于用 户信号功率分布，如果接收端各用户的信号功率大致相等，其性能提高 很小；另一个缺点是时延太大，每解调一个用户就要延迟一个比特时间， 因此需要在相消用户的数目和系统所能容忍的延时之间权衡。 3 p i c 检测器 并行干扰消除器( p i c ，口a r a l l e li n t e r f h e n c ec a n c e l l a t i o n ) 基本思想是： 首先对各用户的信号做出初始估计，结台用户信号幅度和相位的估计， 重构所有用户的信号( 估计值) ；在进一步检测某用户的信号时，将其他 用户的估计信号作为多址干扰估计从接收信号中扣除，从而得到比较干 净的接收信号。如果干扰估计是完全准确的则多址干扰可以完全消除。 然而在多用户环境下，十分可靠的信号估计是难以得到的，通常可以将 这样的过程进行多次( 多级接收) 。如果接收机某一级的估计足够准确， 就用来可以从判决变量中消除多用户干扰，从而降低下一级的b e r ，因 此多级处理的主要目的是提高系统的b e r 性能。 与s i c 相比，山于在一级中就能对每个用户所有的多址干扰进行消 除，p i c 接收机能够有效地克服多址干扰对系统性能的影响：另外p i c 接收造成的延时由它的级数而非相消得用户的数目决定，因此它的处理 北京交通大学i u 了信息t 程学院硕 学垃论文弗1 9 c d m a 系统中并行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 延时也较小。当级数增加时，系统地延时也会增加，所以实际应用中， 一般采用3 级处理。显然p i c 的这些优势是在增加计算量的代价下获得 的。 在实际的应用中，往往将p i c 接收与其它技术进行结合，如：在p i c 接收中，使用软判决法则的软判决p i c ；使用m m s e 判决函数的m m s e 判决p i c ；利用一组权值来控制抵消的比重，降低前级判决的误差向下 级的扩散的并行干扰加权消除器( p 1 w c ) ；将并行和串行相结合的干扰 对消接收机；与自适应技术相结合的自适应并行干扰对消( a p i c ) 接收 机等。 本论文的研究主要放在多用户条件下p i c 接收的用户b e r 收敛所需 的级数，影响其接收性能的因素以及与匹配滤波接收( 第一级) 相比p i c 接收对c d m a 系统性能和容量的改善能力e 。 北京交通大学ur 信息t 程学院砸，k 学位论殳 第2 0 页 c d m a 系统中并行干扰消除( p j c ) 算法研究仿真分析 三、p i c 接收机结构及b e r 性能分析 论文第二章中简要介绍了p i c 接收的思想及特点，本章在此基础上首 先对p i c 接收机的结构及技术原理进行了详细描述；然后从理论上的推导 出p i c 接收各级的b e r 闭合解析表达式，论证了p i c 接收机用户b e r 的逐 级收敛性，并对这种收敛性做出了原理性的分析。 3 1p l c 接收机结构 由前面p i c 接收方法的基本思路可知，p i c 接收机的结构采用并行 处理和级联方式实现。根据参考文献【4 】，并行干扰消除方法实现的基本 方框图如图3 1 所示： ( 第级) 图3 1p i c 接收机结构 从图中可以看出，在第一级中，每个用户( 设其中一个用户为) 的数据比特通过与该用户匹配的滤波器进行接收，显然对用户女而言， 其他用户的信号在匹配接收的过程中对用户t 的信号估计是一种干扰， 即m a i ；根据p i c 的接收思想，在第二级各个用户的数据匹配接收之前， 用第一级各匹配滤波器的输出作为各个用户首次估计信号，结合用户信 号幅度和相位估计对所有用户的信号进行重构。对用户t 的接收而言， 从总的接收信号中减去所有干扰用户的信号，这样通过匹配滤波就得到 用户i 信号新的估值。如果用户信号的估计足完全准确的则多址丁扰 北京交通人学 “于信息工程学院倾l 学位论文笫2 l 页 c d m a 系统中并行干扰消除( p l c ) 算法研究与仿真分析 可以完全消除，此叫对用户信号的接收就相当于同等条件下单用户系统 的匹配滤波接收。考虑到实际应用中，完全准确的信号的判决和估计是 十分困难的，因此重构后的用户信号与检测器接收到的用户信号之间难 免存在偏差，对m a i 的消除也很难做到完全彻底。一般看来，通过这种 处理后级可以得到正确率更高的解调结果。p i c 接收机其中一级( 图中 为第二级) 的原理框图如图3 2 所示。 图3 2p l c 接收机其中一级 在第一级中，采用匹配滤波接收，出第一章12 1 节分析可得，同步 信道模犁下，用户f 的输出判决变量可表示为： f 一= 4 b + m 4 仇+ q ，f = l ，足 ( 3 1 ) 女；1 t 1 其中，k 为系统用户总数，上标( 1 ) 表示此为第一级变量。r ”匹配滤 波器输出符号，4 为信号幅度( 信号功率) ，岛发送的数据比特，几用 户r 与用户女之间的扩频码互相关值，n ，为高斯白噪声项，其方差为口2 。 m f 输出的数据比特的估计为： 北京交通大学 乱于信息t 程学院顶十学位论文第2 2 页 c d m a 系统中并行十执消除【p j c ) 算法研究与仿真分析 岛= s g n 【一】，扛1 ，k ( 3 2 ) p i c 后一处理级根据前一级的估计值，利用信号的重构达到消除 m a i 的目的，从而提高系统的b e r 性能，由图3 2 第卅级的判决变量 可表示为： k( m 1 ) i = 4 包+ “4 ( 以一机 ) + _ ，f = 1 ，。， ( 3 3 ) = 1 t 相应的解码后的比特可表示为： ( * ) 缸= s 扣 i ” 扛l ，k ( 3 4 ) 前面已经提及，虽然第一缴的用户信号估计值不可能完全精确，但 由于在一定程度l 消除了m a i ，所咀第二级得到的信号估计会比第一级 精确：同样第三级利用更精确的第二级估计值进行m a i 消除，幽此第三 级得到的信号估计会比第二级更精确。因此，一般来讲，p i c 各级的用 户信号接收误码性能逐级改善，这也是p i c 接收机采用多级接收结构的 原因。 但从另一个角度看，p i c 接收机级数的增加，会增加系统延时和接 收机的复杂度，而且更关键的足，通过下一节的理论分析可知，当用户 的概率已经收敛叫，再加入更多的p i c 级，不会使系统接收性能有实质 性的提高。因此在实际的应用中，在各种信道条件下选择合适的p i c 接 收机级数对系统的整体性能甚为重要，电是本论文的研究重点之 。 c d m a 系统多用于无线通信，在实际的无线通信环境中，由于信号 电波在接收天线和发送天线之问的折射和反射而造成多径效应。在这种 多径信道下，接收的信号不但存在着多用户之i 刨的干扰，还存在着时变 的多径信号之间的干扰，因此接i 发机的| 生能比在高斯白噪声信道下要大 大下降。在这种信道下的p 1 c 接收机中，对每个用户每一条可分辨的路 北京变涠大学i u 子信息1 程学院麒l 学位论文笫2 3 负 c d m 系统中井行干扰消】 袅( p i c ) 算法研究与仿真分析 径信号进行匹配滤波接收，并将这个用户所有路径的能量按照一定的规 则进行合并，然后进行判决估计，从而尽可能克服电波多径传播产生的 衰落。有参考文献【9 ，l o 其接收机其中一级的结构如图3 3 所示( 图中 为第二级) ： 匹配滤波器组1 b r a n c n ， b r a n “z e m 曲c ， 匹配滤波器组 je r a n c n -l i e r a n c nz le m m “ l 笙| 3 3 多径衰落信道f 的p i c 接收机结构 图中厶是用户f 可分辨的多径条数。与图3 2 对比可知多径衰落信道 下的p i c 接收帆实质上是在匹配滤波器中加入了用于分集接收的瑞克 ( r a k e ) 接收机。其它部分的结构与高斯白噪声信道f 的p 1 c 接收机 结构( 图3 2 ) 相同。 从第二章芙于多用户检测方法的论述中可以看出，多用广检测研究 的日的就是寻找一个，在实现中，性能和复杂度都可以接受的检测技术 化京交通人学l u 了竹启丁程学院嘲h 学位论卫第2 4m 经干扰消除后的州户信号 c d m a 系统中井行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 应用于实际c d m a 系统中。p i c 接收机这种多阶段消除多用户干扰的结 构具有较好的抗多址干扰的能力；而且由于采用并行结构，p i c 处理的 延迟小。p i c 接收机的算法复杂度也是可以接受的，因此在实际的c d m a 系统中有着很好的应用。 基于判决反馈检测都存在误差扩散的问题，即后级检测的可靠性很 大程度上依赖于前级检测可靠性。在p i c 接收中，如果用户信号比特的 初始判决错误，那么在下一级对这个比特相消的结果是，此比特造成的 多址干扰变为原来的两倍( 假设幅度和相位估计是理想的) ，凶此当信号 的初始判决的误差概率较大时，不能完全利用其结果进行下一级的干扰 消除，进而有文献提出了部分干扰消除算法。就是利用一组权值来控制 抵消的比重，判决可靠性比较低的就不参与抵消了。这种方法能使系统 性能进一步改善，在实际系统中也应用的较多。 3 2p i c 接收的b e r 性能分析 本节p i c 接收机的各级性能进行了理论分析，推导出p i c 的b e r 闭 合解析表达式，为以后的方针分析提供理论依据。为了更好反应p i c 性 能本质，信道模型采用理想的多用户同步信道模型，并假设信道和用户 信号的功率估计足够准确。分析是在高斯自噪声信道下进行。 3 2 i 第一级的b e r ：精确分析 p i c 的第一级足传统的匹配滤波器，经扩频码相关解嗣后，用户f 的数据比特估计可表示为： ( 1 ) h = s g 一 北京交通人学电子信息t 程学院碗l 学位论文帮2 5 c d m a 系统中并行于扰消除( p j c ) 算洼研究与仿真分析 rk _ s 印卜+ 。静4 ”珥j 悖5 ) 用户f 的解码误码率为： p j l k p ( 包p ) = 。乳善，比聊恤峨她加k ) = 一1 ，lk = 一1 1 = p ( 6 f ”b ，以k ) p ( 魄) p ( 6 2 ) p ( k ) = 一1 ，l6 r i 1 壶p ( 包6 ，“i ，也k ) ( 3 删 “一i ，】6 1 1 i 推导过程利用了用户数据比特等概率分布且相互之间独立的这一条件。 由硬判决规则式p ( 岛；b ，如k ) 可表示为 p ( 岛；k ，6 2 k ) 代入式( 3 5 ) 得 p ( 包；，1 k ，6 ，6 。) p ( ；。co l6 i ，6 2 靠) ，包：1 、l 。 ( 3 7 ) p ( r f “ o 慨，也6 ) ，6 f = 一1 f p ( f 4 + m 4 6 ，p ) 6 f = 1 “ ( 3 1 2 ) k p ( 吩 一，一p 。4 ”恼，e ) ，6 f = 一1 = 1 ri = p ( 月， 4 + 珥以4 女p 坤，p p ) ( 3 _ 1 3 ) = i i “i p ( ( 唯 4 + n p 。爿。) ，p 冲) = 1 萧r 上 ( 3 _ p 【o ；l 上式利用了条件概率的性质。由于一1 为向量，因此上式中分母分子均为 联台概率密度。为求出分子，需将分子中的p 变换为与吩有关的表示式： p ( ( 珥 4 + 也丹4 ”) ，e 忡) t z l 女f = p ( ( q 以) ，掣，一。e 碟；，h 碟，月。碟1 6 ) = p ( ( n 丑) 6 ，一。e 硝”畛以。艘她。s 碟她，e 碟| 6 ) ( 3 _ 1 5 ) 其中，正= 4 + 包户。_ 。，碍1 为巧1 确定的空间，由式( 3 8 ) 可得 巾帅) = p ( 屯；护】1 6 ) 北京交通大学i u 干信息工程学院项l 学位论文第2 8 页 c d m a 系统中并行干扰消脒( p i c ) 算法研究与仿真分析 p ( h ， a 一p 斗 1 6 i ) ，6 ，= 一1 1 ，t j ( 注意：此处n 。为第一级接收时判决符号中的高斯白噪声项) 因此确定的区间烈”为 胄“j =c 。彩) ， 鬻魏写 ( 一c 。， + q p 。4 以) ，弓”= o ( 3 。1 6 ) 对于p ( ( q 正) 1 6 ) 结合h 式可得r j l l _ ( 4 + 包p 。4 ，。) ，因此式 = l ( 3 1 6 ) 可表示为单位体积上高斯概率密度函数，( ”，k ) 的维积分 因此结合式( 3 1 5 ) 和( 3 1 6 ) ，式( 3 1 1 ) 中 j d ( 6 。护1 k e j l ，) p 他e = 古f m p ( 西，f ) 北京交通大学| u 子信息工程学院袱l 学位渔业第2 9 页 k d 戽 p 。m 6+爿 p = 业 扣 矸k h 懒 醚 州 骨 ， 缎o觥 c d m a 系统中并行十扰消除( p i c ) 算注研究与仿真j 析 其中ty 为只”月：空间的交集，将上式代入式( 3 1 1 ) 中即可得p j ”。 3 2 3 从广1 到级的b e r ：近似分析 p i c 第一级b e r 分析得到的表达式包含体积上联合概率密度函数的 维积分，由此推出的后续级的分析会更复杂，凼此本节推导第，缴的 b e r 采用近似分析，将其表示为第- 1 级b e r 的函数。 在第级中，用户f 的接收错误概率可表示为 p 一：p ( 扣，；岛) ：芝p ( 秘，；岛k ) p ( e ) ( 3 _ 1 9 ) 其中，2 “1 个事件瓯定义为 e ，m = 1 ，2 ，2 “ = 苦1 ( “。6 ，如i h h 。包。 “i ，；m 1 “f6 z ) ( 3 2 0 ) 式中“+ 。”表示“= ”或“”。假设第1 级中对世个用户的判决是独 立的则 p ( ) = p ( ；。川+ 6 ) p ( ；h 川+ ，6 h ) p ( ；h ( h 】+ 6 。，) 芦( ；k 川h r6 。) ( 3 _ 2 1 ) 当= l ，p 1 ，f + 1 ，世时 t m = 。，乏蒙i z z ， 假设第，一1 绂中用户的错误概率很小，可将式( 3 一1 9 ) 近似进行简化 k p ( 1 一1 ) 一+ 1 a 。，待l ，世 ( 3 2 3 ) t = l t 1 “ 北柬交通人学l 予竹息丁程学院硕l - 学位论史第3 0 “ c d m a 系统中井干：】：十扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 略了k 个用户判决相互独立的假设条件) ： = p ( ；) ；缸”= ”，甜h l = 一+ 褂h ) = ，珈= 6 ) = p ( s g n d ，6 j + 仉 6 i ；，叫：6 ，；h h = 6 ， ”“：乜。，；。( “，：6 。) a p ( s g n 4 q + n f 】包) = q ( 一仃) ( 3 2 4 ) 瑾。= p ( ；，h ；臣l 。- 叫= 乜，占。( ，_ ， 甜一，= 包+ 如t 一= 6 f + l ，；。”：6 。) = p ( s g n 4 包+ p 。爿。( 6 。一；t j 山) + _ 】6 。l ；- ( j 叫= 6 ， 秘1 ；良，甜一；包。“一，：，；。”：6 。) “j d ( s g n 【4 包+ j 4 ( 以一0 i ，1 ) + 吩 4 ) = j q ( ( 4 2j 4 ) 口) + ：q ( ( 4 + 2 p 。4 ) a ) ( 3 2 5 ) 将以上两式代入( 2 一1 8 ) 可得p j ”关于p j ”的表达式： p ? = 却+ “ ( 3 2 6 ) 其巾，= p ”，锣 7 ，n = q ( 爿盯) ，9 ( 4 。盯) 7 ，正x 维矩阵一 fo= 七 一( f ，七) = q ( ( 4 2j 。n 爿 ) 盯) 2 + q ( ( 4 + 2 p * 爿i ) 盯) 2 ( 3 2 7 ) 卜- q ( 4 ，d ) o 腑p ， c d m a 系统中并行干扰消际( p i c ) 算法研究仿真分析 由于采用了近似，由公式( 3 2 6 ) 得到的误码概率可能为负，这种情 况只有在上一级某特定用户的错误概率非常接近。时才发生。此式还 表明，当用户的b e r 已经收敛时，再加入更多的p i c 级，小会使误码性 能有实质性提高。 从p i c 的接收机结构可知，p i c 接收能逐级改善用户信号的接收性能， 是由于其对用户信号的m a i 越来越精确的消除。因此随着p i c 级数的增 加，其误码一陛能会趋近于( 收敛于) 同等条件下单用户系统匹配滤波接 收的性能。p i c 接收的这种逐级收敛性，是我们在实际应用中根据信道 具体特征，选用合适的接收机级数的原因和理论依据。下一章将通过仿 真来确定典型信道中p i c 接收机所需的级数。 北京交通大学【u 了信息t 程学院砸j ：学位论文第3 2v c d m a 系统中并行干扰消除( p i c ) 算法研究与仿真分析 四、影响p ig 接收性能的主要参数 本章根据r 一章描述的p i c 接收机原理结合第二章建立的用户模 型，仿真并分析了多用户c d m a 系统平台下，p i c 级数和扩频码的瓦相 关特性这两个参数对p i c 接收性能的影响。其中a w g n 信道下的仿真基 于同步多用户信道模型，多径衰落信道下的仿真基于异步多用户信道模 型。仿真结果不仅表明p i c 接收机对用户的接收性能有很好的改善作削， 而且还验证了上一章关于p i c 多级接收的收敛性结论。通过仿真结果的 分析还可以得出了：在b e r 收敛的情况下，p i c 接收机的总体性能更多 的依赖于用户信号的幅度。 4 1p i c 级数对p i c 接收性能的影响 论文3 2 节推导出p i c 接收各级用户b e r 的闭合解析表达式并对其 收敛性做出理论推论。本节根据前三章的关于多用户信道模型和p i c 接 收机结构的揣述，采用具有五级结构的p i c 接收机，分别在高斯白噪声 ( a w g n ) 信道和多径衰落信道下建立仿真模型，对p i c 的接收性能进 行了m a t l a b 仿真。通过仿真得出了理想功率控制和非理想功率控制下 p i c 接收的用户b e r 和p i c 级数的关系曲线，结合理论推论对仿真结果 进行r 分析。 4 1l a w g n 信道下仿真与分析 a w g n 信道下的仿真基于同步多用户信道模型，考虑用户数为厍= 8 的d s c d 眦系统，用户的信息采用相t 的b p s k 调制和解调，发送端采用 北京交通人学l n 于信息丁程学院琐l 学位睦立鞯乃砸 c d m a 系统中并行干扰消除( p