（通信与信息系统专业论文）dscdma多用户检测.pdf

昆明理 t 大学硕士研究生毕业论文 摘要 在c d m a 系统中，多址干扰是影响系统性能和容量的重要因素之一。多用户 检测是一种从接收端的设计入手的干扰抑制方法，它要解决的问题是：如何从相 互干扰的数字信息序列中可靠地解调出某个特定或全部用户的信息。多用户检测 技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多 个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除m a i 的影 响，从而改善系统性能，增大系统容量。 本文从移动通信的发展历程角度介绍了c d m a 技术出现的背景和期望解决的 实际问题。从d s c d m a 的优势和存在的问题出发，引出了多用户检测的必要 性。对扩频通信系统原理、主要参数以及广泛使用的g o l d 序列做了详细的阐述， 在此基础上，给出了d s c d m a 系统数学模型，着重研究了同步、异步传输信道 下d s c d m a 系统接收信号的矩阵表达式i 理论分析了传统匹配滤波器组检测的 误码率性能。在此基础上，结合多用户检测器的基本模型，对多用户检测算法中 的最佳多用户检测，线性多用户检测算法中的解相关、m m s e 检测的原理、特 点、性能进行了分析。对非线性多用户检测中的常见算法中的s i c 、p i c 以及改 进型p i c 检测进行了介绍。最后，对线性多用户检测器的近似算法一一扩展多项 式( p e ) 检测进行了理论分析并仿真。 关键字：多用户检测多址干扰解相关检测m m s e 检测 多项式扩展检测 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i nc d m a s y s t e m ，m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c ei sn i l eo f t h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h es y s t e m a t i c p e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t y m u l t i - u s e rd e t e c t i o ns u p p r e s s i n gt h ei n t e r f e r e n c e sa tt h er e c e i v e r t h ep r o b l e m t h a ti ts h o u l ds o l v ei s ：h o wd e m o d u l a t et h eb i ti n f o r m a t i o nr e l i a b l yo f s o m es p e c i f i cu s e ro ra l lo f t h eu s e r s f r o md i g i t a lb i t ss e q u e n c et h a ti n t e r f e r ew i t he a c ho t h e nm u l t i u s e r sd e t e c t i o nt e c h n i q u ec a n c e lt h e m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e se f f e c t i v e l yb y j o i n td e t e c t i o no rs u b t r a c tt h em a if r o mt h er e c e i v i n gs i g n a l a c c o r d i n g t o t h ek n o w l e 姑eo f s e q u e n c e so f a l lu s e r s b a s i n go n t r a d i t i o n a l d e t e c t i o no f f i l t e r b a n k t h u s i t c a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e ma n di n c r e a s e sc a p a c i t yo ft h es y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea r i s e nb a c k g r o u n do f c d m a ，t h ep r o b l e mt ob es o l v i n gi nt e r m so f t h e d e v e l o p i n gc o u r s eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n dp r e s e n t st h en e c e s s i t yo f m u l t i 。u s e rd e t e c t i o nb ya n a l y s i s t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t h ed s c d m as y s t e m a l s o ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h e p r i n c i p l e ，m a i np a r a m e t e ri nc d m a s y s t e ma n dg o l ds e q u e n c eu s e di ns p r e a d i n gs p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rp r o v i d i n gt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f d s c d m as y s t e m ，p a r t i c u l a r l yt h e m a t r i xf o r m u l ao f t h er e c e i v i n gs i g n a l si ns y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sc h a n n e l s ，g i v i n gat h e o r ya n a l y s i s o f t h ep e r f o r m a n c eo f e r r o rb i tr a t ei nt r a d i t i o n a ld e t e c t i o no f f i l t e rb a n k b a s i n go na b o v ea n a l y s i s ，t h ep a p e rp r e s e n tt h eb a s i cm o d e l o f m u l t i - u s e r sd e t e c t i o n ，t h ep r i n c i p l e ，t h e c h a r a c t e ra n dt h ep e r f o r m a n c ei nt h eo p t i m a lm u l t i u s e ra l g o r i t h ma n dl i n e a rm u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m i n c l u d i n gt h ed e e o r r e l a t o ra n dt h em m s e a l s o t h i sp a p e rp r e s e n tai n t r o d u c t i o nt os i c ，p i ca n di m p r o v e d p i cd e t e c t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rp r e s e n tap o l y n o m i a l e x p a n s i o nl i n e a rd e t e c t o ri nt h e o r ya n dg i v i n ga s i m u l a t i o n k e y w o r d ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c e ，d e c o r r e l a t o rd e t e c t i o n ，m m s e d e t e c t i o n ， p o l y n o m i a l e x p a n s i o nd e t e c t i o n i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刻卫汲 日 期：劲吁年弓月4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：互盔! 虫迄论文作者签名：量0 盈迭 昆咧理工大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统 1 1 1 移动通信发展历程 移动通信从模拟调制到数字调制技术发展演进过程中，移动通信的发 展经历了第一代模拟系统、第二代数字系统，现正向第三代多媒体系统 发展。第一代模拟系统采用频分多址( f d m a ) 模拟调制技术。该系统由 于技术落后，标准不统一，使用中话音质量差，漫游范围有限，现已趋 于淘汰。第二代移动通信系统( 2 g ) 是以数字无线电技术为特征的数字 蜂窝移动通信系统，采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字 调制方式，产生于8 0 年代中叶。数字蜂窝系统在许多方面都优于第一代 模拟系统，最引人注意的方面是能够更有效的利用无线频谱，从而提高 系统容量。另一个优点是数字传输不仅可以使话音而且可以使数据通过 无线频谱传送，因而可以支持短消息服务( s m s ) 和电予函件之类的很多 应用，并且在增强话音和数据传输的保密性上进一步加强。所有这些都 得益于数字技术的快速发展并广泛应用于程控交换、传输等移动通信领 域，使得第二代移动通信系统从模拟移动通信系统的频分多址( f d m a ) 转化为数字化的时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。随着移动通信用 户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，要求第三代移动通信系统 i t u 一2 0 0 0 能够提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能够提供 2 m b i t s 的数据业务，满足人们对多媒体通信的要求，并适应通信个人化 的发展方向。第三代数字通信系统主要候选方案是北美的c d m a 2 0 0 0 系统、 欧洲的w c d m a 系统以及中国的t d s c d m a 系统。它们都是建立在码分多址 ( c d m a ) 技术基础上，c d m a 数字移动通信系统以其频率规划简单、系统 容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点 昆明理工文学硕士研究生毕业论文 显示出巨大的发展潜力，被广泛接受为第三代移动通信系统的重要技术。 1 1 2 第三代移动通信特点 国际电讯联盟( i t u ) 主要吸取了各大移动通信企业及标准化组织的 意见，提出第三代移动通信系统的目标，其要点如下： ( 1 ) 全球化：多种环境，多种技术，统一频率，统一标准。 ( 2 ) 综合化：话音、宽带数据、多媒体多种业务综合，适应信息化社 会发展需要。 ( 3 ) 个人化：支持u p t ( u n i ve r s a lp e r s 0 n a lt e le c o m m u n ic a t i0 1 3 ) ， 足够容量潜力和多种用户管理能力。 按i t u 总目标，第三代移动通信系统有如下特点： ( 1 ) 提供高速率和多种速率支持多种业务，能支持从话音到分组数据 到多媒体业务，特别是in t e l n e t ，应能根据需要来提供必要的带宽。其 最低无线传输要求是： 快速移动环境：最高速率达1 1 4 k b s 步行环境：最高速率达3 8 4 k b s 室内环境：最高速率达2 m b s ( 2 ) 全球覆盖及全球无缝漫游、全球使用共用频段( 1 8 8 5 2 0 25 t d h z ， 2 110 2 2 0 0 m h z ) 。不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一 致，但要求在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调。 ( 3 ) 高频谱效率。 ( 4 ) 高服务质量。 ( 5 ) 低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。 1 1 3 第三代移动通信系统关键技术 为了解决3 g 系统所必须面对的主要问题，各国学者进行了广泛而深入 的研究，发展并创新了许多关键技术1 。这些技术有的已被3 g 系统采用， 有的还在进一步研究之中。 ( 1 ) 多址技术：多址接入方式包括时分多址、频分多址、码分多址和 空分多址等。自九十年代以来，伴随ib i t 2 0 0 0 标准化工作的进行，第三 代移动通信系统理想目标是有极大的系统容量、极好的通信质量和极高 的频谱利用率，这需要克服多径衰落，时延扩展，多址干扰，为了解决 2 昆明理工人学硕士研究生毕业论文 好这三方面的因数，就需要选择合适的多址接入方式并结合现代数字信 号处理技术达到这一目标。这里所指的多址技术包括两方面的含义： 是指c d m a 系统中地址码的研究；二是指各种多址协议的进一步研究。 ( 2 ) 信道编码和交织：为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织 是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码。 通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的 纠锚能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。对于衰 落信道中的突发干扰，可以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用 信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。编码和交织都极大地依 赖于信道的特征和业务的需求。不仅对于业务信道和控制信道采用不同 的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和 交织技术。 ( 3 ) 功率控制：功率控制技术是解决远近效应的有效方法。在上行链 路，为了克服宽带c d m a 系统的远近效应，需要动态范围达b o d b 的功率 控制。上行链路功率控制方式分开环控制和闭环控制两种，闭环功率控 制包括内环功控和外环功控。开环功率控制主要用来克服距离衰减，闭 环功率控制用于克服多普勒效应产生的衰落，以此保证基站接收到的所 有移动台信号具有相同的功率。 ( 4 ) 智能天线：智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形 成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节 各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，达到 增强所需信号，抑制干扰信号的目的。智能天线也可以用空分复用s d m a 的概念加以解释，就是利用信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙 的信号区分开来，从而达到成倍地增加通信系统容量的目的。 ( 5 ) 多用户检测：通信系统中的传统检测器都是单用户检测器，它将 所需用户的信号当作有用信号，而将其他用户的信号都作为干扰信号对 待。但从信息论的角度看，c o m a 系统是1 种多输入、多输出的信道。多 用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是干 扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的扩频码、幅度、定时 和延迟等信息，从而大幅度地降低多址干扰。目前，主要有两种基本的 方法来实现多用户检测：一是线性检测法? 它的基本想法1 是通过线性变 换来消除不问用户间的相关性，使得送入每个用户检测器的信号只与自 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 己的信号相关；二是干扰消除检测器，它在送入匹配滤波器输入端的信 号中减去本地估计出的来自其他用户的多址干扰，从而消除多址干扰。 ( 6 ) 切换技术：出于移动通信系统采用蜂窝结构，所以，移动台在跨 越空间上划分的小区时，必然要进行越区切换，即完成移动台到基站、 基站到网入口和网入口到交换中心的相应的转移。在第一和第二代移动 通信系统中都采用越区硬切换方式，硬切换使通信容易中断。3 g 系统在 使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以与两 个小区的基站同时接通，只相应改变扩频码，即可做到“先接通再断开” 的交换功能，从而大大改善了切换时的通话质量。 ( 7 ) 信道结构及上层协议信令：3 g 系统的用户巨大，且要实现全球范 围的漫游，那么各种资源的管理控制必然十分复杂和庞大，这就要求信 道结构合理，各种协议信令丰富完善。3 g 系统的无线空中接口将采用分 层结构及协议，这些协议包括用户平面、控制平面和信令。比如：呼叫 控制、移动性管理、无线载波控制、无线资源控制等。 ( 8 ) 软件无线电：软件无线电是对无线传输系统的革命，它被称为 “无线电世界的个人计算机”。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天 线的地方使用a d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软 件来定义无线电的功能。这样利用一个统一的平台，通过软件生成g s m 、 i s 一95 、i m t 2 0 0 0 等不同体制的终端，并且可以适应未来技术的发展。它 与宽带综合业务网的基础传输模式一样能适应未来业务的发展，并与软 件定义的电信信息网络的发展相一致。 1 2 o s c d m a 的优势及其存在问题 c d m a 是近年来来数字蜂窝移动通信系统中的一种先进的无线扩频通信 技术。它能够满足高容量、廉价、高效移动通信的需求。扩频通信可以 采用直接扩频、跳频、跳时以及组合等方式来扩展频谱。在c d m a 系统中， 不同用户传输信号通过不同的编码序列来区分。这些编码序列是大型的 伪噪声序列，将频谱扩展到很大的带宽，同时也降低了信号的频谱密度， 如果从时域或频域观察，多个c d m a 信号是互相重叠的，不同的c d m a 信 号占据相同的带宽，彼此看起来是随机噪声。纵观移动通信的发展，可 以看出，第三代移动通信系统的最主要技术之一便是c d m a 技术的应用。 4 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 跳频方式在军事上广泛应用，在商业蜂窝通信系统中很少采用。在移动 通信及个人通信网中，一般采用直接扩频码分多址( d s c i ) m a ) 。与其他多 址方式相比，d s c d m a 技术具有以下的明显优势： ( 1 ) 通信容量大：根据s h o 1 q n o f l 理论，信道的容量完全由信道特性决 定，但实际中，系统很难达到理想情况，不同的多址方式将有不矧的通 信容量，理论分析表明，相同条件下，采用d s c i ) m a 方式的小区容量是 采用数字t d m a 或f d m a 方式容量的4 6 倍，是采用模拟f u f d m a 方式容 量的2 0 倍。 ( 2 ) 可以与视距微波通信共享一个频段：在d s c d m a 系统中，信号经 扩频处理后，单位频带内的功率已经很小，故对于窄带用户的干扰很小。 同时考虑到微波视距传输的特点：波束方向性好、收发端远高于地平面， 所以，两个系统可以共享一个频段，而不至于造成明显的相互干扰。 ( 3 ) 能充分利用话音的统计特性：d s c d m a 是一个干扰受限系统， 任何消除或减少干扰的方法都或接转化为系统容量的提高，大量的统计 表明，人们在通话过程中，约有5 8 的时间处于听状态，而3 8 的时间在讲 话，如果采用间断传输技术，则在系统中的多址干扰可以减少一半以上， 从而提高了系统容量。 ( 4 ) 更适合在衰落信道中传输：信道中的快衰落主要是由于多径传输 引起，当同一信号经不同的路径到达接收端，由于各路信号的相位、时 延以及强度的随机变化，严重地影响了传输的可靠性。在d s c d m a 系统 中，当多径延时大于一个码片间隔时，多径信号间的相关性很小，从而 对系统性能影响很小。 ( 5 ) 平滑的越区切换和有效的宏分集：d s c d m a 系统中所有小区使用 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完成。当 移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送 相同信号，移动台的分集接收机能同时接收、合并这些信号，此时，处 于宏分集状态，当某基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台 才切换到该基站控制上去，这种切换可以平滑完成，成为软切换。 ( 6 ) 信道容量的软特性：在t d m a 系统中，系统中可以同时使用的用 户数是固定的，易发生容量硬阻塞，而在d s c d m a 系统中，新增用户只 会使通信质量略有下降，不会发生硬阻塞。 ( 7 ) 低的信号功率谱密度：d s c d m a 系统中，信号功率被扩展到比自 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 身频带宽度大很多的频带范围内，其功率谱密度大为降低。除此之外， d s c d m a 系统还有不需要时问保护间隔、不需复杂的频谱管理、便于从模 拟方式向数字方式过渡等优点，这些优点使d s c d m a 成为新一代通信系 统以及未来个人通信系统中最具竞争力、最具有前景的无线多址技术。 由于d s c d l i i a 系统使用的扩频码集中的扩频码一般并非完全正交，非 零的互相关系数将会引起各用户相互干扰，在异步传输信道以及多径传 播环境中，多址干扰将更加严重并带来两个方面的问题： ( 1 ) 系统容量受到限制：随着同时接入系统中的用户数量的增加，误 码率增加，因此，减少干扰将增加系统容量。 ( 2 ) “远一近”效应严重影响系统性能：由于移动用户的位置不断的 变化以及深衰落的存在，基站接收到的各个用户信号功率可能相差很大， 强信号对弱信号有明显的抑制，弱信号的接收性能很差甚至没法通信。 1 3 多用户检测技术 1 3 1 多用户检测引入的必要性 在第三代移动通信系统中，c d m a 接入方式的不足之处在于它是一个白 干扰系统，如果c d m a 系统中分配到各用户的地址码没有严格正交，则会 引起用户之间的相互干扰，称为多址干扰m a i ( m u lt i p l eh c c e ss i n t o r f e r e n c e ) 。随着用户数量的增多，m a i 的增大，用户的误码率性能 会变差。另一方面，移动用户的位置不断变化及深度衰落的存在，强功 率用户的信号会抑制弱功率用户的信号，系统性能严重恶化，即所谓的 “远近效应”。目前，c d m a 系统缓解m a i 的主要手段是采用严格的功率控 制技术。这种技术只能在定程度上控制远近效应，却不能从根本上消 除m a i 影响，因而对系统容量的提高有限。 随着c d m a 系统商用步伐的加快，抑制m a i 和远近效应以提高系统的性 能，增加容量，是十分迫切的要求。解决的办法主要有利用智能天线进 行空间滤波、功率控制以及多用户检测( m u d ) 技术。 多用户检测( m u d ) 是最新发展起来的用以消除多址干扰的技术，又称 为联合检测或干扰抑制方法。t 它+ 对各用户做联合检测或从接收信号中减 去相互干扰，有效消除多址干扰，以缓解远近效应问题，可以明显改善 6 一垦坚三查兰堡主墅塑生望些堕兰 身频带宽度大很多的频带范围内，其功率谱密度大为降低。除此之外， d s c d m a 系统还有不需要时间保护间隔、不需复杂的频谱管理、便于从模 拟方式向数字方式过渡等优点，这些优点使d s c d m a 成为新一代通信系 统以及未来个人通信系统中晟具竞争力、最具有前景的无线多址技术。 由于d s c d m a 系统使用的扩频码集中的扩频码一般并非完全正交。非 零的互相关系数将会引起各用户相互干扰，在异步传输信道以及多径传 播环境中，多址十扰将更加严重并带来两个方面的问题： ( 1 ) 系统容量受到限制：随着同时接入系统中的用户数量的增加，误 码率增加，因此，减少干扰将增加系统容量。 ( 2 ) “远近”效应严重影响系统性能：由于移动用户的位置不断的 变化以及深衰落的存在，基站接收到的各个用户信号功率可能相差很大， 强信号对弱信号有明显的抑制，弱信号的接收性能很差甚至投法通信。 1 3 多用户检测技术 1 3 1 多用户检测引入的必要性 在第三代移动通信系统中，c d m a 接八方式的不足之处在于它是一个自 干扰系统，如果c d m a 系统中分配到各用户的地址码没有严格正交，则会 引起用户之间的相互干扰，称为多址干扰g a l ( m a l t i p l ea c c ess in te i f ez e nc e ) 。随着用户数量的增多，m a l 的增大，用户的误码率性能 会变差。另一方面，移动用户的位置不断变化及深度衰落的存在，强功 率刷户的信号会抑制弱功率用户的信号，系统性能严重恶化，即所谓的 “远近效应”。目前，c b l d a 系统缓解k l a i 的主要手段是采用严格的功率控 制技术。这种技术只能在一定程度上控制远近效应，却不能从根本上消 除m a i 影响，因而对系统容量的提高有限。 随着c d m a 系统商用步伐的加快，抑制m a i 和远近效应以提高系统的性 能，增加容量，是十分迫切的要求。解决的办法主要有利用智能天线进 行空间滤波、功率控制以及多用户检测( m u d ) 技术。 多用户检测( m u d ) 是最新发展起来的用以消除多址干扰的技术，又称 为联合检测或干扰抑制方法。，它尉各用户做联台检测或从接收信号中减 去相互干扰，有效消除多址干扰，以缓解远近效应问题，可以明显改善 去相互干扰，有效消除多址干扰，以缓解远近效应问题，可以明显改善 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 系统性能，提高c d m a 系统容量。传统的c d m a 检测器分别对每个用户进 行扩频码的相关运算，这种做法没有考虑m a i 和普通自噪声的差异。m u d 则充分利用各个用户的扩频序列、时延、幅度和相位信息对各用户进行 联合检测，从总体上提高各个甩户的性能。它解决了远近效应闯题、降 低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频 谱资源，显著增加系统容量。m u d 技术可有效解决3 g 中的系统容量问题， 因此它已成为3 g 的关键技术之一，愈来愈受学术界和产业界的重视，得 到入们的广泛关注。 在强前可实现性的前提下，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 通信系统的容量受多址干扰的约束，c d m a 优越的结论一般是针对采用功率控制方法抗多址干扰的c d m a 系统。功率 控制方法抗多址干扰是一种原始的、简单的抗多址干扰方法，如果采用 多用户检测技术抗多址干扰。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 间。另一方面，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，c d m a 通信设备对环境 的影响将更绿色化。 ( 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 3 2 多用户检测的研究概况 多用户检测概念最早于】9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出；1 9 8 3 年k 0 h n oe t a 1 发表了多接入干扰消除接收器的研究；1 9 8 4 年v e r d u 提议并分析了最优 化多用户检测器和最大序列检测器，最佳多用户检测由匹配滤波和 v i t e rb i 译码算法组成，具有优异的性能，但由于其运算复杂度随用户数 指数增加，实际上是无法实时实现的。现阶段对于多用户检测的研究主 要是次最佳多用户检测研究，旨在简化多用户检测器的结构，而性能又 接近于最佳多用户检测。 经过2 0 余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法的研究已十分 广泛和具体。根据上面多用户检测的定义，在不同的准则下。多用户检 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 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。 1 3 3 主要的多用户检测方法简介1 ( 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，19 8 6 年由 ve r d u 提出。该算法的复杂度随着用户数成指数增加，从目前器件的经济 可实现性来看，当用户数量较大时，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解相关法( d e c o r r e l a t o r ) 和最小均方估计法 ( m m s e ) 。解相关法及m m s e 法的复杂度均随用户数线性增长，其中解相 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解相关法，但解相关法对信道 噪声有放大作用，m m s e 法则没有。当信噪比较大时，使用解相关法较好； 当信噪比较小时，易于使用m m s e 法。 从本质上看，解相关法及m m s e 法均霰对互相关矩阵求逆，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 y 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， 从而化简矩阵求逆的复杂度。 ( 3 ) 非线性准最优多用户检测法 由于常规线性多用户检测法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考 虑的检测算法研究方向主要集中于简化的线性多用户检测算法以及非线 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 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消除( p i c ) 算法。若每一级的每个用户，根据信 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 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 串行干扰消除( s i c ) 算法。当然，每一级各用户均可以采用解相关枪测、 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，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，判决反馈法将多级型方法采用循环 的方式来完成检测，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_ ；贝| l 算法比多级型算法需要更多的存储 空间。 1 3 4 多用户检测方法的应用前景 虽然在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等无线传输技术( r t t ) 方案中没有采用多 用户检测技术，但均表示将适应技术的发展，以后支持该技术。大唐电 信提出的t d s c d m a 决定采用m u d 方案。制约m u d 商用的主要因素是复杂 度高。m u d 花费在硬件上的代价可能大于采用m u d 获取的系统性能和容量 上的收益，这使得目前的c o m a 系统( 如i s 一9 5 ) 情愿依靠其他技术( 功 率控制) 来减小远近效应和提高系统性能。 在众多用户检测方案中，最有希望进入商用的有两种： ( 1 ) 多项式扩展( p e ) 检测近似i m s e 或解相关的线性精u d 方案，因 其良好的克服 f a i 的能力和较低的复杂度，具有较强的吸引力。 ( 2 ) p i c 或其改进型( 如部分p i c ) ，其优势是复杂性最小，已有研究 表明，配合以良好的功率控制，p i c 的第二级和第三级性能大致相同，即 p i c 只需两级便可。当然，m u d 的应用预计还只是在基站，用于移动台的 时机还不成熟。 1 4 本文研究的主要内容 在导师的指导下，针对d s c d m a 系统多用户检测算法进行了研究查 阅了大量中外文期刊、学术论文，在把握国内外关于多用户检测研究动 态的基础上，对常见多用户检测算法思想进行了理论分析以及m a t i a b 仿 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 真实现。具体阐述如下： 第一章：从移动通信的发展历程角度分析介绍了c d m a 技术出现的背景 和期望解决的实际问题。从d s c d m a 的优势和存在的问题出发，引出了 多用户检测的必要性。 第二章：对d s c d m a 系统原理及g o l d 扩频序列的产生进行了理论阐述， 为解决多用户检测算法问题，给出了d s c d m a 系统模型。并理论分析了 传统匹配滤波器组检测的性能。 第三章：简单介绍了非线性多用户检测算法，对常见多用户检测线性 检测算法中的解相关和m m s e 检测算法原理进行了分析，并给出了仿真实 验结果。最后重点研究了一种线性多用户检测的近似实现一一多项式扩 展检测，并给出了相应的仿真结果。 1 0 昆明理工大学硕十研究生毕业论文 第二章c d b a 系统模型 2 1 扩频通信原理及扩频码 2 1 1 扩频通信的理论基础 理论一：信息论中有关信遁答量的s h a n n o n 公式 c = w l 0 9 2 ( 1 + 二) p ( 2 - 1 ) v 假定信息传输速率c 不变，由于对数函数是增函数，当频带矽下降时， 可以通过增加信噪比万p 来使信息传输速率不变。当带宽增大时，我们可 n 以在信噪比毛下降的情况下获得相应传输速率。因此，带宽和信噪比是 可以互换的。 理论二：柯捷尔尼可夫的潜在抗干扰性理论，得到关于信息差错概率的 公式 小，费 ( 2 2 ) 返r 公瓦亍u 出，左锚戳毕厶，是雕萤e 与噪户即功翠谐镒发n o z 比 的函数。设信号频带带宽为矿，信息持续时间为丁，信号功率为尸= 事， 噪声功率= 删。，信息带宽为竹= 寺，则上式可以化为 跏，专删h 曝秽w ( 2 - 3 ) 因此，差错概率民。是信噪比与带宽乘积的函数。同样可以在信噪比昙 下降的情况下通过增大带宽获得相应的错误概率。 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 2 1 2 扩频系统的基本参数 反映扩频系统的基本参数是扩频增益g 。扩频增益定义为频谱扩展后 的带宽b ：与频谱扩展前的信号带宽甄之比1 。 g = 兰( 2 4 ) 占l 扩频增益有重要的意义，假设足个通信用户用各自不同的伪随机编码 调制信息数据发射，某接收机接收其中第一个通信用户的信息，为了方 便，假设接收信号、噪声、外部干扰在整个工作频率内都是均匀分布的， 那么，扩频增益g 在通信系统中作用如下： ( 1 ) 各通信用户等接收功率的情况 假设p 为我们接收到的第一个通信用户发来的信号平均功率，信号带 宽为b ：，则平均功率谱密度为去。其中，第一个通信用户发来的信号是 有用信号，其他( k 1 ) 个用户发来的信号是不需要的干扰。这些干扰信号 的平均功率谱密度是( k f - 1 ) p 。设n o 为带宽b 2 内的噪声和其他外部干扰的 d 2 功率谱密度。因此，接收第一个信号的输入信噪比为 ( - 导) j ”p 罕b 2 5 赤南 接收机扩频解调后，能够在带宽b 内获得全部该通信用户发来的信号 功率，平均功率谱密度为云而其他的用户发来的信号被不相关扩频解 调，信号功率仍然均匀分布在带宽b ，内，信号功率谱不变。故接收机相 关解调后，输出信噪比为 ( s ) o , ”罕p b , 2 而南鲁 显然，扩频解调前后的信噪比之比，即接收机输出信噪比与输入信噪比 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 。( s e ) o o , ：堡：g( 2 5 ) ( 剐尸) 。b l 扩频解调前后的信噪比之比等于扩频增益g ，它给出了扩频通信中扩 频解调处理对信噪比的改善。 ( 2 ) 各通信用户信号非等功率接收的情况 假设只为希望接收的通信用户发来的信号功率p 2 ，b ，& 为不希望接 收的通信用户发来的、被看作是多址干扰的信号功率。同理 鼽= 点 n 。b ：+ 只 秘意毫鲁 扩频解调前后的信噪比改善与仍为 ! 兰丝型：b 2 m ：g 媾 ，b 1 综上所述，扩频增益是扩频通信对窄带干扰信噪比改善的度量。 2 1 3 扩频通信系统中的扩频码 在主流空中接口w c d m a 中，上行扩频码用户分割采用2 “的g o l d 序列 ( 截断周期1o m s ) ，g 0 1 d 码是g 0 1 d 于1 9 6 7 年提出，定义为“给定移位寄 存器的级数为r 时，总可以找到一对自相关函数值都是很小的码序列，采 用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数 和互相关函数均是有界的”。产生g o l d 码的方法有两种，它是用一对优 选的周期和速率均相同的m 序列的移位寄存器串连或并联后得到的。通 常多使用并联结构，即将两个优选i l 】序列进行模2 和后输出“1 。 ( 1 ) n l 序列优选对 设a 和b 是本原多项式互( 印和疋( 力产生的m 序列，当他们的自相关 函数l r 枷( ) i 满足 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 r “( 女) j = 1 1 2 。s ( “) + 1 】，胛为奇数 p 。( 2 6 ) 三 2 ”( 一) + 1 】，n 为偶数，n 不是4 的整数倍 、。 p 就称本原多项式e ( x ) 和e ( 功产生的n l 序列a 和b 构成一对优选对。 ( 2 ) 平衡g o l d 码 g 0 1 d 码有平衡和非平衡码之分，所谓平衡g o ld 码是指码序列当中， 1 比0 的个数多且仅多i ，而非平衡g 0 1 d 码就是0 和l 的个数之差不再 是i 的码。在直接序列扩频中码0 与码1 平衡性直接影响到载波抑制程 度。产生平衡g 0 1d 码需要选择两个原始的i n 序列的特定相对状态，即所 谓的特征相位。当序列处于特征相位时，对该序列每隔一位进行抽样所 得的序列仍然是原序列。假设f ( x ) 是产生原i n 序列的本原多项式，m 序列 的特征相位由g ( x ) f ( x ) 之比确定，其中g ( x ) 是生成函数，确定g ( x ) 的算式 如下 g ) = 盟錾坳，。为奇数 积 ( 2 7 ) f ( + 堕錾坳，竹为偶数 、。 a x 令g ( x ) = g ( x ) f ( x ) ，由长除法可以得到多项式6 ( x ) ，由g ( x ) 就可以确 定特征相位。例如：r = 5 的优选对 c ( x ) = 1 + 工+ x 2 + x 4 + x 5 ：只( x ) = l + x 2 + z 5 相应生成函数是 g 。( x ) ：d t x f ，o ( x ) _ _ j ：1 + x z + x 4 ；g 。( x ) ；兰掣：1 + x ： o xm 特征相位由c ( x ) = g ( x ) f ( x ) 长除得到 6 0 ( x ) = i + x + x 2 + x 4 + x 5 + x 3 十x 9 + z + x 1 5 + x 1 6 、+ x 。8 + z 2 0 + 工2 3 + x 2 7 + x 2 9 + g 6 ( x ) = 1 + x 5 + x 7 + x 9 + x l o + x + x 1 3 + x 1 4 + 工1 8 + x 1 9 + x 2 0 + x 2 + x 2 2 + x 2 5 + x 2 6 + x 2 8 对应的序列为 口) = 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 舻) = 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 当选 盯 序列为基准时，其特征相位为1 1 1 0 1 ，移动 b 序列使第一个0 对准 a ) 序列的第一个l ， b ) 序列的初始状态为0 0 0 0 1 ，符合两序列的相对相位 1 4 昆明理工大学硕士研究生毕业论文 关系，两序列模2 加就得到平衡码。能产生平衡码的序列 的初相为： 0 0 0 0 l ，0 0 0 1 0 ，0 0 1 0 l ，0 1 0 1 0 ，0 1 0 1 1 ，0 1 1 1 0 ，0 l1 0 0 ，0 0 0 11 ，0 0 1 0 110 1 ，0 10 0 1 ，0 0 1 0 0 ，0 10 0 0 。产生g o l d 码的移位寄存器结构如图2 1 。 图2 1 移位寄存器缀数r = 5 情况下g 0 1d 码生成结构 应用中的其他伪随机序列主要有：m 序列，g 0 1d 码，h a d a m a r d - w a sh 码，k a s a m i 码，b a r k e r 码，r s 及h e r m i t ia n 码，混沌序列等。h a d a m a r d w a s h