（通信与信息系统专业论文）gsm系统中的多用户检测技术研究.pdf

摘要 随着移动通信用户的增多，移动通信系统对频谱的需求增大。为了提高频谱 利用率，g s m 系统采用更加紧密的频率复用方式。高密度的频率复用导致小区内 存在大量的同频干扰，严重影响了接收机性能。g s m 系统中的多用户检测技术可 以有效地抑制同频干扰，对提高接收机性能和增大系统容量具有重要意义。 本文深入研究了g s m 系统中的多用户检测技术，主要工作包括： 1 介绍了g s m 系统中多用户检测的基本原理，给出了多用户检测系统结构和 信号模型，分析了多用户检测系统中的联合信道估计算法。 2 分析和仿真对比了三种联合多用户检测算法：联合最大似然序列估计 ( j m l s e ) 算法、联合延迟判决反馈序列估计( j d d f s e ) 算法和引入自适应状态分配 ( a s a ) 的j d d f s e a s a 算法。j m l s e 算法性能最优但复杂度高，i d d f s e 算法以 性能损失为代价获得了复杂度的降低。仿真结果表明：j d d f s e a s a 算法能获得 复杂度和性能的折中，具有很大的利用价值。 3 提出了一种新颖的基于t u r b o 迭代的干扰消除多用户检测算法，该算法对 每路同频用户信号分别进行软输入软输出( s i s o ) 检测，利用各译码器输出的软信息 重构各用户相互间干扰，从总的接收信号中消除同频干扰，再分别检测各用户信 号，以此循环迭代。仿真结果表明：在同频干扰严重的场景下，采用该算法的迭 代多用户接收机与传统的t u r b o 均衡接收机相比具有较大的性能增益。 4 为了降低基于t u r b o 迭代的干扰消除多用户检测算法的复杂度，本文提出 一种新方案，该方案采用基于m m s e 准则的软干扰消除算法作为s i s o 均衡模块 算法。基于m m s e 准则的软干扰消除算法与基于最大后验概率( m a p ) 准则的均衡 算法相比性能降低，但采用该方案的接收机性能优于传统的t u r b o 均衡接收机性 能。 关键词：同频干扰多用户检测信道估计t u r b o 迭代 a b s t r a c t a st h en u m b e ro fg s ms u b s c r i b e r si n c r e a s eq u i c k l y , h i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c yi s r e q u e s t e d g s ms y s t e mu s e sc o m p a c tf r e q u e n c yr e u s et e c h n o l o g yt oi n c r e a s et h e s p e c t r a le f f i c i e n c y , w h i c hm a k e sc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ( c c i ) i nt h ec e l li n c r e a s e s e r i o u s l y ag s ms y s t e me m p l o y i n gc o n v e n t i o n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e sw i l lb ed e g r a d e d i np e r f o r m a n c ea n dl i m i t e di nc a p a c i t yb e c a u s eo fc c i m u l t i - u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e a p p l i e df o rg s m i so n eo ft h em o s tu s e f u lm e t h o d st os u p p r e s sc c i ，w h i c hm a k e sf o r g o o dr e c e i v e rp e r f o r m a n c ea n dl a r g e rs y s t e mc a p a b i l i t y 碱st h e s i si n v e s t i g a t e sa l g o r i t h m so fm u l t i - 嘴rd e t e c t i o ni ng s ms y s t e m ，t h e m a i n w o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r i n c i p l eo fm u l t i - u s e rd e t e c t i o ni ng s ms y s t e mi si n t r o d u c e d t h e n , t h e s t r u c t u r eo fm u l t i - u s e rs y s t e ma n ds i g n a lm o d e li s 西啪b e c a u s eo ft h en e e do f m u l t i - u s e rd e t e c t i o n , j o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sa l s op r e s e n t e d 2 t h r e ek i n d so fm 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 ：j m l s e ，j d d f s ea n d j d d f s e - a s aa r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d j o i n td e l a y e d - d e c i s i o nf e e d b a c ks e q u e n c e e s t i m a t i o n ( j m l s e ) i st h eo p t i m u ma l g o r i t h m ，b u ti t sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi st o o h i 曲j o i n td e l a y e d - d e c i s i o n f e e d b a c ks e q u e n c e e s t i m a t i o n ( j d d f s e ) i sa s u b o p t i m u ma l g o r i t h m ，t h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hc a nb ei n c r e a s e db ya d a p t i v es t a t e a l l o c m i o nt e c h n i q u e ( a s a ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tj d d f s e a s ai sv a l u a b l e ， w h i c ht a k e sg o o dc o m p r o m i s eb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y 3 an e wm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt u r b oi t e r a t i v ep r o c e d u r ei s p r o p o s e d n ea l g o r i t h md e t e c t se a c hc o - c h a n n e ls i g n a lw i n las o f t - i n p u ts o f t - o u t p u t ( s i s o ) d e t e c t o rs e p a r a t e l y t h es o f ti n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h ed e c o d e r si su s e da st h e a p r i o r ii n f o r m a t i o nf o rt h ei t e r a t i v ec a n c e l l a t i o no fc c i s i m u l a t i o ne x h i b i t st h a tt h e r e c e i v e re m p l o y i n gt h ep r o p o s e da l g o r i t h i no u t p e r f o r m sc o n v e n t i o n a lt u r b or e c e i v e rf o r c c id o m i n a t e ds c e n a r i o s 4 t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fp r o p o s e da l g o r i t h m , an e ws c h e m ei sp u tf o r w a r d ， i nw h i c has o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nm m s ei su s e df o rs i s o e q u a l i z a t i o n t h o u g hm m s e - s i ca l g o r i t h mi si n f e r i o rt om a pe q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ， t h ep r o p o s e dr e c e i v e re m p l o y i n gt h i ss c h e m eo u t p e r f o r m sc o n v e n t i o n a lt u r b or e c e i v e r k e y w o r d s ： c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c em u l t i - u s e rd e t e c t i o n c h a n n e le s t i m a t i o nt u r b or e r a t i v e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日凝：加 o i ；， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 本人签名：彭厶笙日期：矽7 现型 导师签名：乓蔓冬生 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景及意义 全球移动通信( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是19 9 2 年欧洲 标准化委员会统一推出的标准，g s m 数字蜂窝移动通信系统( 简称g s m 系统) 是完 全依据该标准研制而成的。g s m 系统自从投入使用以来，其用户规模不断扩展， 在现有移动通信市场中占有极大的份额。我国于1 9 9 3 年9 月正式开放g s m 系统 业务，全国各地的移动通信系统大多采用g s m 系统，使g s m 系统成为目前我国 最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。作为世界上最成熟的无线接入制 式g s m 经历近二十年的发展，不断吸收和融合各种新技术，满足人们日益增长的 通信需求，至今仍具有很大的活力。 随着高速业务和用户数的激增，移动通信系统对频谱的需求急剧增加。提高 频谱利用率可以在有限频谱资源下增加系统容量，满足高密度用户需要，因此， 尽可能获得高的频谱利用率成为移动通信系统的发展方向。早期的移动通信系统 一般使用单个的大功率发射机来获得大面积的覆盖范围，在这种系统中频率不能 复用，限制了系统容量。蜂窝技术是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突 破，其核心概念是频率复用。蜂窝移动通信系统使用许多小功率的发射机来代替 单个的大功率发射机，使每个小功率发射机的只覆盖一个小区域，每个基站分配 整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站 之间( 以及在它们控制下的移动用户之间) 的干扰就最小。频率复用就是使用同一频 率覆盖不同的区域( 一个基站或该基站的一部分( 扇形天线) 所覆盖的区域) ，这些使 用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离( 称为同频复用距离) 。只要这个距离足 够远，相互间的干扰在可以接受的范围，信道就可以尽可能地复用。 在蜂窝移动通信系统的某一固定覆盖范围，共同使用该范围内的全部可用频 率的n 个小区叫做一簇，频率以组为基础分配到每个小区，同一簇中频率不能被 复用。在这一固定覆盖范围内，系统的容量等于一个频率簇的可用频点数和频率 簇在此范围内复制次数的乘积。如果减小簇的大小n 但是保持该范围内小区的总 数不变，为了覆盖原来的范围就需要复制更多次簇，这样使频率复用更紧密，能 获得更大的系统容量。g s m 系统是一种数字移动蜂窝通信系统，通过采用更紧密 的频率复用方式，可以提高频谱利用率。 频谱利用效率可以用频率复用系数来表征，它反映了频率复用的紧密程度。 频率复用系数定义为频率复用簇的总可用频点数除以一个小区的收发信机数，即 每个小区内单位频带能提供的信道数( c h m i - i z c e l l ) ，等价于频率复用簇中包含的小 2 g s m 系统中的多用户检测技术研究 区数n 。频率复用系数越高，整个系统内的同频小区的间隔就越大，同频复用距 离越大，但每个小区可用的频道越少，频率利用率也越低。相反，频率复用系数 越低，每个小区选择频率的自由度越大，同频复用距离越小，频率利用率也越高。 因此，在频率复用系统中降低频率复用系数可以提高频谱效率。但是，如果复用 距离不够大将产生严重的干扰，这种干扰称为同频干扰( c c i ，c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 。按照g s m 体制规范的推荐，最基本的频率复用方式为4 3 ( n = 1 2 ) 的 频率复用方式，“4 一表示4 个基站，“3 一表示每基站3 个小区。这1 2 个扇形小区 为一个频率复用簇，此时的频率复用因子为1 2 。采用传统的4 x 3 规则的频率复用 方式，频率利用率还不够高，减小n 可以使频率复用更紧凑，从而获得某一给定 覆盖范围内的最大容量。g s m 系统采用的是频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 结合的多址技术，更紧密的频率复用方式导致小区内的同频干扰增加。同频干扰 制约了接收机的性能，已成为g s m 系统中亟待解决的问题。 目前，国内外抑制g s m 系统中的同频干扰的技术主要有：跳频技术、白化滤 波、多天线技术【1 1 、单天线干扰消除【2 1 、多用户检测技术【3 】等。跳频使得发射载频 以突发脉冲序列为基础进行跳变，从而明显减低同频干扰和频率选择性衰落效应， 达到干扰源分集和频率分集的效果。白化滤波对接收信号白化处理，使输入的色 噪声变为输出是白噪声。多天线技术即在接收端配置多天线并利用阵列信号处理 的方法减少同频干扰的影响。跳频技术和白化滤波、多天线技术均被广泛应用到 现有的g s m 系统中，但在同频干扰严重时不能有效解决同频干扰问题。多用户检 测是一种从接收端的设计入手的干扰抑制方法，最早是为消除c d m a 系统中的多 址干扰提出的【4 l ，在窄带t d m a 系统中，这一技术的研究和应用还相对较少。g s m 系统中的多用户检测技术能有效抑制同频干扰的影响，是值得研究的方向。 本文研究了g s m 系统中的多用户检测技术，给出了应用在g s m 同步网络的 基站上的多用户检测算法。 1 2 多用户检测的基本思想 多用户检测技术是在c d m a 技术的基础上发展起来的一种信号检测方法，能 明显抑制多址干扰，显著提高c d m a 系统容量和性能，因此受到广泛关注和研究。 1 9 8 6 年v e r d u 提出了最大似然序列检测器( m l s e ，m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c e e s t i m a t i o n ) 5 1 ，认为c d m a 系统中的多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论 上证明采用最大似然序列检测器可以逼近无多址干扰时的接收性能。这种检测器 适用于受i s i 影响的信道，可以达到理论上的最小错误概率，被称为最优多用户检 测器。 传统的检测器都是单用户检测器将所需用户信号当作有用信号，而将其他用 第一章绪论 3 户的信号造成的干扰统一建模为噪声，仅检测所需用户信号。在共道干扰信号严 重时，传统的检测器性能很差，大大降低了系统容量。多用户检测器综合考虑同 时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其他用户对任一个用户的影 响，检测出所有用户或某些用户信息。多用户检测技术的基本思想是尽可能地利 用接收信号中包含的信息，把所有用户的信号都当作有用信号，充分利用各用户 信号的信息有效地检测出多个用户信号。数字移动通信中大部分系统所使用的基 本思想都是相通的，多用户检测技术不仅可以运用于c d m a 系统，还可以应用于 窄带t d m a 系统。在c d m a 系统中，信道的非正交性导致多址干扰的存在，多 用户检测器利用多址干扰不同于噪声的特性，去除多用户之间的相互干扰，提高 了系统性能。在窄带t d m a 系统中，不同小区的用户使用相同信道导致相互干扰， 即同频干扰。此时的同频干扰同样是由于信道的非正交性造成的。g s m 系统中的 传统检测器把同频干扰信号当作噪声处理，在同频干扰严重时接收机性能很差。 g s m 系统中的多用户检测技术认为同频干扰信号与白噪声具有互不相同的统计特 性，是可估计、可再生、可去除的，联合考虑同时占用某个信道的所有用户或某 些用户，充分利用同频干扰信号的结构信息，对各用户做联合检测或从接收信号 中减掉相互间的干扰，从而提高信号检测的准确性。g s m 系统中的多用户检测技 术能有效地解决同频干扰问题，增大通信系统的容量。 c d m a 系统中的接收机利用各信号的发送波形区分各路信号，在g s m 系统 中，由于各路同频信号经历相互独立的衰落、到达接收端的功率也不同，接收机 可利用无线信道提供的不同编码波形来区分各路同频信号 6 1 。因此，在g s m 系统 中利用多用户检测技术解决同频干扰问题在理论上也是可行性。 1 3 多用户检测技术研究现状 多用户检测算法种类很多，根据性能优异可划分为最优算法和次优算法。在 仅受符号间干扰( i s i 。i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和噪声影响的信道下，最大似然序列 检测器( m l s d ，m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e t i o n ) 是序列错误概率最小的最 优检测器r 7 1 ，逐符号最大后验概率检测器( s b sm a p ) 是在符号错误概率最小意义上 的最优检测器。最大似然序列检测器是通过t e r b i 算法实现的，在考虑同频信号 存在时，w v a ne t t e n 8 】已经证明v i t e r b i 算法可直接扩展应用到检测多路同频信号， k g i r i d h a re t a 9 1 利用最大似然序列检测原理进行同频干扰消除，称此算法为联合最 大似然序列检测( j m l s e ，j o i n tm a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 算法。在 g s m 系统中，j m l s e 是序列错误概率最小的最优多用户检测器【6 j 。由逐符号最大 后验概率检测器( s b sm a p ) 扩展得到联合最大后验概率( j j o i n tm a x i m u ma p r i o r i ) t 1 0 】，j m a p 是符号错误概率最小的最优多用户检测器。若用户发送符号等概， 4g s m 系统中的多用户检测技术研究 j m a p 等价于j m l s e 。本文假设发送符号等概，将在后面章节详细讨论j m l s e 原 理和实现。 最优多用户检测算法j m l s e 是一种基于最大似然准则的参数估计算法，其目 标是寻找所有用户数据的最大似然估计值，其复杂度随信道有效记忆长度以及同 频信号个数均呈指数增长，实际中难以实现。最优检测算法通常作为评估其他次 优检测算法的参考，人们更多致力于寻找性能和复杂度之间取得折中的次优算法。 由于j m l s e 是一种基于网格搜索的算法，信道有效记忆长度影响联合网格的状态 数和路径数，因此限制信道有效记忆长度或减少保留的路径数可以有效降低算法 的复杂度。一般有以下几种降低j m l s e 复杂度的方法：使用预滤波器截短信道或 者限制信道有效记忆长度的影响，如联合判决反馈序列估计( j d f s e ，j o i n td e l a y e d d e c i s i o n f e e d b a c k s e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 算法【l 、联合延迟判决反馈序列估计 ( j d d f s e ，j o i n td e l a y e dd e c i s i o n - f e e d b a c ks e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 算法【1 2 1 、联合减状态 序列估计( j r r s e ，j o i n tr e d u c e d s t a t es e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 算法【1 3 1 ：在网格搜索的每 一级只搜索部分状态，限制了幸存路径的数量，如联合m 算法【1 4 】【1 5 1 、t 算法；采 用自适应算法1 1 6 j 分配网格图中的状态，自适应地确定状态子集所包含的状态和个 数。 根据多用户检测的具体实现方式不同，多用户检测算法又可分为：联合多用 户检测算法和干扰消除多用户检测算法。联合多用户检测就是联合考虑多个同频 信号，利用联合网格搜索得到多个用户的发送序列。如j m l s e 、j m a p 等算法。 干扰消除就是从总的接收信号中判决出部分数据，结合信道估计重构对应的信号， 再从总的信号中减去重构信号，判决出剩余部分数据。串行干扰消除算法每次只 判决再生一个干扰信号，从总信号中减去再生干扰后，再用剩余的信号重复进行 上述步骤，直到解调出最后一个用户信号。并行干扰消除算法并行地估计其他用 户对各个用户信号产生的干扰，通过减去再生的干扰检测出各用户信号。 多用户检测技术发展至今，在具体实现上不断有新的算法出现。近年来，许 多新技术如m i m o 技术【1 7 】、t u r b o 迭代【1 8 1 也应用到多用户检测器的实现中。此外， 发送端的训练信号未知情况下的盲多用户检测【1 9 1 技术也是多用户检测技术的研究 热点之一。多用户检测也存在一定的局限性，例如多用户检测器复杂度高，大多 不能直接应用于下行接收，多用户检测需要获得信道估计，信道估计的准确与否 对多用户检测的性能影响很大等。随着移动通信系统的发展，多用户检测已成为 抗干扰的关键技术之一。 1 4 主要内容和章节安排 全文各章节安排如下： 第一章绪论5 第一章介绍了g s m 系统中多用户检测技术的研究背景，阐述了多用户检测的 基本原理，总结了国内外多用户检测技术的研究状况。 第二章首先给出了g s m 物理层仿真链路，介绍了信道编码、突发格式、g m s k 调制等技术，其次简要介绍了g s m 协议规定的g s m 多径信道模型，最后基于 g m s k 信号的线性近似表达，给出了i s i 信道的信号模型和多用户检测系统的信号 模型，为后续的算法分析和仿真工作做好准备。 第三章介绍了信道估计原理和方法，分析了最大似然序列检澳g ( m l s e ) 的原理 和实现，在g s m 系统中的不同场景下仿真给出了利用m l s e 均衡的传统接收机的 解调性能。 第四章介绍了多用户检测系统中的联合信道估计算法，分析推导了最优多用 户检测算法j m l s e ( j o i n tm a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) ，复杂度降低的 次优多用户检测算法j d d f s e ( j o i n td e l a y e d d e c i s i o n - f e e d b a c ks e q u e n c e e s t i m a t i o n ) ，结合自适应状态分配( a s 厶a d a p t i v es t a t ea l l o c a t e ) 算法的 j d d f s e a s a ，仿真对比了三种算法对抗同频干扰的性能。 第五章基于t u r b o 均衡原理和干扰消除思想，提出了一种基于t u r b o 迭代的干 扰消除多用户检测算法，给出了迭代多用户接收机的结构和算法的理论分析以及 详细推导过程。仿真表明：在低载干比时，迭代多用户接收机抑制同频干扰的能 力明显优于传统的t u r b o 均衡接收机。为了降低该算法的复杂度，提出一种复杂度 降低的方案，该方案的均衡模块采用了基于m m s e 准则的软干扰消除算法。仿真 验证了该方案的有效性。 在结束语部分，总结了本论文的主要工作和成果并指出了今后进一步的研究 方向。本文算法的仿真平台是m a t l a b 8 0 和v c + + 6 0 ，操作系统为w i n d o w sx p 。 第二章g s m 系统基本原理和信号模型 7 第二章g s m 系统基本原理和信号模型 在讨论多用户检测算法之前，本章首先介绍了g s m 系统的物理层链路，详细 介绍了发送端的信道编码、交织、突发生成方式、g m s k 调制的基本原理，接着 介绍了g s m 多径信道模型，分析了系统信号模型，为后续的算法研究和仿真工作 提供了基础。 2 1g s m 系统物理层链路介绍 为仿真g s m 系统全速率语音业务信道( t c h f s ) 语音信号的收发流程，本文按 照3 g p p 关于g s m 的0 5 系列协议规定，建立一个g s m 系统等效基带仿真链路， 如图2 1 所示。 基带调接收 图2 1g s m 系统物理层链路模型 信源模块产生的随机比特作为用户数据，经信道编码、交织、突发脉冲格式 化处理，采用b t = 0 3 、调制符号速率为2 7 0 8 k h z 的g m s k 调制方式调制，得到 基带信号的样值。基带信号序列按特定的帧格式发送，通过多径信道传输到达接 收端。接收端对接收信号低通滤波、解旋、下采样，经信道估计、均衡、信道译 码、解复用、解交织等处理，得到用户发送的原始比特，完成信息传递的整个过 程。最后通过统计比特误码率，评估接收机性能。以下将详细介绍发射端的各模 块。 2 1 1 全速率语音信道编码 g s m 系统是一种全数字系统，话音要进行数字化处理，因此移动台首先要将 8 g s m 系统中的多用户检测技术研究 语音信号转换成模拟电信号，再把模拟电信号转换成13 k b i t s 的数字信号，用于无 线传输。目前g s m 系统采用的语音编码方案是1 3 k b i t s 的r p e l t p ( 规则脉冲激励 长期预测) 。语音编码器将语音分成2 0 m s 为单位的语音块，对每个语音块进行压 缩编码，输出2 6 0 比特，源编码速率为1 3 k b i t s 。 为了检测和纠正数字信号在传输期间引入的差错，发射端采用信道编码技术。 信道编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是 通过某种约定从原始数据中计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特 来检测误码并尽可能地纠正误码。 在对全速率语音信号编码时，首先将每个语音块经语音编码形成的2 6 0 个比 特流分成三类，分别为5 0 个最重要的比特( c l a s sl a ) ，1 3 2 个重要比特( c l a s si b ) 以及 7 8 个不重要的比特( c l a s si i ) 。然后对上述5 0 个比特添加上3 个奇偶校验比特( 分组 编码) ，这5 3 个比特连同1 3 2 个重要比特与4 个尾比特一起进行速率为l 2 的卷积 编码，得到3 7 8 个比特，另外7 8 个比特不予保护，总共得到4 5 6 比特1 2 0 l 。因此， 2 0 m s 的话音块通过话音编码和信道编码被数字化并编码，最后形成4 5 6 比特。 5 0d a s s i l 厅元孑1 墅尾比特4 b i t 2 0 m sl ! 坠广 l 语音。 语音编 - s 2d 螂m - l 记妻器i j 1 8 ：1l 2 卷积编码 7 9 4 5 ，6 i 交织l 信号7码器 7 8c l a s s i i 图2 2g s m 语音信道t h f s 编码方案 2 1 2交织技术和突发格式 语音编码完成后，语音组成一系列有序的帧。随参信道上的比特差错经常成 串发生，将影响连续帧的正确性。但是信道编码仅在检测和校正单个差错和不太 长的差错串时才有效，为了纠正随机错误以及突发错误，g s m 系统采用交织技术。 交织就是把一条消息中的相继比特分开，使突发差错信道变为离散信道。这 样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发 脉冲甚至消息块都无法被解码，再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来 的消息。g s m 系统采用的是二次交织方法，第一次交织为内部交织，第二次交织 为块间交织。 一个语音块经语音编码和信道编码后形成4 5 6 比特，这4 5 6 比特被分为8 组， 进行第一次交织，如图2 3 。 第二章g s m 系统基本原理和信号模型 9 图2 3 第一次交织比特交织方案 g s m 是一种典型的t d m a 系统，每个载频被定义为一个t d m a 帧，相当于 f d m a 系统中的一个频道。每个t d m a 帧包括8 个时隙( t s 0 7 ) ，在一个时隙中传 输的内容称为突发。在一个突发脉冲中包括两组5 7 比特的数据。正常突发格式， 如图2 4 。 图2 4 正常突发( n b ) 格式 其中，前后3 个尾比特用于消息定界，中间2 6 比特是训练比特，训练比特的 左右各1 个比特作为“挪用标志 。 a bc 20ms20ms 2oms 8 57=456bit 456bit456bit 图2 5 三个语音帧 第一次交织得到的4 5 6 比特组成语音帧的一帧，如果将同一帧的2 组5 7 比特 插入到同一突发脉冲序列中，该突发脉冲丢失会导致该话音帧损失2 5 的比特， 显然信道编码难以恢复这么多的丢失比特，因此必须对两个语音帧进行一次交织， 即块间交织。假设有三帧语音帧，如图2 5 。块间交织就是首先将语音帧b 的前四 组( b 0 、b 1 、b 2 、8 3 ) 与上一个语音块的a 的后四组( a 4 、a 5 、a 6 、a 6 ) 进行块间 交织，最后f l 了( b 0 ，a 4 ) 、( b l ，a 5 ) 、( b 2 ，a 6 ) 、( 8 3 ，a 7 ) 形成4 个突发脉冲。为 了打破相连比特的相邻关系，使a 的比特占用突发脉冲的偶数位置，b 的比特占 用奇数位置，即b 0 占奇数位，a 4 占偶数位。同理，将b 的后四组同它的下一语 音块c 的前四组来进行块间交织。这样，一个语音帧经过二次交织后分别插入到8 个不同的突发中，突发被一个个的发送，即使在传输过程中丢掉了一个脉冲串， 也只影响每一个话音比特数的1 2 5 ，而且它们不互相关联，这就能通过信道编码 进行校正。 l og s m 系统中的多用户检测技术研究 2 1 3g m s k 调制原理 g s m 系统的语音信号采用的调制方式是b 瑚3 的高斯最小频移键控 ( g m s k ) ，其调制速率是2 7 0 8 3 3 k b i t s t 2 1 j 。g m s k 调制的基本原理是将基带信号先 经过高斯滤波器，再进行最小频移键控( m s k ) 调制。成形后的高斯脉冲包络无陡峭 边沿，亦无拐点，因此g m s k 信号的频谱特性优于m s k 信号的频谱特性。g m s k 信号相位是连续的、频谱紧凑、带外辐射小、并且通过高斯预滤波进一步限制压 缩信号频谱，因此具有良好的频谱特性和抗干扰抗衰落性能。 g m s k 调制过程，如图2 6 。对输入的码元序列4 ( 4 o ，l ) 进行差分编码， 再映射得到不归零码： 4 = 4o z l ，= 1 - 2 d ， ( 2 一1 ) 用矩形波r e c t ( t ) 对待调制数据a 。进行脉冲成形，r e c t ( t ) 是一个宽度为比特周 期r 、幅度为1 的矩形脉冲，r e c t ( t ) 通过高斯低通滤波器的响应g ( f ) ： g o ) 2 寺厂e 甜( r ) p k ( ，) ：加镪蜊2 兀b 等娜丁 q 国 其中高斯滤波器一o ) 定义为： k ( ，) 2 忑舞州一2 x 2 t 2 ) ( 2 - 3 ) 刚= f 去o x p ( 一争咖 ( 2 4 ) 这里盯= 厕2 万b 丁) ，b 瑚3 ，其中b 是高斯滤波器3 d b 等效带宽，符号 周期t = 1 2 7 0 8 3 3 = 3 6 9 l l s ，l 表示一个比特周期的基带响应在l 周期处截断。 通过高斯滤波器后，再进行m s k 调制，相位信息妒( ，) 表示为： 第二章g s m 系统基本原理和信号模型 1 l 妒( f ) 叩 r g ( ”) d u = 2 7 r l 啪( 卜灯) k ( 2 - 5 ) 上式中h 是连续相位调制中的调制系数，g m s k 调制h = 1 2 ，g m s k 调制信 号的低通等效形式可表示为： s ( f ) = e x p ，2 丌办a 。q ( t - n t ) ) ，g ( ，) = l g o 协 ( 2 6 ) b 越小对g m s k 的功率旁瓣抑制越好，但高斯滤波器在控制频谱的同时也引 入了符号间干扰，b 越小调制引入的符号间干扰就越大。 图2 7 为1 0 2 4 点f f t 的g m s k 信号频谱( b t = o 3 ) 。 g m s k 舛_ 芎s p e c t r u m 嗍 图2 7 基带g m s k 信号频谱图 2 2g s m 多径信道模型 无线移动信道的主要特征是多径传播。多径传播是指到达接收机天线的信号 不是从单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。多径传播主要呈现 出两类特性：一是多径效应引起的时延扩散造成信号多次到达形成干扰即时间色 散；二是发射机和接收机的相对运动会引起信号频率漂移即频率色散。 多径信道每一径的时域衰落波形由多普勒扩展的频谱形状决定，多径信道的 时间色散性可以由功率延迟分布来描述。g s m 系统中定义了两种多普勒频谱用于 信道建模1 2 2 1 。一种是经典的多普勒功率谱( c l a s s ) ( 如图2 8 ) ，其形式为： ，- = - 一一 s ( 门= a x i - ( f f d ) 2 ，f 【一厶，厶i ( 2 7 ) 1 2 g s m 系统中的多用户检测技术研究 另一种是莱斯谱( r i c e ) ，其实质是经典的多普勒谱中加入了一个直径分量， 适用于由直达径存在的情况，比如郊区。莱斯谱的形式为： s ( 力= 0 4 1 ( 2 a f 乒万丽) + o 9 1 8 ( f 一0 7 f a ) ，厂卜厶，厶】( 2 - 8 ) 最大多普勒频移厶= 九，是移动速率，单位是m $ ，a 是波长，单位是所。 d o p p l e rs p e c t r u m 图2 8 经典多普勒功率谱 g s m0 5 0 5 协议【2 2 1 给出的主要信道模型有典型市区( t i j ) 、郊x e ( r a ) 、t hx e ( h t ) 等，每个模型通常有1 2 个抽头，并规定了每个抽头的相对时延和平均相对功率。 但是为了仿真的需要，同时也给出了6 抽头的简单模型( 表2 1 ) ，每个模型名字下 方的x 表示移动速率，单位是k m h ，用于计算多普勒频谱中的石。 表2 1 典型市区信道模型( t u x ) ( 6 抽头) t a pn u m b e r r e l a t i v et i m e a v e r a g er e l a t i v ep o w e r d o p p l e r ( p s ) ( d b ) s p e c t r u m ( 1 )( 2 )( 1 )( 2 ) l0 00 03 o3 oc l a s s 20 2o 20 o0 oc l a s s 30 50 62 o2 o c l a s s 4 1 6 1 6 石o- 6 oc l a s s 52 3 2 48 08 0c l a s s 6 5 05 o1 0 o1 0 oc l a s s 从时间色散的角度看，移动无线信道是由多个具有不同时延的平坦衰落信道 组合而成，因此信道可以建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，冲激 响应办( f ，f ) 为： 第二章g s m 系统基本原理和信号模型 j v h ( t ，r ) = 囊( ，) 6 ( f t ) k = l ( 2 - 9 ) 其中，表示移动台运动时间变化，f 表示对固定时刻，的信道多径延迟，j j l ( f ) 表 示，时刻第f 个多径分量的实际幅度和相位信息。 g s m 多径信道可以用图2 9 所示模型实现，其中n 是信道的阶数( 由信道的最 大时延与信道的时间分辨率决定) 。首先需要产生每条路径的时变冲激响应，其次， 将每条路径的冲激响应函数与时延后的输入信号做卷积运算，最后将各条路径的 结果进行叠加运算。每条路径的冲激响应函数的幅值服从瑞利分布，相位满足均 匀分布，各条路径间的互相关为零。因此，仿真需要产生具有给定的多普勒频谱 的瑞利衰落信号，再根据平均相对功率，确定每条径的功率大小。 输入信号 图2 9 多径衰落信道模型 2 3 系统信号模型 2 3 1g m s k 信号的线性近似 由于g m s k 调制是一种恒包络的非线性调制，一些较为成熟的适用于线性调 制方案的均衡技术不能直接运用于g m s k 信号的解调。l a u r e n t 提出的二进制连续 相位调制的调幅脉冲( a m p ) 分解为c p m 提供了一种非常精确的线性近似1 2 4 j 。基于 这种线性近似，可以将均衡技术用于g m s k 信号的解调。 设厶为源数据比特或对应的不归零码，满足厶= 1 - 2 d ，l 一l ，l 。若令差 分编码的初始状态d o = o ，则厶= + l ，由a 。= 厶厶一。可以得到厶= e a ，g m s k 信 号线性近似的等效表达式为： 一 s ( f ) = 厶，”c o ( t - n t ) + n ( t ) 疗= l ( 2 z o ) 1 4 g s m 系统中的多用户检测技术研究 其中n ( t ) 是加性高斯白噪声，c o ( t ) 是成型滤波器的等效冲激响应。对于l = 4 的g m s k 信号，c o ( t ) 的波形持续了5 个周期，o p x 寸- - 个输入比特产生的冲激响应 会干扰到相邻的4 个码元。 c，o。，=办警，y。，2概一，t万lrg(rvg)d。frx打trl丁t c 2 - ， 加性高斯白噪声信道下，接收信号表示为： ，( ，) = j ”c o ( t n t f ) + 刀( ，) ，o t r ( 2 1 2 ) 上式中，”是随着时间变化的，即信号相位在旋转。在一个码元周期，所有的 相位旋转角度一样，但经过一个码元相位角度发生衫2 的变化。因此，接收端解调 前只需对接收信号进行解旋转，即可消除相位旋转的影响。解旋过程可使信号相 位连续变化，只需保证一个码元周期后，相位变化正好为叫2 。若不考虑噪声，解 旋后的信号为： 击， 饧( ，) = 厶广c o ( t - n t - z ) 歹+ 行o ) 歹 n = l t-nr t