（通信与信息系统专业论文）dscdma系统中基于降秩子空间的盲多用户检测的研究.pdf

d s - c d m a 系统中肇十降秩子窄问暂多用户检铡的研究捅譬 d s - c i ) m a 系统中基于降褥子空间的盲多用户检测的研究 摘要 多用户检测是第三代移动通信系统中广泛采用的、能显著地提高系统容量的一种 有效的抗多址干扰的关键技术。近年来，只利用期望用户的观测数据，而不需要干扰 用户的信息就可以抵抗多址干扰、进行检测的盲多用户检测技术成为研究热点。 文中首先论述了多用户检曩的基本原理、系统模型和性能测度。其次，讨论了基 于子空问的盲多用户检测。然后，从信号子空间追踪、维数估计、降秩及动态处理着 手，对基于降秩子空间的盲多用户检钡4 进行了较深入地探讨和研究。进而提出了一种 基于可变阈值的降秩子空间选择算法。该算法能较快地得到合适的降秩子空日j ，且计 算结果具有可重用性。在子空间追踪中，提出了用一种改进的a i c 准则进行维数估 计。在不用提高误差概率的基础上，降低了维数估计的计算量。当在维数过高估计时， 分析了采用降秩算法的检测性能。 最后，根据降秩技术中的交叉谱思想，提出了一种薪的对信号子空日j 维数减少时 的处理算法。仿真试验表明，本文研究的盲自适应多用户检删能够提供较好的检测性 能。 关键词：盲多用户检测，降秩，子空间追踪，可变阈值 作者：闫玉才 指导教师；董恩清 r e s e a r c ho fb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o nf o rd s c d m ，a s y s t e mb a s e do nr e d u c e d r a n ks u b s p a c e a b s t r a c t m u l t i u s e rd e t e c t i o ni sa l le f f i c i e mi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nt e c h n i q u ef o r3 gt h a tc a n r e d u c et h em u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c ef m a da n di m p r o v es y s t e mc a p a c i t y r e c e n t l y , b l i n d m u l t i - u s e rd e t e c t i o nw i t h o u tr e q m f i n gi n f o r m a t i o no fi n t e r f e r e n c eu s e r sh a sa t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na n di n t e r e s t s f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r y , t h es y s t e mm o d e la n dt h ep e r f o r m a n c em e a s u r eo ft h e m u l t i - u s e rd e t e c t i o na x ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eb l i n dm u l t i - u s e rd e t e c t i o nb a s e do ns u b s p a e ei s 搬u s s e d a n dt h e n , o n t h eb a s i so fs u b s p a e et r a c k i n g , d i m e n s i o ne s t i m a t i o n , r a n km d u c i n ga n dt h ed y n a m i c c o n d i t i o np r o c e s s i n g ，b l i n dm u l t i - u s e rd e t e c t i o nb a s e do nr e d u c e d - r a n ks u b s p a c ei s d i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d t h i r d l y , an e wr e d u c e d - r a n ks u b s p a c es e l e c t i o na l g o r i t h mv i av a r i a b l et h r e s h o l di s p r o p o s e db yu s i n gt h ef l e wa l g o r i t h m ，ap r o p e rr e d u c e d r a n ks u b s p a c ei so b t a i n e dq u i c k l y a n dt h er e s u l tc a l lb er e u s e d t h ei m p r o v e da k a t k em f o r m a t i o nc r i t e r i o n ( a i c ) i sa d o p t e d t oe s t i m a t et h ed i m e n s i o no ft h es i g n a ls u b s p a c ed u n n gt h es u b s p a c et r a c k i n g t h e c r i t e r i o nc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o no f d i m e n s i o ne s t i m a t i o no nt h eb a s i so f t h es a l l l ee r l o r p r o b a b i l i t y w h e nt h ed i m e n s i o no fs i g n a ls u b s p a c ei so v e r e s t i m a t e d , t h ep 曲r n l 纽c eo f t h eb l i n dr e d u c e d - r a n km u l t i - u s e rd e t e c t o ri sa n a l y z c d f i n a l l y , t od e a l 、v i t l lt h es i t u a t i o nt h a tt h ed i m e n s i o no ft h es i g n a ls u b s p a c ed e c r e a s e s ， an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h ei d e ao ft h ec r o s ss p e c t r a lm e t h o d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb l i n da d a p t i v em u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mp r o p o s e d i nt h ep a p e rs h o w ss u p e r i o rd e t e c t i o np e r f o r m a n c e k c y w o r d s ：b l i n dm u d ，r e d u c e d - r a n k ，s u b a p a c et r a c k i n g ，v a r i a b l et h r e s h o l d i i w r i t t e n b y ：y u c a iy a n s u p e r v i s e db y ：e n q i n gd o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 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 其他个人或集体已经发袭或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：童l 垂盈日期：垫! ：竺：! ! ： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合怍部、中国社科院文献信息倚报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。卒 人电子文档的内容和纸质论文的内窑相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内窖。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名 导师签名 日期：兰! ! ! ：竺：! ! 日期：2 j 心。， d s c d m a 系统中幕十降秩于宅问的留多用户柃测的研究 第i 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 移动通信作为通信行业中最活跃、增长最快、商业前景最好的领域得到突飞猛进 的发展。实现了移动通信手机的重量从几公斤到几十克，移动网络从地区覆盖到全球 覆盖的梦想。自从1 9 6 8 年贝尔实验室提出蜂窝移动通信系统的概念以来，移动通信 己经经历了两代系统的演变，第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在全球部分地区商用运 行。3 g 致力于实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点与任何人， 用任何方式通信in - ) 】。 蜂窝移动通信系统中以信道来区分通信对象，一个信道只能容纳一个用户进行通 信。许多同时通信的用户互相以信道来区分，就是多址。移动通信系统是一个多信道 同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在无线通信环境的电波覆盖区内， 如何建立用户之问的无线信道的连接是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的技 术叫多址接入技术。多址接入技术主要有频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 、时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s l 和码分多址 ( c d m a ，c o d ed l w s l o nm u l u p l ea c c e s s ) 。根掘扩频方式的不同，c d m a 可以分为跳时 扩频( t h s s ，t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 和直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 。直接序列 扩频可以用d s c d m a 表示。 多址接入方式是移动通信系统的体制范畴，选用哪种多址方式直接影响到系统的 频谱利用率、系统容量，小区结构、设备的复杂度及成本等。d s c d m a 以其高容量、 高频谱利用率，保密胜好、易于无缝切换和宏分集等优点成为第三代移动通信的多址 接入技术u - 3 。c d m a 技术的优点在己丌通的商用c d m a 移动通信系统中基本上得到 了体现，但应该看到，目柏的系统也存在一些不足。由于d s c d m a 系统中使用的扩 频码集一般并非严格正交，非零互相关系数会引起各用户问的相互干扰常称为 多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 。其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。多址干扰的存在带柬两个问题： l 、系统的容量受到限制 d s - c d m a 系统中摹十降秩了宅间的冉多用户榆测的研究 第1 章绪论 随着接入系统用户数的增加，m a i 的功率也在增加，致使误码率上升。因此 c d m a 系统容量虽然大于t d m a 和f d l a ，但仍然受限于m a i ，任何m a i 的减少 都将直接转化为系统容量的进一步增加。 2 、远近效应严重影响系统性能 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，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的信号各不相 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。 这种现象被称为远近效应1 3 1 。 因此，随着c d m a 系统商用化进程的加快，提高带宽效率，缓解m a i ，克服远 近效应的影响成为一个注目的课题。对此问题的一般解决方法主要有：设计具有良好 自相关和互相关特性的扩频码集、功率控制和智能天线等这些方法虽然能够减少 m m 对系统的影响，但都存在着各自的缺陷。 从接收机性能和系统容量的观点来看，c d m a 系统本质上是干扰受限的【4 ) 。从接 收机方面来看，意味着如果用户数目足够大，增加信噪比不能改善误码率。从系统容 量上看，意味着期望的服务质量所需的信号干扰噪划c ( s r n r , s i 髓a lt oi n t e r f e r e n c e p l u sn o s er a t i o ) 越大，通信系统中可按纳的用户数就越少。但c d m a 系统的干扰受 限特性是由接收机的设计引起的。在c d m a 系统中，接收机的饮心是扩频码的匹- 配 滤波器或右是扩频码的相关器。在这种接收机下，扩频码集的非严格正交表现为m a i 。 尽管可以将m a i 近似为加性高斯自噪声( a w g n 。a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e ) ，但 它本身是由c d m a 用户接收到的信号组成的。因此，m a l 只有特别的组成并且应该 在接收机中考虑。基于这种考虑，s v e r d u 分析了多址通信系统最佳多用户检测器 p 。1 ( m u d 。m u l t i - u s e rd e t e c t o r ) 。他证明了c d m a 系统本身不是干扰受限的，而是受 常规匹配滤波器式接收机的影响而造成干扰受限的。换句话说，可以修改接收机的设 计，用多用户检测束克服m a i 。 多用户检测的基本思想是，综合利用包括干扰用户在内的各种信息及信号处理手 段，抑制甚至消除m a i ，从而达到更准确检测期望用户信号的目的，并同时检测出 所有这些用户或某些用户信息的一种信号检测方法。多用户检测是国际上最新发展起 来的一项用以克服m a i 的技术，是第三代移动通信的关键技术之一。 2 d s c d m a 系统中茄子降秩子字闻的茸多用户检测的研究 第1 章绪论 1 2 国内外的研究现状 多用户检测理论研究源于八十年代初。早在1 9 7 9 年，k s s c h n e i d e r 就提出了将 多个用户的码元和定时信息联合起来，用于检测每个用户数据的多用户检测思想嘲， 并研究了迫零算法。随后，r k o i m o 又提出了多址干扰消除接收机嗍。多用户检测真 正引起广大研究者的关注则得益于s v e r d u 的工作，1 9 8 6 年s v e r d u 提出了多用户检 测的思想。认为m a i 是具有一定结构的有效信息，从理论上证明了采用最大似然序 列检澳g ( 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 c t o r ) 可以逼近单用户接收性能，并 有效地克服了远近效应，大大提高了系统容量，国内外从而开始了对多用户检测的广 泛研究。 往往称采用最大似然序列检测的多用户检测器为最优多用户检测器。但是 m l s d 结构是匹配滤波器组加上v i t e r b i 译码，复杂度为伙2 ) ，其中足为用户数。 由予指数级的复杂度阻碍了最优多用户检测器在工程上的实现，因此人们歼始研究各 种次优多用户检测器，目的是在保证一定性能的条件下能够将复杂度降低到工程上可 以接受的程度。目| j ，各国的研究人员己广泛地展开了对多用户检测技术的研究，并 已取得了许多可喜的成绩。 已提出的次优多用户检删技术可以按照不同的方法进行分类。一种方陵足将检测 算法分为集中式多用户检测算法和分散式多用户检测算法。集中式算幺进j ，真下的多 用户联合检测，即它们对每个用户的数掘符号进行联合检测，在基站接收机中使用它 们是切合实际的。分散式算法是根据在多用户环境中观测到的接收信号，包括m a i ， 来检测期望用户的数据符号，主要应用在终端接收机中。除了基于技术实现，按集中 式和分散式分类外，还可以按所使用的检测算法进行分类，主要有线性检测和非线性 检测两大类。其中，线性检测主要包括最小均方误差( m m s e 。m i n i m u mm e a ns q u a r e e r r o r ) 检测和解相关( d e c m u d ，d e c o r r e l a t i n gd e t e c c t o r ) 检测；非线性检测有多级型、 判决反馈型、基于神经网络的检测、基于支持向量机的检测以及基于进化算法的检测。 线性多用户检测器有完整的定量的数学描述与分析方法，并具有较大的理论研究 价值。但从工程上看。往往线性的不如非线性的。然而非线性的由于没有系统的数学 描述和分析工具，导致理论上研究较困难，但是仍可以利用一些工程数学方法，进行 粗略描述与分析，并重点引入计算机仿真进行较深入地分析与研究以弥补定量数学分 d s - c d m a 系统中草子降秩了卒间的育多用户拇蒯的研究 第1 章绪论 析的不足。线性多用户检测的结构是在匹配滤波器后加一个线性变换矩阵，变换矩阵 的选择是此类检测器的关键f 。 线性多用户检测主要有解相关和线性m m s e 检测器。m a i 是由于不同用户的扩 频波形不正交( 即存在线性相关) 引起的。因此，为了抑制m a i ，将所有用户扩频波 形之间的线性相关解除掉，使不同用户的扩频波形实现正交。这就是解相关检测器的 基本思想。解相关检测器在大多数情况下比传统检测器具有性能、容量上的提高，而 且不需要估计接收信号的幅度，与最大似然序列检测器相比计算复杂度大大降低。但 是解相关操作增强了背景噪声，而且互相关矩阵的逆的计算量仍然很大。 线性m m s e 检测器考虑了背景噪声，并利用了接收信号的功率值。其基本思想 是使实际数据和检测器的软输出之间的均方差最小，最后求出满足要求的解。m m s e 检测器在消除m a i 和不增强背景噪声之问进行了折衷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就不如解相 关检测器。 非线性多用户检测方法主要有多级型、判决反馈型、神经网络及支持向量机等几 种方法 i i - 1 5 j 。多级型多用户检测算法，根掘每一级各用户的检测形式不同，又可划分 成很多形式。若每一级各用户并行地采用匹配癔破器或相关器检测，这就是传统的并 行干扰消i 缘( p i c ，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 ) i “l 。若每一级的每个用户，根掘信 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消除 ( s i c ，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 t t a t i o n ) 1 2 l 。当然，每一级各用户还可以采用解相关 检测、m m s e 检测等算法，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。 多用户检测从本质上看，是一个组合优化问豚。因而，所有解决组合优化的算法 原则上均可适用于多用户检测。其中基于神经网络的解组合优化问题当然也适合多用 户检测，目前已经有许多神经网络方法应用于多用户检测问题。b a a z h a n g 等人首先 提出了一种用翮馈神经网络多层感知器神经网络实现的多用户检测方案 l ”，这 种检测器的性能大大优于传统接收机，但算法过于复杂、收敛速度慢且易陷入能量函 数局部极小点。采用经验风险最小化归纳原则的支持向量机有诸多优点，己提出了一 4 d s , c d m a 系统中甚于降秩了卒阃的青多用户 龠测的研究 第1 章绪论 些利用支持向量机的多用户检测器【1 5 j 。 在适用于基站接收机的集中式多用户检测中，多级并行干扰消除( p i c ) 是日前最 适合应用在采用单一扩频因子的c d m a 系统中的接收技术f 甜。但多级p i c 需要知道 干扰用户的扩频码，不能应用在针对c d m a 下行链路的分散式多用户检测。根据下 行链路的特点，盲多用户检测是较好的选择。 1 9 9 5 年，m h o n i g 等人首次提出了盲多用户检测技术【潲。盲多用户检测分为半 盲检测和盲检测两种。所谓半盲检测就是干扰用户特征波形部分己知、部分未知条件 下的检测，适用于小区基站；所谓盲检测就是不知道所有干扰用户特征波形条件下的 检测，适用于移动台，可以归结为分散式检测算法盲多用户检测通常用盲自适应算 法柬实现。传统的盲自适应算法首先要确定代价函数，然后确定迭代计算的方法。常 用的代价函数有m m s e 、平均输出能量( m o e ，m e a no u t p u te n e r g y ) 、恒模( c m ， c o n s t a n tm o d u l u s ) 等。还可分为没有约束和有约束的代价函数。而迭代算法可以用最 小均方( l m s ，l e a s tm e a ns q u a r e ) 、递归最小二乘( r l s ，r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s ) 等来实 现，它们是目前信号处理中最主要和应用最广泛的两种自适应滤波器。而在l m s 自 适应滤波算法中，应用最广的是简单随机梯度( s o ，s t o c h a s t i cg r a d i e n t ) 算法和有优良 收敛特性的l m s n e w t o n 算珐。但采用l m s 或r l s 算7 去的盲多用户枪删的复杂度仍 然很高，寻找复杂度更低的实现算法是盲多用户检测的主要任务。| 9 9 8 年，x l a o d o n g w a n g 提出了一种基于子空问的盲多用户检测算法【1 7 】。由于基于子空l 刨算法在提高检 测性能和降低计算复杂度方面具有良好的表现，吸引了更多的目光”s - ”l 。 制约多用户检测商用的主要因素是复杂度高。以现有的技术和硬件条件，多用户 检测花费在硬件上的代价可能大予采用多用户检测获取的系统性能和容量上的收益。 这使得目前的c d m a 系统( 如i s 。9 5 ) 情愿依靠其它技术，如功率控制柬减小远近效 应和提高系统性能。虽然多用户检测技术有它的局限性，但是瑕不掩瑜，其抗干扰的 优越性是大家公认韵。迄今为止多用户检测技术已经获得了长足的进步，成为c d m a 移动通信系统中抗干扰的关键技术。以目的的器件水平束实现多用户检测算法，还有 很大的难度。多用户检测想步入商用就要在复杂性和性能之间做个折衷，即牺牲一部 分性能来换取实际可接受的硬件复杂度。如果配合功率控制、r a k e 接收机等其它 c d m a 关键技术，系统性能的牺牲也不会太大。而且随着器件水平的飞速发展，多 d s - c d m a 系统中摹于降秩于卒间的离多用户揄测的研究第1 章绪论 用户检测商用的日子可以提| ； 到来。综上所述，算法复杂度低、性能优良的盲多用户 检测算法是目前研究的重点。 1 3 本文的主要内容 多用户检测技术是无线通信信号处理中的研究热点。针对目前存在的主要问题和 发展方向，本文着重对基于子空间的盲多用户检测算法进行了理论研究和数据仿真。 论文主要内容如下： 第2 章讨论了多用户检测技术的基本原理，研究的系统模型和性能测度。着重讨 论了线性多用户检测器：解相关多用户检测和线性m m s e 多用户检测，特别是盲多 用户检测器，并给出了直接法求解的盲多用户检测。 第3 章在介绍特征予空间原理的基础上，引入基于子空间的盲多用户检测，并把 快速的子空间追踪算法和子空间维数估计算法作为主要研究内容。提出了一种改进的 a i c ( a k a i d ei n f o r m a t i o nc r i t e r i o n ) 。仿真试验表明这种改进的a i c 在不提高估计误差 概率的基础上降低了维数估计的计算量。 第4 章首先由基于子空问的线性m m s e 多用检测器的直观描述引出降秩m m s e 多用户检测器的思想。然后把研究重点放在降秩子空间的选取算法上，提出了一种基 于可变阈值的降秩子空间选择算法。它能较快地得到合适的降秩子空i 日j ，且计算结果 具有可重用陆。最后用一个完整的盲多用户检测方案的仿真试验对本文提出的维数估 讨算法、降秩予空| 日j 选择算法和基于降秩思想的动态处理方法进行综合评价。仿真结 果表明该盲多用户检测方案能够较好地跟踪信道的动态特性并具有较好的检测性能。 6 d s c d m a 系统中摹于降秩于窀问的育多用户检测的研究 第2 章多用户椅删技术 第2 章多用户检测技术 在c d m a 移动通信系统中，干扰大致可以分为三种类型：加性白噪声干扰、码 间干扰0 s i ，l m e r _ s y m b 0 1i n t e r f e r e n c o 和m a i 。当同时通信的用户数较多时，m a i 成 为最主要的干扰。m a i 不仅严重影响系统的抗干扰性能，而且也严重限制了系统容 量的提高。因此抵抗与限制m a i 就成为c d m a 移动通信系统的一项主要任务。 多用户检测技术，是一类新型抗多址干扰技术。目前它在理论上已日趋成熟，但 是由于实现很复杂，因此尚未正式实用化。但由于在第三代移动通信系统中，已考虑 将它列入第二期准备采用的新技术之一。各国纷纷加快了对多用户检测研究的步伐。 如日本主要研究多级干扰抵消检测，美国主要研究自适应线性多用户检测，欧洲标准 协会( e s a ) 在i m t 2 0 0 0 的候补建议中，提出i j 向链路采用m m s e 检测。本章将详细 论述多用户检测技术的基本原理，分类与目静的发展现状。 2 1 多用户检测的基本原理 本节将介绍多用户问题的产生、多用户检测器的基本结构、优缺点和基本分类1 3 1 。 2 1 1 多用户问题的产生 多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理i3 1 。无线信号可以表达为时间、 频率和码型的函数，即可写成 s 0 ，f ，) = c ( ，) j ( 0 ( 2 1 ) 式中，c ( ，) 是码型函数，s ( f , t ) 是时问，和频率的函数。当以传输信号的载波频率 不同束区分信道建立多址接入时，称为f d m a ；当以传输信号存在的时间不同来区 分信道建立多址接入时，称为t d m a ；当以传输信号的码型不同柬区分信道建立多 址接入时，称为c d m a 。 c d m a 中的不同用户信号经过扩频序列扩频后在相同的频带内不区分时问发 送，接收机通过将接收的信号与某一用户的扩频序列做相关运算以提取 幺用户的数据 符号这就存在一个前提，即是不同用户的扩频码要严格正交。然而，理论上已证明， 同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进制扩频码是不存在的，这就是著名的 里! 兰里! 竺墨丝主苎鬯堡三! 婴塑曼垩要生竺型塑竺塞 蔓! 皇兰里宝竺型垫查 w b l c h 界洲。扩频码非严格正交和传统的匹配滤波器接收机是m a i 产生的原因，是 c d m a 系统成为干扰受限系统的根源。因此，削弱和克服m a i 可以从扩频码的设计 和接收机设计着手。目前，克服m a i 的主要措施有： 1 、工程实用化的码型设计 既然已知m a i 是由于扩频码的互相关函数不为零引起的，显然互相关越小，m a i 影响就越小w e l c h 界的存在使此努力变得困难，而且无线信号恶劣的传输环境和同 步不精确都会引起相关性能的下降。 2 、功率控制技术 目前商用的c d m a 系统中主要采用功率控制技术来处理m a i 问题，以减小彼此 间影响来提高系统容量，但功率控制的方法并没有从接收信号中真正去除m a i ，只 能暂时缓解这种矛盾，不能从根本上解决问题；另一方面，由于信号在移动通信信道 中呈现瑞利衰落，功率控制系统无法补偿由快衰落引起的信号功率变化，特别是当移 动台速度很快时，功率趁制技术会失效。 3 、智能天线技术 它的基本思路是将小区内的m a ! 按区日j 区域将大区划成小区，将多用户干扰从 整个小区划成为局限于若干个小区的局部小区，以达到在每个子小区内碱少m a i 影 响的目的。 4 、多用户检测技术 多用户检测是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的种新型抗m a i 技 术，是从改变接收机结构方面着手的。通过多用户检测可以实现一箭三雕的作用既可 以抗m a ，又可以抵抗远近效应和i s i ，从而提高系统的频带效率和容量，增加小区 的覆盖范围。 采用多用户检测的接收机改变了c d m a 系统干扰受限的本质，充分利用了扩频 码的己知结构信息。在通常的c d m a 接收机中，都将m a i 看作等效白噪声的无用信 息束处理，这是一种消极的处理方法。实际上m a i 本质上并不是纯粹无用的白噪声， 而是有着强烈结构性的伪随机序列信号。在用户间的相关函数都是已知的情况下，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柬进一步消除它所带束的 负面影响，以达到提高系统性能的目的。 d s - c d m a 系统中单十降秩f 卒问的富多用户检测的研究 第2 章多用户榆铡技术 2 1 2 多用户检测器的基本结构 传统的单用户检测接收机采用扩频码匹配滤波器【3 】( 见图2 1 ) ；它将m a i 当作加 性高斯白噪声柬处理，这是一种消极的处理方式。 充分利用有用的己知结构信息与统计信息联合检测的多用户检测接收机，如图 2 2 所示 图2 i 传统检测器结构 一兰鲨卜 多 用 厂1 柠 删 算 l 匹配瘟2 吱器i法 1 ( 用，、足) r _ 。 图2 2 多用户检测器的一般结构 2 1 3 多用户检测器的主要优缺点 输出判决结果 ( 用户1 ) 输出判决结果 ( 用户x ) 输出判决结果 ( 用户1 ) 输出判决结果 ( 用广l 量) 多用户检侧器的主要优点： 1 、是消除或减弱m a i 、远近效应的有效手段。 2 、简化功率控制，降低功率控制精度。由于m a ! 以及远近效应所产生的影响大 大减少，这样功率控制的负扫得以减轻。 3 、改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。尽管相邻小区所引发的 m a i 使得容量的扩张受到限制，但这种扩张还是相当可观的。而且这种限制 可以通过把柬自相邻小区的信号也纳入多用户检测算法而加以改善。 9 d s c d m a 系统中基于降秩了守阐的盲多用户榆测的研究 第2 帝多用户检测技术 4 、更高效地使用功率。干扰的减弱一定程度上减少了所需要传送的功率。换句 话说，相同的传输功率可以用来扩充覆盖地区的大小。 多用户检测的主要缺点； 1 ，大大增加系统设备的复杂度。 2 、增加系统时延，特别是当采用自适应算法和较长扩频码的系统更是如此。 3 、多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于实际的多径时 变信道则不是一件容易的事，它需要通过不停的信道估计束实现，而且估值 的精度将直接影响多用户检测器的性能。 4 、在下行信道执行多用户检测有难度。由于受到费用、体积、重量等诸多因素 的影响，目前很难将多用户检测用于移动台，主要还只能用于基站方面。 5 、来自其它小区的m a i 依然存在。由于上行和下行信道在各个小区间要实行复 用，所以一个小区发射的信号势必会对其相邻小区造成干扰。如果检测算法 中没有考虑这种情况，那么性能自然会有所下降。存在着一种容量扩张的上 限，它可以通过比较在使用多用户检测和不使用两种情况下系统的总体干扰 束得到。如果忽略背景噪声，不使用多用户检测时系统的总体干扰为 f 。= m a j + 刀w ，。其中，。，是同小区用户引发的m a ，f 足柬自其它小区的 m a i 与本小区m a i 的比率( 又称作溢出率) 【3 1 。使用多用户检删时考虑一种理 想情况，所有的同小区干扰都被消除了，那么只剩邻区干扰，即总体干扰为 ，l = 几，所以最大容量增益因子降为，；i i o = ( 1 + f ) f a 2 1 4 多用户检测的基本分类 多用户检测技术经过二十多年的发展，提出了很多多用户检测算法。所有出发点 都是在发挥多用户检测优点的同时尽可能克服其缺点。由于最优多用户检测器难以克 服的复杂度，让人们的目光投向了次优多用户检测器。已提出的次优多用户检测技术 可以按照不同的方法进行分类。图2 3 给出了按所使用的方法对次优多用户检测器进 行分类的一种情况。 1 0 2 2 系统模型和性能测度 幽23 多_ l f j 户检删器的基本分类 2 2 1 同步c d m a 系统模型 考虑由足个用户组成的同步c d m a 高斯白噪声信道，等效基带接收信号可以表 示为【2 抛5 l ： 室 ， ，( ，) = a i 6 i ( ，) s i ( r i t ) + o n ( t ) i - l- 一m ( 2 2 ) d s - c d m a 系统中基于降秩了宅问的商多用户检测的研究 第2 帝多用户检测技术 其中2 膨+ 1 是一帧数据的符号数t 丁是字符问隔t4 、鼽o ) 一1 ，l 、o ) 分别是 第七个用户的信号幅度、符号序列和归一化信号波形。甩( f ) 是单位功率谱密度的高斯 白噪声假设仇为等概率取值为l ，且独立的随机变量。对于直接序列扩频( d s s s 。 d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，用户t 的信号波形可以表示为： 姒，) - 专黔础哏) ，f o ，n 式中( 尉，群，雕，) 是用户k 的扩频序列，伊是在瓦内有效的归一化码片波形， n = r r o y 口扩频增益。 在接收端，接收信号，( r ) 经扩频码匹配滤波器滤波，然后以码片速率抽样。对应 于第i 个符号的第，个码片的采样值由下式给出： 【f 】= 。 4 t + c 。+ i ) i r ( f ) 加一f r j r o ) e t ，_ ，= o ，n l ；j = o ，m 一1 ( 2 4 ) 那么第f 个符号的离散时日j 信号可以由式( 2 5 ) 给出。 f ， 1 】= 4 岫h + n o = s a b i t + 眦l 】 ( 2 5 ) 女，i 上式中， 棚= k 田1 【j 1 铀时， 殴2 ( 夕知) 【露钟威一；】“， 一【f 】；k 【f 】珂一【j 】r 其中万】= j ：“儿聆( r ) 妒( ，一盯一，瓦) 疵是实部和虚部统计独立 的复高斯随机变量，且矗【f 】一以( o ，仃2 ，) ，j r 。表示n 阶单位阵。s = i s 。】， 4 = 诫昭( 4 ，a 。) 叩】= 【6 。 f 】k 【l 】r 。 假设用户1 为期望用户。根据接收信号 ，【f 】) ，m i 。- 1 ，期望用户的数据符号 岛【f 】) ：一 可以用一权向量为峨e c ”的线胜检测器检测。 ：。【f 】= 吖，【f 】 ( 2 6 ) 嗣 f 】= j 增即册( 一? z 。 m ( 2 7 ) 如果期望用户的幅值 是未知的，可以采用差分检测。定义差分比特如下式所示： d s _ c d m a 系绕中肇于降秩了宁间的盲多用户捡测的研究 第2 帝多用户榆测技术 届 f 】= 6 i 【f 强p 一1 】( 2 8 ) 根据式( 2 6 ) 所表示的线性检测器的输出，可以用下式所示的规则进行差分检测； 矗 订= j i 卵 9 l ( 毛 力z 。 f 一1 】) )( 2 9 ) 把式( 2 5 ) 代入式( 2 7 ) ，检测器q 的输出可以写成， 五【，】= 4 ( ，而) 6 i 【习+ 4 ( 吐，s k ) b , j o + 埘l ，n o ( 2 1 0 ) 在式( 2 1 0 ) 中，等号右边第一项包含了期望用户的有用信息，第二项是其它用户的干 扰信息，也就是m a i ，最后一项是高斯自噪声。最简单的线性检测器是传统的扩频 码匹配滤波器，此时q = ，这样的检测器只有在单用户信道( 足= 1 ) 中才是最佳的。 在多用户信道中匹配滤波器不能有效去除m a i ，检测性能恶化。因此必须要采用多 用户检测器，才能消除m a i ，克服远近效应，提高c d m a 系统的性能和容量。 2 2 2 性能测度 在多用户检测器的性能评价中，误码率、渐近多用户有效性和抗远近效应能力是 三个重要的性能测度。 1 、误码率0 3 e b i te r r o rr a t i o ) 在多用户检测中，最关心的性能指标是检测器在高信号背景噪声比范围内的误码 率。大多数通信系统的基本目标都是减少误码率。假定在高斯白噪声信道中只有一个 具有能量丘的用户t ，而噪声方差为盯2 。该用户的误码率定义为； 只。( 盯) = q ( j 拳) ( 2 _ 1 1 ) 式中，下标s “表示单用户系统，而9 ( 5 了嘉1 f 口年7 2 如为q 函数。当存在于扰用户 时，误码率会增大。此时，在定义式( 2 1 1 ) 中，需要用期望用户k 的有效能量( e f f e c n v e e n e r g y ) e t ( 代替其实际能量e ，即在多用户系统中期望用户的误码率定义为： 她) _ q ( j 学) ( 2 1 2 ) d s - c d m a 系统中蕞于降秩亍窄间的音多用户检测的研究第2 章多用户检测技术 其中，吼( 定义了第个用户达到只。( 引( 在同样的高斯白噪声信道中无干扰用户时 的误码率) 所需的能量，称为有效能量。 2 、渐进多用户有效性【5 ( a s y m p t o t i cm u l t i u s e re f f i c i e n c y ) 即使背景噪声不能忽略，重点关心的还是由m a i 引起的检测器性能损失。这一 性能损失常用渐近多用户有效性柬度量。渐近多用户有效性是s v e r d u 于1 9 8 6 年引 入的，它是衡量干扰用户对期望用户误码率影响的测度，常称为渐近有效性。多用户 有效性定义为多用户系统达到单用户系统相同误码率( b e r ) 时所需要的能量与单用 户系统所需能量之比，即： 仇( 盯) ：! 掣 ( 2 1 3 ) 当噪声方差趋于零即盯一0 时，有效性仇( f ) 的极限称作为第七个用户的渐近有效性， 记作仇也就是说，渐近多用户有效性定义为在高信噪比范围内多用户有效性矾 的极限，写作： 仇：l i m 掣 ：知卜s 捌 伫。1 4 渐近有效性仇的取值介于0 和1 之间。下面给出了其具体的含义：在背景噪声趋于 零但误码率只( 盯) 并不趋于零的情况下，渐近有效性仇= o 。这表明，在没有任何背 景噪声的情况下，单用户检测器也存在非零的误码率；反之，难的渐近有效性意味着 误码率不仅随盯趋于零，而且衰减速率为l o r 2 。另一方面，仉= 1 则表示用户k 丝毫 不受其它用户的干扰。渐近有效性具有显式表示，可以定量地反映m a i 对检测器性 能的影响，或者说是反映不同检测器抗m a i 能力的大小。 3 、抗远近效应能力 接收功率的不等会引起远近效应，接收功率弱的用户会被接收功率强的用户淹 没。因此，就要求多用户检测器具有一定的抗远近效应的能力。抗远近( 效应) 能力 ( n e a r - f a r r e s i s t a n c e ) 就是用来描述检测器抗远近效应能力的量。抗远近能力定义为在 4 d s c d m a 系统中肇干降秩了中间的冒多用户榆剽的研究第2 章多用户检测技术 所有有关用户能量范围内测量到的最坏情况下的渐近有效性。即： 玩= i n fr h ( 2 1 5 ) e ，o 础 式中i n f 表示下确界。抗远近能力取决于特征波形和解调器。 远近效应问题在具有移动用户的通信系统中是最常见的，因为移动用户信号的接 收能量不能保证为常数。此外，还有计算复杂度、最小输出方差、能量损失因子、输 出s i n r 等束衡量多用户检测算法的性能。由于高的s l n r 意味着低的误码率，本文 将主要用输出s i n r 来衡量多用户检测器的性能。 2 3 线性多用户检测器 线性多用户检测器是次优多用户检测器中重要的一类，其性能远远优于传统的检 测器( 最优检测器也是线性检测器的一种) 。线性检测器的基本结构是在匹配滤波器后 加上一个线性变换矩阵，以使其性能下降允许范困内，最大可能的简化实现复杂度， 所以这时问题可归结为如何求线性变换矩阵矿，由于次最优并无确切定义，不同的 线性变换矩阵可以产生不同形式的次优多用户检测接收机。次优的线性多用户检 测器主要有线性解相关和线性m m s e 多用户检测科筋1 。 2 3 1 线性解相关多用户检测 对于用户1 的线胜解相关检测器，q = d c “。检测器满足和谈收信号， j