（通信与信息系统专业论文）dscdma与mccdma系统中的多用户检测技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 随着现代化数字移动通信技术的飞速发展，第三代及三代后移动通信必将使 人们的工作和日常生活更加便捷、丰富。为提供丰富的多媒体业务及高速数据业 务，无论是第三代还是三代后移动通信系统都需要更高的无线容量。增加无线系 统容量的最直接的方法通常有两种，要么增加无线带宽，要么增加发射功率。然 而，这两种方法在现代无线网络中都是严格受限的。因此，最近几年人们致力于 研究新的信号发送技术和先进的接收机信号处理方案来提高无线容量，多用户检 测技术便是其中的一个主要研究方向。 在c d m a 标准中，d s c d m a 技术是其中的重要部分，是实现无线多媒体 通信的关键，但d s c d m a 不适合于非常高的速率传输。因此，人们将o f d m 同d s c d m a 相结合，形成适用于高速率传输的m c c d m a 。m c c d m a 被公 认为是未来宽带无线通信中非常有前途的一个方案。 本文主要研究d s c d m a 系统及m c c d m a 系统中的多用户检测技术。本 文在第二章中首先阐述了在c d m a 系统中引入多用户检测技术的必要性，着重 介绍多用户检测技术的基本原理及最佳多用户检测器。然后，按照线性、非线性 的分类方式详细介绍了若干种常用的次优多用户检测器的实现方法，指出它们各 自的优缺点，并给出它们的性能仿真结果。 第三章首先简要介绍了离散小波变换及小波多分辨率分析算法，然后详细 阐述了作者在研究离散小波变换过程中提出的改进型小波多分辨率分析算法，给 出了相应的分解、重构公式，并加以证明。利用改进型小波多分辨率分析算法和 正交镜像对称滤波器组，作者又提出一种新型小波梳状滤波器的实现方法。该小 波梳状滤波器在各频段都具有相同频率分辨率。接下来，将离散小波变换引入异 步d s 。c d m a 系统的多用户检测中，提出一种小波多用户检测方案，并给出性能 仿真结果。最后，介绍遗传算法的原理及实现，并利用遗传算法对小波多用户检 测器的输出进行优化，形成基于小波与遗传算法的混合多用户检测方案，并给出 性能仿真结果。 第四章扼要地介绍了t 1 1 r b o 码编、译码器及最大后验概率译码算法，论述了 基于t u r b o 原理的迭代处理技术及其应用。在前人工作的基础上，针对r a y l e i g h 慢衰落信道下采用t u r b o 编码的d s c d m a 系统，提出一种简化的基于m m s e 准则的t u r b o 多用户检测方案，并给出其性能仿真。 浙江大学博士学位论文 第五章探讨了异步m c c d m a 的系统中基于子空间的解相关、最小均方误 差、符号间解相关检测器，详细推导了适用于符号间解相关检测器盲自适应实现 的改进投影逼近子空间跟踪算法，分析了改进算法的跟踪能力，并给出基于子空 间的解相关、最小均方误差、符号间解相关检测器的性能仿真结果。介绍了在前 人工作的基础上，提出的适用于异步m c c d m a 系统的最小误比特率多用户检 测器，并给出该检测器的b e r 性能及系统容量的仿真。 关键词：多用户检测；直接序列码分多址( d s c d m a ) ；多载波码分多址 ( m c c d m a ) ；小波变换；遗传算法：t u r b o 迭代处理；子空间跟踪 浙江大学博七学位论文 a b s t r a c t i tj se v i d e n tt h a tt h e3 r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) a n db e y o n d3 g ( b 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o n w i l i g r e a t l yf a c i l i t a t ea n de n r i c ho u rw e r ka n dd a i l yl i f e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e r nd 西i t a lm o b i l ec o m m u n j c a t i o nt e c h n i q u e s 1 no r d e rt op r o v i d ec o l o f l u lm u l t i m e d i a s e r v i c ea n dh i g hr a t ed a t as e n i c e t h e3 ga n d1 3 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e dh i g h e r w i r e l e s sc a p a c i t yt h et r a d i t i o n a lr e s o u r c e st h a th a v eb e e nu s e dt oa d dc a p a c i t ya r er a d i o b a n d w i d t ha n df r a n s m i t t e rp o w e r h o w e v e r ，t h e s et w or e s o u r c e sa r ea m o n gt h em o s t s e v e r e l yl i m i t e di nt h ed e p l o y m e n to fm o d e mw i r e l e s sn e t w o r k s t h e r e f o r e ，p e o p l eh a v e s t a r t e dt oi n v e s t i g a t en o v e ls i g n a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sa n da d v a n c e dr e c e i v e rs i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d st oi n c r e a s ew i r e l e s sc a p a c i t yw i t h o u ta t t e n d a n tj n c r e a s el nb a n d w j d t h o rp o w e rr e q u i r e m e n t s a n dm u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c hd o m a i n s d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( d s c d m a ) t e c h n i q u ei sa nl m p o r t a n t p a r t o ft h ec d m as t a n d a r d sa n di tj st h ek e yt oi m p l e m e n tt h ew i r e l e s sm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s b u td s c d m ai sn o ts u i t a b l e 。t ot h ev e r y h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e t h e r e f o r e d s c d m ai sc o m b i n e dw i t h o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t of e r mt h em u l t i c a r r i e rc d m a c - c d m a ) w h i c hc ans u p p o r th i g hr a t e t r a n s m i s s i o n m c c d m aj st h ea c k n o w l e d g e dm o s tp r o m i s i n gs c h e m ef o rf u t u r ew i d e b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h em u l t i u s e r d e t e c t i o ni nd s - c d m aa n dm c - c d m a s y s t e m s 1 nc h a p t e r2 t h en e c e s sj t yo fi n t r o d u c i n gm u l t i u s e rd e t e c t i o ni nc d m as y s t e m s i se x p o u n d e da n dt h ep r i n c i p l e so fm u l t i u s e rd e l e c t i o na n dt h eo p t i m a im u l t i u s e rd e t e c t o r a r ep r e s e n t e d 。t h e n 。s e v e r a lc o m m o n l yu s e di i n e a ra n dn o n l i n e a rs u b o p t i m a im u l t i u s e r d e t e c t o r sa r ed e s c r i b e d a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ep o i n t e do u t r e s p e c t i v e l y l a s t l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s es u b o p t i m a ld e t e c t o r sa r eg i v e n 1 nc h a p t e r3 t h ed i s c r e t ew a v e t e tt r a n s f o r ma n dw a v e l e tm u t t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ( m r a ) a l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e db d e f l y t h e n a ni m p r o v e dw a v e l e tm r aa l g o r i t h mp r o p o s e db y t h ea u t h o ri si i l u s t r a t e di nd e t a i l 。a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e c o m p o s i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n f e r m u t aa r ep m p o s e da n dd e m o n s t r a t e d 。u s i n gt h ei m p r o v e dw a v e l e tm r aa l g o r i t h ma n d c o n j u g a t eq u a d r a t u r ef i l t e r s ，l h ea u t h o rp r o p o s e san o v e lw a v e l e tc o m bf i l t e r w h i c hh a s t h es a m er e s o l u t j o n na l if r e q u e n c yb a n d sa n dc a nd e t e c tt h ef r e q u e n c yc o m p o n e n t so n t h ec r o s sp o i n t so fn e i g h b o n n gs u b b a n d s f nt h es e c o n dp a r to ft h i sc h a p t e r ，l h ed i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r mj si n c o r p o r a t e dj n t ot h em u l t i s e rd e t e c t i o nf o ra s y n c h r o n o u sd s - c d m a s y s t e m s ，a n df e r mt h ew a v e l e tt r a n s f o r mb a s e dm u i u u s e rd e t e c t o r ( t m u d ) l a s t l y ，t h e p r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a r ei n t r o d u c e d ，t h 6 1 3t h eg ai 3 u s e dt oo p t i m i z et h eo u t p u t so fw t m u d a n ds of o m 3t h eh y b r i dw a v e l e tt r a n s f o r ma n d g ab a s e dm u l t i u s e rd e t e c t o rf v 盯g a m u d ) i nc h a p t e r4 ，t h ee n c o d e ra n dd e c o d e ro ft u r b oc o d e a n dm a x i m u ma p o s t e r i o r i p r o b a b i l i t y ( m a p ) d e c o d i n ga l g o d t h m a r ed e s c r i b e dc o m p a c t l y a n dt h ei t e r a t i v e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sb a s e do nt u r b op r i n c i p l e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e d a 浙江大学博士学位论文 r e d u c e dt u r b om u l t i u s e rd e t e c t i o ns c h e m eb a s e do nm j n i m u mm c a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) c r i t e d o ni sp r o p o s e d w i t hi ss u i t a b l ef o rt u r b oc o d e dd s c d m as y s t e m si nf i a tr a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l s i nc h a p t e r5 ，t h es u b s p a c eb a s e dd e c o r r e l a t i n gd e t e c t o r m m s ed e t e c t o r ，a n di n t e 卜 s y m b o ld e c o r r e l a t i n gd e t e c t e ra r ed i s c u s s e di na s y n c h r o n o u sm c c d m as y s t e m s a n i m p r o v ep r o j e c t i o na p p r o x i m a t i o ns u b s p a c et r a c k i n ga l g o r i t h mi sd e r i v e d a n di t st r a c k i n g a b i l i t yi sa n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t so fs u b s p a c eb a s e dd e c o r r e l a t i n g d e t e c t o r m m s ed e t e c t o r ，a n di n t e r - s y m b o ld e c o r r e l a t i n gd e t e c t o ri m p l e m e n t e db yb l i n d a d a p t i v ea l g o r i t h m sa r eg i v e n a tl a s t am in j m u mb j te r r o rr a t ed e t e c t o rf o ra s y n c h r o n o u s m c c d m as y s t e m s a n di t sp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na r eg i v e n k e yw o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n d s c d m a ，m c c d m a ，w a v e l e tt r a n s f o r m g e n e u c a l g o r i t h m ，t u r b oi t e r a t i v ep r o c e s s i n g ，s u b s p a c et r a c k i n g 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 现代化的数字移动通信已经成为人们生活和工作中必不可少的一部分。结合 了互联网和高移动性的第三代( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通信不仅可以进行通话 和低速数据通信，还能满足图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速数据业 务的需求。人们可以方便地进行上网浏览、收发电子邮件、使用可视电话视频点 播等多媒体业务和进行电子商务等活动。 3 g 移动通信系统以提供移动环境下的多媒体业务和宽带数据业务为主，是宽 带数字系统，采用以宽带码分多址为基础，结合时分多址的通信复用方式，数据 速率可达2 m b p s 。目前，4 g 技术研究业已全方位展开，全球著名的电信厂商都在 努力架设通向未来的4 g 之桥，为新一代的通信标准提供全面智能的解决方案。 同3 g 技术相比，4 g 的带宽更宽、速率更高、接入方式更复杂、接入接口标准更 多。 为提供丰富的多媒体业务及高速数据业务，无论是3 g 还是b 3 g ( b e y o n d3 0 ) 移动通信系统都需要更高的无线容量。增加无线系统容量的最直接的方法通常有 两种，要么增加无线带宽，要么增加发射功率。然而，这两种方法在现代无线网 络中都是严格受限的。因此，最近几年人们致力于研究新的信号发送技术和先进 的接收机信号处理方案来提高无线容量u - 6 1 ，多用户检测技术便是其中的一个主要 研究方向。 目前，多用户检测技术的局限性主要表现在算法复杂度高，不易在实际的系 统中实现。但这局限性只是暂时的，随着数字信号处理技术和微电子技术的发 展，降低复杂性的多用户检测技术必将在3 g 、4 g 移动通信系统中得到广泛的应 用。 本文主要研究直接序列码分多址系统( d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，d s c d m a ) 及多载波码分多址系统( m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，m c c d m a ) 中的多用户检测技术。 本章将简要介绍本文的研究背景，主要包括d s c d m a 、m c c d m a 、t u r b o 码、多用户检测技术介绍，以及本文的主要工作和创新。 1 1 c d m a 技术简介7 】 c d m a 技术是扩频通信技术在多用户通信系统中的应用。在c d m a 系统中， 各用户都分配了不同的正交扩频码，利用扩频序列的正交性，可以使所有用户在 所有的时间共享相同的频谱。由于扩频序列具有类似于噪声的互相关特性，增加 第一章绪论 c d m a 系统中的用户数只是提高了噪声平台。因此，只要有足够多的扩频序列， c d m a 技术就能实现软容量。 扩频通信技术采用大大宽于信息带宽的频带进行信号传输，通过扩频处理增 益形r ( w 为扩频带宽，盖为数据信号带宽) 对干扰进行抑制。扩频技术的主要 用途有：抗于扰、抗多径多址通信、信号低检测性和保密性、低辐射流密度、识 别、导航。扩频主要有三种方式：直接序列( d i r e c e ts e q u e n c e ，d s ) 、跳频( f r e q u e n c y h o p p i n g ，f h ) 和跳时( t i m eh o p p i n g ，t h ) 。与此相应，扩频系统也有三种类型。 在d s 扩频系统中，正负二进制基带数据波形的符号速率通过与码片速率远 大于信号速率的伪随机正负二进制波形相乘得以增加。这相当于扩展了数据波形 的带宽，对于相同信号能量而言，这将使波形频谱密度降得很低而类似噪声。 在f h 扩频系统中，载波频率在一个码序列的控制下离散地跳动，信号频率 在一定的时间间隔里保持不变，这个时间间隔即为跳频周期。如果是z ( 符 号周期) 的倍数，即在每跳中有多个符号，这样的系统称为“慢f h ”。如果是正 的约数，即一个符号占用多个跳频周期，这样的系统称为“快f h ”。 在t h 系统中，传输时间被分成若干个时间间隔，称之为帧，每一帧又分成 许多时隙。在每一帧的时间中，只有一个时间片用来传输信息。 目前在通信系统中得到广泛应用的是d s 扩频，这种扩频方式直接支持c d m a 接入方式。当d s 扩频方式同p s k 调制一起使用时，就形成了d s c d m a 。 1 1 1d s c d m a 技术简介 在c d m a 标准中，d s c d m a 技术是其中的重要部分，是实现无线多媒体通 信的关键。d s c d m a 技术最早起源于欧洲和日本的第三代无线研究活动。日本 于1 9 9 6 年推出了一套d s c d m a 的实验系统方案，并得到了当时世界上主要的移 动设备制造商的支持。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 极大地推动了d s c d m a 技术的 发展，加快了d s c d m a 的标准化进程，并最终使d s c d m a 技术成为r r u 批准 的国际通信标准。 d s c d m a 技术遵循i t u 规定的i m t 2 0 0 0 规格，以w c d m a 方式为基础的 一种通信技术。该技术能够利用5 m h z 的信道提供高达2 m b p s 的数据速度，同时 能够扩大系统容量，提高通话时的语音质量，降低通话的掉线率，支持i p 数据服 务；d s c d m a 技术除了能提供窄带业务( 如话音业务) 之外，还能提供多种用 户速率通信，以及根据不同业务提供不同服务等级的能力。 d s c d m a 基于a n s i 4 1 核心网，它使用新的频带，采用f d d 工作方式，码 片速率为3 8 4 m b p s 。d s c d m a 有更大的覆盖范围，采用自适应天线及多用户检 测等新技术，并可支持频率间切换。由d s c d m a 技术组成的通信系统通常包括 浙江大学博士学位论文 无线基地局装置、无线网络控制装置、多媒体信号处理装置。d s c d m a 系统的 空中连接采用5 m h z 、1 0 m h z 或2 0 m h z 的无线信道。 1 1 2 m c c d m a 技术简介 尽管d s c d m a 有上述的优势，但它不适合于非常高的速率传输。例如，当 速率为1 0 0m b p s 时，多径传输将导致严重的码片间干扰，并且很难对这么高速的 扩频码进行同步【8 l 。 为了进行高速传输，人们提出了多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 方案。在m c m 中，一个比特流被转换成若干个并行的子流，并同时在不同的子 载波上传输【9 】。每个子流以低得多的速率传输，从而在降低系统对物理信道的延 时扩展的敏感度同时，还能保持整个系统的初始高速率。对于高速无线系统，当 信号比特的持续时间同信道延迟扩展可相比拟时，m c m 便是对抗符号间干扰 ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的一种有效方法。 正交频分多路复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u n i p l e x i n g ，o f d m ) 作 为m c m 的一个特例，在欧洲已经被用于数字音频广播及数字地面电视广播 9 1 ”。 无线局域网标准：e e e 8 0 2 1 l a 及h p e r l a n 2 也选用o f d m 作为物理层标准。在 o f d m 系统中，利用逆离散傅立叶变换将并行子数据流调制到子载波上【l 。o f d m 予载波间隔为符号持续时间的倒数。因此，虽然各子载波的频谱互相重叠，但却 是彼此正交的e 1 3 】。子载波的紧密排列使得o f d m 可以有效地提高频谱利用率1 1 4 , 1 5 1 。 将m c m 同d s c d m a 相结合，可形成多载波d s c d m a ( m c - d s c d m a ) 【”j 和多音c d m a ( m u l t i t o n ec d m a ，m t - c d m a ) 【1 7 j 。将o f d m 同d s c d m a 相结合，形成m c c d m ai l 。 本文主要讨论m c c d m a 。在m c c d m a 系统中，不同用户的原始数据被并 行地乘上预先分配的各自的扩频码，然后同o f d m 一样，将所有的多路复用码片 调制到不同的子载波上，并同时发送。这一过程可以看作是频域的直接序列扩频。 m c c d m a 信号的频率幂用同o f d m 信号类似，每个子载波的带宽都很窄，确保 每个子载波都经历频率非选择性衰落。因此，在m c c d m a 中不需要信道均衡。 并且，通过在频域对接收信号解扩，m c c d m a 接收机可以充分利用信道分集。 而在d s ，c d m a 系统中，r a k e 接收机在时域利用分集的能力受限于r a k e 接收机 的抽头数。以上主要特征使得m c c d m a 成为未来宽带无线通信中非常有前途的 一个方案。 1 2t u r b o 码及其应用简介 t u r b o 码 1 9 , 2 0 被看作是1 9 8 2 年网格码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n 第一蠹绪论 t c m ) 技术问世以来，信道编码理论和技术研究上所取得的最伟大的技术成就， 具有里程碑的意义。t u r b o 码又称为并行级联卷积码，是信道编译码理论发展的必 然产物，它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想， 同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。充分吸收了现代编译码的研究成 果，包括随机编码思想、级联编码、软输入软输出译码和迭代思想等。 由于t u 拍o 码具有接近s h a n n o n 理论极限的性能，尤其是低信噪比下的优异 性能，使t u r b o 码在许多通信系统中都有非常大的应用潜力。除了在深空通信、 卫星通信以及多媒体通信等领域的应用之外，t u r b o 码在无线移动通信系统中的应 用也成为目前的一个研究热点。t u r b o 码已经被确定为i m t - 2 0 0 0 的信道编码方案 之一，用于高速率、高质量的通信业务。此外，t u r b o 码在文本传输和数据存储等 方面也有应用。 t u r b o 码的出现，不仅提供了一个性能优越的编码方法，其迭代译码的思想已 作为“t u r b o 原理”为众多通信问题提供了解决方案。有关t u r b o 迭代思想在通信 系统中应用的研究也在不断深入。主要包括以下几方面】： f 1 ) 迭代信道估计和译码 在传统的通信系统中，信道参数估计和译码是独立的两部分。首先由内部接 收机根据接收信号采样或训练序列对信道参数进行估计并完成同步参数提 取，然后由外部接收机实现信道、信源译码。在信道条件比较好时，这样的 接收机结构不会造成太大的性能损失。但是当信噪比很低时，经过信道传输 后的信号质量非常差，内部接收机不可避免地会给外部接收机带来较大的失 真。利用t u r b o 迭代译码的原理，可以将信道估计引入到迭代过程中，即在 迭代译码的同时更新信道参数估计，随着迭代的进行，信道的参数估计越来 越接近真实值。从而有效地实现低信噪比条件下的联合信道估计和译码。 ( 2 ) t u r b o 均衡 假定信息符号经过信道编码和交织后在i s i 信道上传输，同时受到加性高斯 自噪声的干扰。t u r b o 均衡的思想是：在接收端利用软输入软输出( s o f t i n p u t s o f to u t p u t ，s i s o ) 均衡器消除或减小i s i 干扰，得到的软信息经过解交织后 用作s i s o 译码器的输入。而s i s o 译码器输出的外信息经过交织后又作为 s i s o 均衡器的先验输入。通过这种迭代方式可以提高系统性能。 ( 3 ) t u r b o 多用户检测 在编码c d m a 系统的接收端，多用户检测器的后端是信道译码器，多用户检 测和信道译码之间的接口直接影响接收系统的性能。t u r b o 多用户检测的思想 是：采用s i s o 算法实现多用户检测模块和信道译码模块，多用户检测输出的 软信息经过解交织后作为信道译码的输入，且由信道译码得到外信息交织后 被反馈到多用户检测器的输入端，作为多用户检测的先验输入信息。通过这 种迭代方式，可以有效地提高系统的检测性能。本文在第四章中，对t u r b o 浙江大学博士学位论文 多用户检测进行了更为详细的介绍和研究。 1 3 多用户检测简介 多用户检测的思想最初是由s c h n e i d e r 在1 9 7 9 年提出的【2 2 1 。v e r d u 在1 9 8 6 年 提出和分析了最优多用户检测器和最大似然序列检测器f 2 引，其复杂性随用户数目 的增多而呈指数增长，硬件实现非常困难。但是，v e r d u 的研究激励了许多研究者 寻找次优的多用户检测器，用准最佳的较低复杂度的算法实现多用户检测。直到 现在，次优多用户检测器仍然是一个研究热点。 多用户检测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，它要解决的主要问 题是：如何从相互干扰的数字信息序列中可靠地解调出特定用户的信息。传统的 c d m a 接收机只是简单地将匹配滤波器的输出判决作为用户信息，实际上是一种 把其他用户造成的多址干扰( m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a d 当作白噪声来处 理的单用户检测技术。它忽略了系统中m a i 所包含的有用信息，无法真正消除 m a i 的影响。事实上，m a i 具有很强的结构性，因为当每个用户的扩频码序列都 已知时，各个用户以及各条路径之间的互相关系是可以获得的。如果利用m a i 的 这些结构信息来进行用户信号的检测，就可以消除其负面影响，从而达到提高系 统性能及容量的目的，这就是所谓的多用户检测技术。 1 3 1 多用户检测的意义 如果c d m a 系统中分配给各用户的扩频码没有严格正交，则会引起用户之间 的相互干扰，即多址干扰m a i 。随着用户数的增多，m a i 的增大，用户的误码性 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”。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。解决的办法有利用智能天线进行空间滤波、功率控制、 前向纠错f e c 以及本文主要研究的多用户检测技术。 多用户检测技术可以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，从总体上提高各个用户的性能。它解决了远近效应问题、 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。 国际上，多用户检测技术已被公认为c d m a 系统的关键技术之一。 t d s c d m a 已决定采用多用户检测( 联合检测) 方案，而在w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等r t t 方案中，虽然目前没有采用多用户检测技术，但均表示将适应技术的发展， 在以后支持该项技术。 第一章绪论 1 3 2 多用户检测的商用前景 制约多用户检测技术商用的主要因素是复杂度高。多用户检测技术花费在硬 件上的代价可能大于采用多用户检测技术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) 来减小远近 效应和提高系统性能。通常认为，多用户检测技术步入商用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。何况配合功率 控制、f e c 等其它c d m a 关键技术，系统性能的牺牲不会太大。但是随着器件水 平的飞速发展，多用户检测技术商用的日子可以提前到来。 在众多多用户检测技术方案中，通常认为最有希望进入商用的有两种： m m s e 或解相关线性多用户检测技术方案。因为它们具有良好的克服m a i 的能力 和较低的复杂度，具有较强的吸引力。另一种就是并行干扰消除器或其改进型( 如 部分并行干扰消除器) ，其优势是复杂度小。研究表明，配合以良好的功率控制， 并行干扰消除器的第二级和第三级性能大致相同，即并行干扰消除器只需两级便 可。 当然，多用户检测技术的预计应用还只是在基站，用于移动台的时机还不成 熟。但我们有理由相信，随着多用户检测技术和其它c d m a 关键技术的不断发展， 未来的通信世界将变得更加美好。 1 4 本文的创新点 正如前文所述，多用户检测技术在3 g 、4 g 移动通信系统中占据重要地位， 是提高系统容量的关键技术之一。本文主要研究d s c d m a 系统与m c c d m a 系 统中的多用户检测技术。主要工作及创新点如下： 1 首先在经典小波多分辨率的基础上提出一种改进型的小波多分辨率分析算 法，该算法不仅对低频段进行细分，对高频段也可以进行类似的细分，从而 克服了经典小波多分辨率分析在高频段频率分辨率低的问题。提出了高频段 信号分解与重构的公式，并加以证明。 2 利用改进型小波多分辨率分析和正交镜像对称滤波器组，作者提出一种新型 小波梳状滤波器的实现方法。该方法能够方便灵活地构造出适用于高分辨率 时频分析，在各频段都具有相同频率分辨率的梳状滤波器。 3 将离散小波变换引入异步d s c d m a 系统的多用户检测中，提出小波多用户 检测方案。该方案不仅可以极大地降低线性检测器中计算相关矩阵的复杂度， 还可以明显降低a w g n 信道及r a y l e i g h 衰落信道下系统的误比特率，提高系 浙江大学博士学位论文 统的抗远近干扰能力，增加系统容量。 4 利用遗传算法对小波多用户检测器的输出进行优化，形成基于小波与遗传算 法的混合多用户检测方案。该方案中的遗传算法只需进化3 5 代即可进一步提 高系统的检测性能，提高系统抗远近干扰的能力。 5 针对r a y l e i g h 慢衰落信道下采用t u r b o 码编码的d s c d m a 系统，提出- - , 0 e 简化的基于m m s e 准则的t u r b o 多用户检测方案。该简化方案的主要优点是： 只需使用标准的l o g m a p 算法计算信息比特的外信息和极大似然比，并利用 m m s e 检测器的部分输出，即能确保较好的系统性能。省却了计算校验比特 外信息的计算量。 6 针对异步m c - c d m a 系统的上行链路，介绍了基于子空间的解相关、最小均 方误差、符号间解相关多用户检测器。详细推导了适用于符号间解相关检测 器盲自适应实现的改进投影逼近子空间跟踪算法，并给出了改进投影逼近子 空间跟踪算法的跟踪能力分析及性能仿真。仿真结果表明，采用改进投影逼 近子空间跟踪算法的盲自适应符号间解相关检测器同最佳解相关检测器的性 能非常接近。 1 5 本文的篇章结构 第一章绪论。简要介绍了本文的研究背景及意义，扼要地介绍了本文研究 中所涉及到的一些理论知识。 第二章多用户检测原理。首先介绍了在c d m a 系统中引入多用户检测技术 的必要性，然后着重介绍多用户检测技术的基本原理及最佳多用户检测器。接下 来，按照线性、非线性的分类方式详细介绍了若干种常用的次优多用户检测器的 实现方法，并指出它们各自的优缺点。最后，给出几种常用的次优多用户检测器 的性能仿真结果。 第三章基于小波变换与遗传算法的混合多用户检测器。首先介绍了离散小 波变换及小波多分辨率分析算法，然后阐述了作者在研究离散小波变换过程中提 出的改进型小波多分辨率分析算法，给出了相应的分解、重构公式，并加以证明。 利用改进型小波多分辨率分析算法和正交镜像对称滤波器组，作者又提出一种新 型小波梳状滤波器的实现方法。该小波梳状滤波器在各频段都具有相同频率分辨 率。接下来，将离散小波变换引入异步d s c d m a 系统的多用户检测中，提出一 种小波多用户检测方案，并给出性能仿真结果。最后，介绍遗传算法的原理及实 现，并利用遗传算法对小波多用户检测器的输出进行优化，形成基于小波与遗传 算法的混合多用户检测方案，并给出性能仿真结果。 第一章绪论 第四章基于m m s e 准则的简化t u r b o 多用户检测。首先介绍了t u r b o 码 编、译码器及最大后验概率译码算法，然后论述了基于t u r b o 原理的迭代处理技 术及其应用。在前人工作的基础上，针对r a y l e i g h 慢衰落信道下采用t u r b o 编码 的d s - c d m a 系统，提出一种简化的基于m m s e 准则的t u r b o 多用户检测方案， 并给出其性能仿真。 第五章异步m c c d m a 系统中的多用户检测。本章首先描述了m c c d m a 的系统模型，介绍了基于予空间的解相关、最小均方误差、符号间解相关多用户 检测器。详细推导了适用于符号间解相关检测器盲自透应实现的改进投影逼近子 空间跟踪算法，并给出了改进投影逼近子空间跟踪算法的跟踪能力分析及性能仿 真。介绍了在前人工作的基础上，提出的适用于异步m c c d m a 系统的最小误比 特率多用户检测器，并给出该检测器的b e r 性能及系统容量的仿真。 浙江大学博士学位论文 本章参考文献： 1 吴伟陵移动通信中的关键技术北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 0 2 g b g i a n n a k i s e t a 1 ，e d i t o r s s i g n a lp r o c e s s i n g a 卉o j x c e si nw i r e l e s s sa n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 1 ，t r e n d si nc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n p r e n t i c eh a l l ，u p p e r s a d d l er i v e r ，n j ，2 0 0 0 3 】g b g i a n n a k i s e ta 1 ，e d i t o r s s i g n a lp r o c e s s i n ga d v a n c e si nw i r e l e s s sa n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 2 ，t r e n d si ns i n g l e a n dm u l t i - u s e rs y s t e m s p r e n t i c eh a l l ，u p p e rs a d d l e r i v e r , n j ，2 0 0 0 【4 h l i u s i g n a l p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n si nc d m ac o m m u n i c a t i o n s a r t e c hh o u s e ，n o r w o