（通信与信息系统专业论文）cdma多用户检测技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在c d m a 逶莹系绞孛，各个蠲产瘩号阕豹稳必经是多蛙予挽( m a d 存谯静禳 源。由个别用户产生的m a i 固然很小，可是随着用户数的增加溅信号功率麓辫的增 大，m a i 就成为宽带c d m a 通信系统的一个主臻干扰。传统的单用户检测技术完 全按照经煞壹揍痔多g 扩频理论对每个怒户嚣售号分裂送毒亍扩簇璐遁配整理，裁嚣抗 m a i 能力较差。 多用户检测( m u d ) 技术作为c d m a 系统的关键技术之一，在传统单用户检 测的基础上，充分剥用造成m a i 的所有用户信号糖息对用户的信号进行检测，从丽 其有优良的抗多篷干摭鞫抗远近效疲往麓， 由v e r d u 提出的最优多用户检测器( o m d ) 能够解决c d m a 系统多址干扰及 远近效应。但是由于其复杂度随用户数的上升而成指数增长，洳用户数较大时，是 不可实飘| l 馨。嚣筵裹效瓣次最筑算法成为多爰户羧溅鼓寒磅究魏关蕤。 本文擒出一种次最优多用户检测算法：基于随机h o p f i e l d 黼络和精简检测器的 混合c d m a 多用户检测器。 离敦h o p f i e l d 网终( d h n n ) 能璧丞数和最优多用户检测求解公式之阅黝相识 性，鼠理论上表疆可以辅雳离散h o p f i e l d 薅络来遴行最佬多餍户捡溅， 牵缀网络收 敛的过程就是求解的过程，从而得到一种基于神缀网络的多用户检测器。由于离散 h o p f i e l d 网络可能收敛到局部极小点，本文引入一种改进的离敬h o p f i e l d ，印随机 h o p f i e l d 瓣终( s 臻n ，激这舅浚效茔l 全羼最，l 、杰靛垂熬。为了减小陡辊h o p f i e l d 网络的搜索空间，降低其复杂度，同时使大功率用户提前被检测出，进一步发挥随 机h o p f i e l d 网络的优势，文中引入一种精简检测器。该检测器的优势是有效地克服 远近效应。练台秘赐凡戳捡测器豹谯点，文中提爨一耱基于隆机h o p f i e l d 嬲终和精 简检测器的混合多用户徐测器。该检测嚣幂i 用精简检测器对待徐测数据迸幸亍颥处理， 然后利用随机h o p f i e l d 网络进行搜索。仿真结果液明该检测器的性能良好。 该算法是种全数字实现方案，随着dsp 拽术的发展，熊够在实际中得到进 一多数验诞和改透。 关键词：秘分多蛙，多皱于扰，多用户检测，h o p f i e l d 赠络，糖篱检寝l 器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nc d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h ec r o s sc o r r e l a t i o n sa m o n gs i g n a l so f u s e r sr e s u l t i nt h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e 国锻鸯，w h i c hi sl o ww h e nt h en u m b e ro f u s e r si nt h e s a m ec h a n n e li ss m a l l ，b u tw i l li n c r e a s e sa n db e c o m et h em a i n j a m m i n go f b r o a dc d m a c o m m u n i c a 矗o ns y s t e mw i mt h ei n c r e a s eo f t h en u m b e ro f u s e r so rt h ed i f f e r e n c eo f u s e r s p o w e r t h ec o n v e n t i o n a ls i n g l er 。i s e rd e t e c t o rm a t c h e st h es p r e a d - s p e c t r u mc o d e sf o r e a c hl l s e r c o m p l e t e l y a c c o r d i n gt o t h ec l a s s i ct h e o r yo fd i r e e t c , - s c q u e n c e s s p m a d - s p e c t r u m ( d s s s ) t h e o r y , s 0i t sa b i l i t yt or e s i s tm a i i sp o o r a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so f c d m a , m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n i q u eh a sag o o dp e r f o r m a n c eo f r e s i s t i n gm a da n dn e a r - f a re f f e c tt h r o u g ht h eu s e o f a d e q u a t ec r o s sc o r r e l a t i o n sa m o n gs p r e a d i n gc o d e so f u s e r st od e t e c tt h es i g n a l s t h eo p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t o rp r o p o s e db yv e r d uc a ns o l v et h ep r o b l e mo f m a ia n dn e a r - f a re f f e c to fc d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。b u tt h ec o m p l e x i t yo ft h e d e t e c t o ra p p e a r st ob ee x p o n e n t i a li nt h en u m b e ro fu s e r s w h e nt h en u m b e ro fu s e r si s l a r g e , t h ed e t e c t o rc a l l tb er e a l i z e d s oh j 曲e f f i c i e n c ys u b o p t i m u ma l g o r i t h m so f s u b - o p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t o r sa r ei m p o r t a n tt ot h er e s e a r c h i n go nm u d + i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ea u t h o rp r o p o s e dak i n do fs u b o p t i m u ma l g o r i t h m ，ah y b r i d d e t e c t o rb a s e do ns t o c h a s t i ch o p f i e l dn e u r a ln e t - w o n ( s i - r n n ) a n dr e d u c e dd e t e c t o r ( m g ) f o rc d m a t h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h ee n e r g yf u n c t i o no fd i s c r e t eh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ( d h n n ) a n dt h ef o r m u l ao f o m dm e a n st h a tu s i n gd h n nt os o l v et h ep r o b l e mo f o m d i sf e a s i b l e t h ec o n v e r g e n c ep r o c e s so fn e u r a ln e t w o r ki st h ep r o c e s st os o l v et h e p r o b l e mo fo m d 。s oam u db a s e do nd h n n h a sb e e np r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h a tt h ed h n nm a yc o n v e r g et ot h el o c 氇lm i n i m a , t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h e s h n nt om a k et h en e t w o r kc o n v e r g et ot h e 百o b a lm i n i m a i no r d e rt od e c r e a s et h e s e a r c h i n gs p a c ea n dc o m p l e x i t yo fs h n n ，t od e t e c tt h eu s e r sw i t hh i g h e rp o w e r , a n dt o m a k eu s eo f 氆em e r i t so fs h n n ，ar e d u c e dd e t e c t o rh a sb e e ni n t r o d u c e d 。t h em a i n m e r i to fr e d u c e dd e t e c o ri sf a r - n e a rr e s i s t a n c e i no r d e rt ou s et h em e i i t so ft h e s et w o d e t e c t o r ss y n t h e t i c a l l y , t h eh y b r i dd e t e c t o rh a sb e e np r o p o s e d , w h i c hu s e st h ep a r to f r e d u c e dd e t e c t o rt 。p r e t r e a tt h ed a t aa n dt h ep a r to fs h n nt os e a r c ht h em o s tl i k e l i h o o d s e n td a t a s t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h eh y b r i dd e t e c t o r t h ea l g o r i t h mi sd i g i t a ls c h e m e ，w h i c hc a nb ev a l i d a t e da n di m p r o v e di nt h ef u t u r e l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 w i 血t h ed e v e l o p m e n to f d s pt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ，s t o c h a s t i ch o p f i e l dn e u r a ln 前w o r k ( s h n n ) ， r e d u c e dd e t e c t o r ( r d ) i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 闾题豹提出 第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的i m t - 2 0 0 0 f p l m t s 系统标准 的新一代移动通信系统，要求具有很好的网络兼襻性，能够实现全球范围内多个不 同系统凝稳漫游，不纹爨为移魂熏声提供话音及甄速率数据数务，瑟曼要撼镶广泛 的多媒体业务。根据r r u 的标准，檄界各大电信公司联盟均掇出了自己的第三代移 动通信系统方案。总的说来，虽然这些方案不甚相向，但是全世界在第三代移动通 售系统中慕用宽带c d m a 技术已经迭成共识。宽带c d m a 通信系统豹关键技术包 括藐于蒎( 多用户检测) 、抗多径衰落( 天线分集秘r a k e 臻收) 、抗远_ i 壹效应( 功 率控制) 等，而它们之间又是相辅棚成、互相补充的，均为当前研究的热点。 在实际的c d m a 通信系统中，各个用户地址码问存在定的相关性，导致了 在接竣凌冀l 户售号阕戆程互于撬，这穆于撬羧器秀多垃予虢( m u i t i 蠢ea c c e s s i n t e r f e r e n c e , m a d 。由个别用户产生的m a i 固然很小，可是随潜用户数的增加或信 号功率麓舜的增大，m a i 就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。传统的检 溅技术寅全按照经典纛绩摩列扩频瑷论对每个髑户豹售号分剃逶行扩频碣嚣配处 理，困两貌m a i 髓力较差。 传统的c d m a 系统不是多用户最优的，它的表现形式就是多址干扰或邋近效 应。为了减小多址于扰藏远近效应的影响，在传统的c d m a 系统中采用的是功率 控毒l 。功摩控鑫l 这秘方式鑫系统控簇藩葭稳反国壤暹熬发蘩凌率，镬鬟这接羧辘熬 所有信号的强度相等或大致相等，从而使多址干扰极小化。功率控制法有许多不足： 需要占用信道传递功率控制信息、系统复杂、与移动用户的运动速度有关，收敛速 度阕嚣以及与售滚熬绫诗将牲有关拶”。 多用户检测( m u l t i - u s e xd e t e c t i o n ，m u d ) 技术在传统硷灏f 技术酶基础上，充 分利用造成m a i 的所肖用户信号信息，主要是用户地址码间的相关信息，对用户的 信号进行联合检测。玉具有优良的抗干扰性能；降低了系统对功率控制精度的要求， 虿戳雯翻霄效遣秘焉鬏灌资源，显馨提高系统容鬃【2 l 狰鞠。 一般，主要在上行链路研究m 【j d 。除了对簸杂性增加的考虑，支持在上行链 路上研究多用户检测的主要依据是d s c d m a 系统的容量受上行链路限制的说法 涮。这寒爨鼹i s - 9 5 斡磷究。i v l u d 鼹遥爰于上行镳鼹，嚣为奁上行链路，在馁静 毒 况下都必须检测出所商厢户，而且熬站的处理能力比移动台强。 最早由v e r d u 提出的最优多用户检测器( o p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t o r ，o m d ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 戆够解次魏谯系统多蛙干扰及远近效应。键怒瘗予最优捻溺器熬复杂度隧嗣户 数酶上升两成指数增长雕5 】f 6 】，当用户数较大时，楚不可实瑰的检测器。在文献f 6 】 中，v e r d u 证明了在同步和异步传输的情况，最优多用户检测怒一个n p 完念问题。 因此，殿来的研究集中在次最优接收机上面。这魃次最优接收机展现了良好的抗远 近效瘟特毪，买毒鞍低瓣计算复杂爱，在魄耩误璐睾方嚣虿寝鞠浸往接浚羲穰篷。蘩 何设计一种性能良好，同时计算复杂度不太高的次最优多用户检测算法成为关键。 l 。2 国内夕研究瑗状 多用户检测的怒法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出。1 9 8 4 年v e r d u 提国并分析 了最优多用户检测器和最大似然序列检测器，然而不幸的是它太复杂。v e r d u 的研 究激励了慝来的多个磷究者寻找次娥优化的多用户检测器，以便用合理的可实现豹 复杂度实现接近最饶他翡性蕤。 研究首先集中在弹找针对加性商斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e , a w g n ) 信道的次优化检测器【7 ，随后研究的潮流是研究衰落多径信道适用的检测 器，走楚蠖衰落，然惑是稳对抉懿嶷藩。 1 9 8 9 年l u p u s 提出了线性解稻哭检钡器f s 】吲。其主要原理楚对匹配滤波器的输 出进行无记忆的线性变换，然后对其结果作二值判决。只要精确地估计出有关参数， 解提关多愆户检测器戆够完全消除多址手扰，但怒它同时也放大了售道噪声，使得 其往麓无法与对应酶攀糟户裙魄。这里的“对疲”是指诖所露静干扰鹰户功率都爻 零，而待解调用户噪声功率不变。 1 9 8 9 年r l u p u sj 和s v e r d u 提出最小均方误熬( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) p o 多震产捡溅器。英纂本慈悲是透过逡撵一令踅簿f ( # 是实数蹩箨 使 e 怕一c 圳达到最小，戴中b 为估计的发送信号向嫩，为接收倍号向量。猩背景噪 声起主导绍蠲对，m m s e 检囊l 嚣类似予转统豹嚣溅接收规；当多蛙于拢较大辩，它 相当于解稽关检测器，所以它既能竟服多缝干扰又能抑制高斯噪声。雨虽与其它多 用户检测相比，m m s e 检测不再需觳估计干扰用户的信号参量，可以由自通应算法 自动调整滤波器系数，使之收敛致墩优值。 1 9 9 5 年m i l l e rs 。l 。提窭了鑫逶森m m s e 多麓户裣溅器【l h 。箕基本器联建遴过 一个数据比特周期内的接收信号取样序列来获得一个数据比特的估计值。n 抽头延 迟线m m s e 自适应多用户检测接收机在扩频增益较大，而接收信号码元能量比较小 辩，塞逡应滤波器系数滚瑷迅速收敛溪最，l 、均方误差；无法鼹爨信道参数熬交纯， 造成性髓下降；而且由于调练序列的存在，将加大系统实现的复杂度。 近年，人们的注意力又集中到自适应干扰消除技术上来i t 2 ，基于平均输出能量 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( m e a n o u t p u t e n e r g y , m o e ) 最枣瑷建麴盲叁适疲多瘸户梭测搜零弓| 超了久们戆广 泛注意。这种方法的蒸本思想是：通道弓| 入剩余来抵消多址干扰对检损4 器输渤的影 响，无需任何附加条件，计算量小，具有全局收敛性，但其算法存在问题：收敛速 度慢，剩余均方误差大，无法收敛到壤忧m m s e 梭测器，而且嚣常工作时必须切换 到鬟决引器模式( d e c i s i o nd i r e c t o r , d d ) ；当接收鹳与理想建簸不一致时，m o e 算 法固有的驱动能量为零的特点，将抵消用户信号。 由于神经网络在并行计算方面的优势，有一燎研究人员开始研究将神经网络用 予多瘸户缎溅1 1 3 - n 。文献 1 3 1 提出了褥径鑫基函数建于多弱户梭溯，该算法耱裂霜 h o p f i e l d 网络相比并不黧有优势；文献 17 】和文献f 2 0 】提出了将离散h o p f i e l d 网络用 于克服c d m a 远近效威，但没有提出如何解决网络收敛到局部最小点的问题，而 且当用户数铰多时，网络的复杂度也较高，文献中没有讨论如何降低网络的复杂度： 文献 1 s 】中提出了用连绥h o p f i e l d 网络进行多蘑户稔溺，该箕滚霄翻于蘑接 彗l 器件 实现，因而收敛速度较快，但是由于模拟电路缺乏灵活性，和来用d s p 方式的数字 实现方式相比，其实用性太差。文献 1 9 1 提出了将变尺度因予暂态混沌神缎网络 雳予多焉户梭溺，毽该舞法过于复杂：文麸【2 镯孛掇毫瘸b p 享孛经耀络采透露多雳户 检测，僵阿予b p 网络筛要进行权德训练，显然不太符台移动遇信的实际情况，并 且b p 网络的复杂度也较高。 显然，采爰毫教h o p f i e l d 嬲络搏为多用户检测豹基础是可行豹，阉题是麴秘克 服网络收敲到局部最，j 、患的缺点，同时降低网络的笺杂度，郎减小瓣络静搜索空闯。 这是本文准备解决的问题。 用户梭测技术有许多优点，但若真正投入使用尚存一定的问题和困难。篡主要 懿闽题有稳潮器懿霹藤簸杂凄窝结筏笺杂疫、灵敏波帮毽茬瞧粼与实际应莲l 存在差 距。尤其怒当一些参数( 频率、幅度、相位及同步) 估计不理想时，相关系数矩阵 会发生变化，多用户检测性能也会随之下降。同时，多用户检测仪考虑本小隧内的 蠲户于挠，慰周围奎嚣鹣影跨不予考虑。瑟对予鲶在零，j 、区边缘戆移动矮户，髑爨 小区的干扰是不容忽略的。如何在周围小区的影响下发挥和使用多用户检测的特性， 尤其是在小区扇区化届，多用户检测技术如何应用于实际系统都是值得进一步研究 的问题。但是，随着多嬲户检测理论的不颧成熟鄹王业技术的不叛进步，尤其是半 导体技术及d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 器释瓣飞速发震，稳嵇多蘑户捡溺按零 一定能够谯移动通信中得到充分利用。 l t 3 本文掰作戆工髂 本文所作的主要工作：提出了一种基于随机h o p f i e l d 网络的精简接收机的混合 c d m a 多用户检测器辫法，并进行了深入的仿真；仿真结果表明，该算法较好地解 重庆大学硕士学位论文1 绪论 决了离散h o p f i e l d 网络收敛到局部最小点的缺点，同时减小了网络的搜索空间，和 传统单用户检测器、离散h o p f i e l d 检测器、随机h o p f i e l d 检测器等三种检测器相比， 具有更好的性能；该算法是一种全数字实现方式，有利于用d s p 实现。 文中根据c d m a 多用户检测信道模型，分析了多址干扰和远近效应产生的原 因，对传统接收机以及常用次最优多用户检测器的优缺点作了阐述：对多用户检测 对c d m a 系统容量的影响进行了深入的分析；利用最佳接收机原理研究最优多用 户检测器的表达式；研究了离散h o p f i e l d 网络的结构及其能量函数，寻找能量函数 表达式和最优多用户检测求解公式之间的关系，得出结论：将最优多用户检测求解 公式做一定的变换就是能量函数，因此可以用离散h o p f i e l d 网络来实现最优多用户 检测，从而得到一种次最优的检测方法；为了克服离散h o p f i e l d 收敛到局部最小点 的缺点，引入了随机h o p f i e l d 网络，以保证网络收敛到全局最小；为了降低随机 h o p f i e l d 网络的复杂性以及更有效地克服远近效应，引入了一种简单的基于迭代算 法的精简检测器，先对接收的数据进行预处理，本文建立了该检测器的数学模型， 给出了实现流程；建立了基于精简检测器和随机h o p f i e l d 网络的混合多用户检测器 的模型，阐述了该算法的特点；利用m a t l a b 对该算法进行了仿真，检验该算法的性 能，并讨论在不同的情况下该算法的效率；从硬件实现的角度讨论该算法的可行性。 t 4 本文的内容安排 第l 章：绪论。提出了研究的问题，介绍了国内外在该领域研究的现状，并阐 述了本文所作的工作。 第2 章：码分多址通信系统。介绍了码分多址的概念，建立了码分多址通信系 统的数学模型。对窄带码分多址通信系统和第三代移动通信系统进行了介绍，讨论 其中的关键技术。 第3 章：c d m a 系统中的多用户检测技术。在这一章中介绍了c d m a 多用户 检测的系统模型，多用户检测技术的发展、分类。对传统单用户接收机进行了分析。 详细讨论了最优多用户检测器和常用的次最优多用户检测器。 第4 章：基于随机h o p f i e l d 网络和精简检测器的混合多用户检测器。在这一章 中介绍的h o p f i e l d 网络的结构和特点，分析了其能量函数和收敛条件。推导了能量 函数表达式和最优多用户检测器最大似然发送序列表达式之间的关系。还介绍了随 机h o p f i e l d 网络的特点，以及克服h o p f i e l d 网络局部极小点的原因。同时分析了引 入基于迭代算法精简检测器的原因以及该迭代算法的原理和算法的实现。提出一种 基于随机h o p f i e l d 网络和精简检测器的混合检测器。 第5 章：计算机仿真及分析。建立c d m a 多用户检测仿真模型，对基于离散 h o p f i e l d 网络、随机h o p f i e l d 网络、迭代算法的多用户检测器以及混合检测器对多 d 重庆大学硕士学位论文1 绪论 址干扰和远近效应的克服情况进行了仿真，对仿真结果进行了分析，并对理论分析 结果进行验证。在这一章中还讨论了扩频序列的选取与产生。 第6 章：全文总结。阐明了本算法的技术特点，并对全文工作做了总结。指出 了本算法的优缺点，探讨了算法的硬件实现，并指出了以后研究工作的重点。 5 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通信系统 2 码分多址通信系统 2 1c d m a 的概念及模型 2 1 1 扩频及c d m a 的基本概念 c d m a 给每一用户分配一个唯一的码序列( 扩频码) ，并用它对承载信息的信 号进行编码( 扩频) 2 1 1 。知道该用户码序列的接收机对收到的信号进行解码，并恢 复出原始数据。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展 了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。c d m a 通 常也用扩频多址( s p r e a ds p e c t r u mm u l t i p l ea c c e s s ，s s m a ) 来表征。对所传信号频 谱的扩展给予c d m a 以多址能力。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十 分重要。扩频调制技术必须满足两条基本要求犯2 删： ( 1 ) 所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。 ( 2 ) 所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。 扩频系统所传信号的带宽及与信息带宽且之比称为扩频系统的处理增益g 。， g 。= b ，b 。，接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的 原始信息。由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的 性能： ( 1 ) 多址能力 ( 2 ) 抗多径干扰的能力 ( 3 ) 具有隐私性能 ( 4 ) 抗人为干扰的能力 ( 5 ) 具有低截获概率的性能 ( 6 ) 具有抗窄带干扰的能力 c d m a 按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频( d s ) 跳频扩频( f h ) 跳时扩频( t h ) 和复合式扩频。 2 1 2c d m a 信号与信道模型 研究一条同时被k 个用户分享的信道。每个用户分配到一个持续时间为t 的标 记波形( f ) ，其中t 为符号间隔。标记波形为 g 。( f ) = 口女0 如o n t 。) 0 t t ( 2 1 - 1 ) n = 0 式中，如。0 ) o h l 一1 是一个取值为 + 1 ) 的l 个码片组成的伪噪( p s e u d o n o i s e ，p n ) 码序列，p o ) 是脉宽为l 的脉冲，n 为码片间隔。因此，每个符号有 6 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通惯系统 夸鹃片虽? = 五足。扩频增益等于扩频枣剃长度g = = 巧爻。 不失一般，睫，假设所寄鬣个标记波形舆有单位能爨，即 g ：g 净= 1 ( 2 ，1 2 ) 0 两两耘记波形之阉翳互稚关籍穗在信号检溅瓣瓣度耋及英链靛孛莛簧鬟簧终 用。定义如下互相关 妒群( f ) = g i q ) g ，囊一f 扛，f g 歹 ( 2 1 3 ) p j i ( r ) = i g f ( t ) g j ( t + t f ，i - j ( 2 1 4 ) 为简单起见，假设采用二进铡双极性信号发送蹲个用户的傣息。因此，令麓k 个 蘑户信惠序裂蘑仅向) 袭示，其中镣个信怠魄特秘疆可秀l 。为篱便记，考虑传 输的是具肖任意长度比，如的一个模块。那么，第七个用户的数据为 b ；= 酞g ) ( 2 ) 魂( f ( 2 1 5 ) 相应的等效低通发送波形为 姗e ) = 磊量6 。( f ) 敝( f f 力 ( 2 1 6 ) i = 1 式中繇为髂母豹 特麓遂。爱个用户合成静发送馕号必 s o ) ：圭云兰机c f ) g 。( f i t - r k ) ( 2 1 7 ) 式孛，f 女梵俦赣延嚣重，它满是条拳0 蔓魏 k = l ，2 ，k 。不失一般蛙，啜竣 0 n sr 2 墨s f 。 t ，这是多用户在异步模式下的发送信号模型。在同步佟输的 特殊情况下，“= 0 ，1 k k 。不必般性，在式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 给出的互相 关表达式孛f 豹篷约裘梵0 r r a k e 接收技术 移动通信信道是一种多径衰落信邋，r a k e 接收技术就是分另q 接收每一路的信 号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多饺信号不仅不怒一个 不鬟因素， 嚣显在c d m a 系统交或令哥貘秘惩瓣莠嚣毽素。 ( 4 ) 软切换技术 先连接，再断开称之为软切换。c d m a 系统工作在相同的频率和带宽上，因而 9 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通信系统 款甥换技零实瑗起来魄t d m a 系统婺方便容易掇多； ( 5 ) 话音编码技术 目前c d m a 系统的话音编码主爰有两种，即码激励线性预测编码( c e l v ) 8 k b i t s 和1 3 k b i t s 。8 k b i t s 的话音编码达到g s m 系统的1 3 k b i t s 的话音水平甚至更好。 1 3 k b i t s 瓣话音编码露遮至i 有线长逡话音求平。c e l p 采蔫与稼冲激励线健颥掇编码 相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。 2 。3 第三代移动通信系统 2 3 1 第兰代移动通信系统( 3 g ) 的发展历史 码分多址( c d m a ) 是公认的第三代移动通信的发展方向【2 5 1 f 2 6 1 。i t ut g 8 1 早 在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通铸系统的概念，最初命名为f p l m t s ( 来米公共 陆逢移动遥信系统) ，螽在1 9 9 6 年雯名兔i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a f i o n m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。目前，篇三代移动通信有三种主流标准：以美霞为主提 出的c d m a 2 0 0 0 ，以欧洲和日本为主提出的w c d m a ，以及中国提出的 t d s c d m a 。 2 3 2 第兰代移动通信系统中的t d s c d m a 标准 作为我国对国际上篇三代移动i 融信的贡献，我国提出的t d 。s c d m a r t i 建议， 已经成为r r ui m t - r s p c ( t g - 8 l 输惑文件) 兹一个组成都分。t d 。s c d m a 技术辑提 供酶高性能主要表现程海的频谱利爝率方面。忿乡 ，t d s c d m a 还是一静低成本的 系统。达到高性能和低成本的主要原因是t d s c d m a 使用了如下主要技术 2 刀： ( 1 ) 智能天线，宅可以极大的降低多址干扰、提高系统容擞、提高接受爱敏度、 降 羲发羹毒秘率窝降舔蠢线基蕹或本。 ( 2 ) 上行同步，它可以简化基站硬件，降低凭线基站成本。 ( 3 ) 软件无线电，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，是此系统 可以灵活媲经臻毅技术的关键，氆霹以簿低产晶开发周袭窝藏零。 2 3 3 繁兰代移动通信的特点和基本特征 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括 为口5 1 ： ( 1 ) 全球普及帮全球无缝浸游戆系统：第二代移动逶蓬系绞一般为医骧躐鋈家 标准，丽第三代移动通信系统将是个在全球范圈内覆盖和使用的系统。它将使用 共同的频段，全球统一标准。 ( 2 ) 矮骞支持多嫌薅翌务熬戆力，将爨是支持k n t e r n e t 篷务：凌毒豹移凌遴售 系统主要以提供话音渡务为主，随蓠发展一般也仪能提供10 0 k b ，s 2 0 0 k b s 的数据业 务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b s 。而第三代移动通信的业务能力将 l o 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通信系统 比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需 要提供带宽。r r u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在 以下三个环境的三种要求 2 8 】。即： a 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s b 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s c 室内环境，最高速率达2 m b s ( 3 ) 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络己具有相当规 模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与 固定网兼容。 ( 4 ) 高频谱效率。 ( 5 ) 高服务质量。 ( 6 ) 低成本。 ( 7 ) 高保密性。 2 3 4 第三代移动通信系统关键技术2 9 】 ( 1 ) 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步，符号同步、帧同步和扰码 同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 9 5 系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信 道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对同步( s y n c ) 信道的接收建立帧同步和扰 码同步。w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法进行，即通过对基本同 步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非 相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落 现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽， 因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权 调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成 的负面影响。 为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以使接收端 能在确知己发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的 最大信噪比合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而c d m a 2 0 0 0 下行链路 采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统， 上行信道则采用用户专用的导频信道。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技 术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信 息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通信系统 换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越 区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功能。 ( 2 ) 高效信道编译码技术 第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系 统主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 9 5c d m a 系统相类 似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术及r s 卷积级联码 技术。 t u r b o 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以个交织器。 两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿：j ：l ( p u n c t u r e ) 操作后输出。相应地，t u r b o 解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判决 输出卷积解码器构成。 r s 编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。r s 解码技 术相对比较成熟，但由r s 码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码相比 较提高不多。 ( 3 ) 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应 用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能天 线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 ( d o a ) 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行 波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降 低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的c d m a 系 统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量的作 用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基带 处理单元复杂度明显提高。 ( 4 ) 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落 环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之 间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户 检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法 消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较 为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户数等于正在通话的移动用户数乘以 基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个， 这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实现显得过 重庆大学硕士学位论文2 码分多址通信系统 于复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技 术能否实用的关键。 ( 5 ) 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着 非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率 控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率 控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常 数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制 用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环 功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。 闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及与信干比门限值 的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端， 并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算，确 定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加 快上述信干比门限的调节速度。在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了 开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。 2 3 5 第三代移动通信的目标 现有第二代移动通信技术及其使用的频谱不能满足发展需求，第三代移动通信 应是频谱利用率更高、通信容量大、通信质量更好的移动通信系统。第一代和第二 代蜂窝移动电话以提供话音业务为主，只满足各国及部分区域性漫游；第三代移动 通信应能提供更广泛的业务，尤其是图、文、声、像的多媒体业务和接入高速因特 网业务等，并能提供全球漫游。第三代移动通信应是智能移动通信系统，电磁辐射 小，能提供2 m b i t y s 甚至更高的信息传输速率，具有兼容和扩展能力【2 。 由于第三代移动通信系统在许多方面都不同于第二代移动通信系统，因而它的 引入将会对后者造成巨大冲击。为了保证第二代移动通信系统的巨额投资回报，继 续发挥其庞大基础设施的效益，所以，应当遵循从第二代平滑过渡并能支持第二代 系统所提供业务的原则，来选择第三代移动通信系统的演进方案。因此，第三代移 动通信系统可分阶段逐步实现。首先，通过增强第二代核心网的能力，使其能提供 部分第三代的移动业务；然后，允许第三代无线接入限通过适配功能单元接入到增 强的第二代核心网；最后经过一定的时间，再引入第三代核心网，并与第二代核心 网进行互通，从而逐步将第二代核心网淘汰掉【3 。 重庆大学硕士学位论文 3c d m a 中的多用户检测技术 3 c d m a 中的多用户检测技术 3 1 多用户检测引入的必要性 3 1 1 码分多址蜂窝通信系统中的干扰分析 在蜂窝c d m a 系统中，一个小区总的干扰为i = ，m + 厂，+ ，+ ，i ，其 中，。为本小区中用户的干扰，即多址于扰；厂为其它小区的干扰与本小区m a i 之比( 也称外溢比) ；，。为接收机收到的热噪声；。为用户信号的码间干扰。对 上述四种干扰，有不同的消除方法。 热噪声是所有通信系统中都存在的一类加性噪声，主要由通信设备的有源、无 源器件所产生，它一般遵从正态( 高斯) 分布且功率谱是平坦的，故称加性白噪声。 实际系统中，热噪声的影响远小于前两种干扰的影响。在通常使用的无线通信系统 中，均通过限制接收机噪声系数的方法来确定接收机的灵敏度。 i s i 的形成有两种原因，一是信号传输时未满足n y q u i s t 第一准则，在抽样时刻 存在失真，对于这种原因引起的i s i