（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现.pdf

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。 本人签名： j 单杠嗍卫牛 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：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) 本人签名 导师签名 余欺! 枷复孝良 日期： 型：生2 ： 日期：血lz 。2 ， 摘要 随着第三代移动通信技术的发展，码分多址技术再次成为人们关注的热点，而 多用户检测技术又是码分多址系统的关键技术之一。本文首先简要介绍了第三代移 动通信系统的发展现状及我国具有自主知识产权的t d - s c d m a 系统的特点，然后详 细的推导了t d s c d m a 系统的矩阵向量描述模型，在此基础上详尽推导并讨论了多 用户检测和信道估计的线性与非线性的多种算法，并进一步的探讨了联合检测与智 能天线相结合的基带数字信号处理方法，给出了基于t m s 3 2 0 c 6 2 x 的z f - b l e 算法 的具体实现和几种算法复杂度的比较，随后通过对t d - s c d m a 系统进行链路级的仿 真获得了该系统上行性能曲线并进行了必要的分析。最后结合t d s c d m a 系统针对 多用户检测的发展现状提出了迸一步的工作和改进建议。 关键字：t d s c d m a多用户检测 信道估计智能天线联合检测 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l er a d i os y s t e m s ，c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea e e s s ( c d m a ) i sa g a i nu n d e rd i s c u s s i o n a n dt h e 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 o l o g yi sah o tp o i n ti nt h er e s e a r c ho f c d m as y s t e m i n t h ep r e s e n t p a p e r ，f i r s t l y , t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h et h i r ds y s t e m sa n dc h i n e s et d - s c d m a s y s t e mp r o p o s a la r ci n t r o d u c e db r i e f l y s e c o n d l y ，s o m ec o m m o n m e t h o do f m u l t i u s e r d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dc h a n n e le s t i m a t i o n ( c h e ) a r ed e e p l yr e s e a r c h e d ，b a s e do i lt h e m a t r i x - v e c t o rn o t a t i o no f t h ed i s c r e t et i m et r a n s m i s s i o nm o d e lo f s y n c h r o n o u sc d m aa n d t h ep r o p o s a lo f t h et d - s c d m as y s t e m t h i r d l y , t h eb a s e b a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t l e c h n o i o g yc o m b i n i n gt h es m a r ta n t e n n aa n dj di sa n a l y r e di nd e t a i l t of a c i l i t a t ea c t u a l i m p l e m e n t a t i o n ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gc o m p l e x i t yo f t h e s ea p p r o a c h e si sc h a r a c t e r i z e d s o m ef a s ta l g o r i t h m si sp r o p o s e d l a s t l y ，t h ep e r f o r m a n c eo f u p l i n ko f t d - s c d m a b 百把mi sa n a l y z e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s s o m ec o n c l u s i o n sa n df u r t h e rr e s e a r c h a 糟p r e s e n t e d k e y w o r d s ：t d - s c d m a m u l t i u s e rd e t e c t i o nc h a n n e le s t i m a t i o ns m a r ta n t e n n a j o i n td e t e c t i o n 前言 在过去的十年，无线通信得到了迅猛的发展。蜂窝电话、无线网络、无绳电话 和无线传呼继续以惊人的速度增长。系统容量、频谱利用率和服务质量等成了人们 主要关心的问题在通信系统中，数字调制、解调和多址技术是主要研究热点。过 去的十年，许多已知的移动通信技术被人们再次评估。扩频通信也再次受到关注并 在蜂窝移动通信系统中逐渐成了主角，特别d s c d m a 引起了人们极大的兴趣，成 为i m t - 2 0 0 0 u m t s 的最佳多址接入方案。 c d m a 系统中用户信号在时域和频域上是混叠的，接收机需要把各个用户信号 分离出来，理想情况下利用扩频码的正交性可以保证解调时能无偏差的解调出用户 数据，而实际系统由于同步的不准确性，空间信道的多径特性等造成的影响，导致 各用户信号间不能维持理想的正交特性。此时利用传统的单用户匹配滤波或相关接 收机不能获得最优的性能。为了获得最大s h a n n o n 容量，实际上需要将所有用户信 息进行联合译码。如果基站接收到的用户信号功率相差较大，此时接收机的研究将 很有意义。如果利用传统接收机，强信号可能完全“淹没”弱信号( 这就是所谓的 “远近”效应) 。传统的c d m a 系统主要依靠严格的功控来克服“远近”效应和选 择互相关性较小的扩频序列来提高接收机检测性能。如果用户数很大，即使无“远 近”效应，由于多址干扰，传统接收机的性能也会变得很差。 针对传统单用户检测器的不足。人们提出了多用户检测。多用户检测利用所 有用户的信号进行联合检测。多用户检测涉及同道干扰消除。所谓同道干扰是指多 个用户在相同频段相同时间发送信号而导致的相互干扰。 s c h n e i d e r 第一次提出了多用户检测的观点并研究了追零算法。随后，k a s h i h a r a 和k o h n o 提出了多址干扰消除接收机，s c h n e i d e r 和k o h n o 还给出了异步多用户通信 中使用v i t e r b i 算法的最优接收机。多用户检测真正引起广大研究者的关注得益于 v e r d t l 的工作，他给出了利用v i t e r b i 算法的最大似然序列检测器( m l s d ) 的应用并 分析了性能。v e r d t l 的研究表明c d m a 系统既不受制于“远近”效应也不是干扰受 限。 最优化多用户检测器实现了比单用户检测器优越得多的性能并具有最佳的抗远 近效应。但由于其复杂度与用户数的指数成正比而难以实用。许多次优化的多用户 检测器较m l s d 算法有低得多的复杂度且与传统接收机相比大大提高了多用户系统 的性能与容量因而被广泛研究。在c d m a 系统中由于每个用户都占据整个系统带宽 因而用户信号交织在一起，联合译码的用户数报大，所以多用户检测往往用于基 站。一般的说使用长码的系统互相关矩阵需经常变化，为了减小系统复杂度多用户 检测较容易用于使用短扩频码的系统。 本论文研究的重点是我国具有自主知识产权的t d - s c d m a 移动通信系统中基 带数字信号处理的核心部分一一信道估计和结合智能天线技术的多用户检测。本论文 作者参与了z f o b l e 算法的d s p c 6 2 x 实时实现和m i 子系统的d s p 编程及仿真工 作。 本论文的组织结构大致如下： 第一章简要分析了第三带移动通信系统发展的现状，介绍了本论文的课题背景 和意义。 第二章提出了t d s c d m a 系统的多址接入模型。重点分析了几种典型的多用户 检测算法及给出了一种码子辅助的低复杂度的信道估计方法。 第三章给出了在t d s c d m a 系统中运用的结合智能天线技术的z f b l e 算法的 其体实现以及对几种典型的多用户检测算法复杂度进行了必要的分析与讨论。 第四章提出了对上述方法进行验证的仿真系统模型，同时对仿真结果进行了 分析。 第五章对结合智能天线的多用户检测技术的发展前景和方向进行了探讨。 第一章第三代移动通信系统的发展现状 第一章第三代移动通信系统的发展现状 1 1 第三代移动通信系统的基本特征 第三代移动通信系统是建立在i t ui m t - 2 0 0 0 的建议基础上的工作在2 g h z 频段 上的宽带移动通信系统，其主要特点概括为： 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务。i t u 规定的无线传输技 术的最低要求： ( 1 ) 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s 。( 2 ) 室外到室内或步 行环境，最高速率达3 8 4 k b s 。( 3 ) 室内环境，最高速率达2 m b s 。 全球普及和无逢漫游的系统。 便于过渡、演迸。 - 高频谱效率。 低成本 - 高服务质量 高保密性 l t 2 第三代移动通信系统无线传输技术标准化工作现状 为了能统一全球移动通信标准，为了能统一全球移动通信的频段，为了达到3 g 全球漫游的目的，为了能够提高移动通信的频谱利用率，为了能够提高移动通信的 数据业务传输速率，满足多媒体业务的需求，i t u 最终确定了作为将来开发第三代 移动通信系统( 地面移动通信系统) 基础的三类共五种r 1 盯技术。他们是： 一、两种t d m a 技术：u m c l 3 6 ( f d d ) 和e - d e c t ( t d d ) 实际上这两种技术并未达到i m t - 2 0 0 0 的最低要求。只是为了维护美国市场和继 续提供室内办公环境的无绳电话系统( d e c t ) 才得以通过。不可能成为全球范围 内的移动通信系统标准。 二、两种c d m a f d d 技术：3 g p p 的d s c d m a 和3 g p p 2 的m c - c d m a d s - c d m a 技术由标准化组织3 g p p 提出，主要基于欧渊和日本的w c d m a 技术。 其主要技术特点为： c h i pr a t e3 8 4 m o p s - 5m h z 频带宽度，直接扩频。 滚降系数o 。2 2 2 t d - s c d m a 系统中信道估计与联合检测算法的研究及实现 - 扩频系数4 - 2 5 6 可变。 功率控制采用开环控制和快速闭环控制。 基站间非同步 采用软切换和不同频率间切换两种小区切换方式 采用r a k e 技术对抗多经衰落 m c c d m a 技术由标准化组织3 g p p 2 提出， 主要基于美国q u a l e o m m 公司的i s 9 5 技术。 其主要技术特点为： c h i pr a t e3 6 8 6 4m o p s 2 5 m h z 频带宽度，多载波方式 采用数字滤波技术。频普特性极为陡峭 扩频系数4 - 2 5 6 可变 功率控制采用开环控制和快速闭环控制 - 基站间同步 l 采用软切换和不同频率间切换两种小区切换方式 采用技术对抗多经衰落 三、一种c d m a - t d d 技术。包括由我国提出的t d s c d m a 技术和3 g p p 的 u t r a t d d 技术两种选择方案。c d m a t d d 技术目前还处在融合过程中，中 国的标准组织c w t s 正在和3 g p p 合作，希望将来两个t d d 选择方案可以融合称为 一个统一的t d d 的标准。这两种c d m a t d d 技术的主要特点( 相同部分) 是： c h i pr a t e3 8 4 1 2 8m o p sfu t r at d d t d - s c d m a ) - 载波频宽5 1 6m i - i z ( u t r at d d t d s c d m a ) 滚降系数0 2 2 扩频系数1 - - 1 6 可变 功率控制采用快速闭环控制 基站间同步 采用接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 和不同频率间切换两种小区切换方式 采用联合检测( j o i n td e t e c t i o n ) 技术对抗多经衰落 1 3t d - - - - s c d m a 标准的地位及其特点 1 3 1t d - - - s c d m a 标准设计的指导思想 第一章第三代移动通信系统的发展现状 t d - s c d m a 技术是从北京信威公司的s c d m a 无线本地环路( w l l ) 技术发展而 来。t d s c d m ai 盯r 的核心是一个基于智能天线技术的系统， 其设计目标就是使 系统能够在不降低服务质量的前提下能工作于满码道。显然此目标就是达到所谓 的“w a l s h 极限。其直接效果就是大大提高了系统的容量，提高了频谱利用率。 1 3 2t d - - - s c d m a 的主要特点 t d s c d m a 是采用时分双工模式o d d ) 的第三代移动通信系统，其主要的技术特 点为： 一一采用智能天线技术 一一采用联合检测技术 一一采用上行同步方式 一一采用接力切换方式 一一采用低码片速率 t d s c d m a 是目前世界上唯一采用智能天线的第三代移动通信系统。在 t d - s c d m a 系统中，由于采用了t d d 模式，上、下行链路采用同一频率，在同一 时刻上下行链路的空间物理特性是完全相同的，因此，只要在基站端依据上行数据 进行空间参数的估值，再根据这些估值对下行链路的数据进行数字赋形，就可以达 到自适应波束赋形的目的，充分发挥智能天线的作用。 c d m a 系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要把各 个用户的信号分离开来。理想情况下，利用扩频码的正交特性可以保证解调时能无 偏差的解调出户数据。而实际系统中由于同步的不准确，空间信道的多径特性等造 成的影响，导致各用户信号之间不能维持理想的正交特性。这时对某一特定用户而 言，所有工作在同频段的其他用户的信号都是干扰信号，随着用户数目的增多干 扰逐渐增大，系统用户数增加到一定数量时，干扰增大到无法将有用信号提取出 来，因此，c d m a 系统是个干扰受限的系统，对于c d m a 系统而言提高系统的容量 是一个很重要的指标。 采用智能天线和上行同步联合检测技术后，可极大的降低多址干扰，只有来 自主瓣方向和较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰。因此，可有效地提高系 统容量，从而明显提高了频谱利用率。 智能天线的采用，也可有效的提高天线的增益。同时由于智能天线可以采 用多个小功率的线性功率放大器来代替单一的大功率线性放大器，而单一大功率线 生t d s c d m a 系统中信道估计与联合检测算法的研究及实现 性放大器的价格远高于多个小功率线性放大器的价格，所以智能天线可大大降低基 站的成本。智能天线带来的另一好处是提高了设备的冗余度，因智能天线系统中8 台收发信机共同工作，任何一台收发信机的损坏并不影响系统的基本工作特性。 智能无线的采用可大致定位用户的方位和距离，因此，基站和基站控制器可 采用接力切换方式，根据用户的方位、距离信息来判断手机用户现在是否移动到了 应该切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一 基站做好切换的准备，达到接力切换的目的。接力切换可提高切换的成功率，降低 切换时对邻近基站信道资源的占用。 t d s c d m a 系统仅采用1 2 8 m b s 的码片速率，只需占用单一的1 6 m 频带 宽度，就可传送2 m b s 的数据业务，而其它的3 gf d d 的方案，要传送2 m b s 的数 据业务，均需要2 x 5 m 的带宽，即需两个对称的5 m 带宽，分别作为上、下行频段， 且上下行频段间需要有几十m 的频率间隔作为保护。在目前频谱资源十分紧张的情 况下，要找到符合要求的对称频段非常困难，而t d s c d m a 系统可以“见缝插 针”，只要有满足一个载波的频段( 1 6 m ) 就可使用，可以灵活有效地利用现有的频率 资源。 t d s c d m a 是t d d 工作模式，上下行数据的传输通过控制上、下行的发送 时间来决定，发送时段内不接收，接收时段内不发送，而且可以灵活控制和改变发 送和接收的时段长短比例，对于因特网等非对称业务的数据传输，下行数据量是远 大于上行数据量的，这时可控制增加下行的时段时间，缩短上行的时段时间，以达 到高效率传送非对称业务的目的。 采用t d d 模式也存在一些缺点： 1 干扰问题 t d d 模式的c d m a 移动通信系统的干扰问题主要包括上下行链路之间的干扰， 不同运营者之间的干扰和来自功率脉冲的干扰。 上下行链路之间的干扰分为小区内上下行链路之间的干扰和小区间上下行链路 之间的干扰。前者是因为在一个小区内用户间的同步受到破坏或上下行链路的时间 分配不平衡。对于后者，非对称的t d d 时隙将影响邻近小区的无线资源并导致小区 间的上下行链路干扰，另外高功率的基站会阻塞邻近小区的基站接收本小区的终 端，处在小区边界的高功率终端也会阻塞邻近小区的具有不同时隙分配的终端。 当同一地理环境有几个运营商用同一t d d 频率时，由于基站之间的同步问题以及上 下行链路之间非对称的动态分配，不同运营者之间会发生干扰，这是t d d 模式所特 第一章第三代移动通信系统的发展瑗状 有的。来自功率脉冲的干扰是由于短的t d d 帧的短传输时间，以及为了袖珍的语音 终端设计在终端内部的设备之间的脉冲传输。 2 同步要求高 由于基站不能同时接收和发送，移动终端的传送必须在基站停止发送时开始， 这意味着同一小区内的不同用户之间，用户与基站之间需严格同步，后一同步破坏 会发生通信阻塞，前一同步破坏将导致严重干扰。这是f d d 的c d m a 移动通信系 统所没有的问题。另外。因为小区之间和不同操作者之间的干扰问题邻近小区的 基站之间要求是同步的，并且一般是符号级的精确同步。这样的同步要求在基站有 g p s 接收机或公共的分布式时钟，这些都增加了移动蜂窝网的费用。 3 移动速度受限 对于t d d 模式的c d m a 移动通信系统，上下行链路利用同一频率，根据接收 信号t d d 发射机能知道多径信道的快衰落，这给t d d 模式的系统带来许多优势， 但这是基于t d d 帧长比相干时间短的前提。因为t d d 帧很短，导致移动速度受到 限制，所以通常人们认为t d d 模式适合于室内、低速移动的微小区环境。 根据上述特点，t d s c d m a 系统适合用于大中城市及城乡结合部。在这些地区 人口密度高，频率资源紧张，移动速度不要很高( 2 0 0 k r m 以内) ，但需要大量小半 径、高容量的小区覆盖；同时在这些地区数据业务，特别是因特网等非对称数据业 务的需求比较大，能充分发挥t d s c d m a 的技术优势。 未来几年里，在世界上绝大部分地区对移动通信系统业务的需求还将主要集中在 话音方面，但预计数据业务的需求还将快速增加。目前广泛使用的g s m 网络由于频 率资源的不足，难以满足如此巨大的用户需求量。而卜- s c d m a 技术提供了一条 向第三带移动通信演进的路经：只需要在目前的g s m 网络中逐步使用t d - s c d m a 无线基站扩容，就可以在不增加很多投资的情况下提供更多的系统容量，更为重要 的是，这也是为第二代系统向第三带演进提供了新的思路。 以上优势加上t d s c d m a 系统的低价格特性，使得它在第二代网络向第三代网 络演进的过程中占有重要的地位。 1 3 3t d - s c d m a 标准提出的意义 t d - s c d m a 技术标准的提出为第三代移动通信引进了新的思想。智能天线技 术、接力切换技术、同步c d m a 技术、软件无线电技术以及多用户检测技术都是目 前的热点。这些技术的使用，将极大提高第三带移动通信系统的容量和服务质量。 因而，t d - s c d m ai u l 是对i m t 2 0 0 0 0 的一个突出的贡献。 t d s c d m a 系统中信道估计与联合检测算法的研究及实现 t d - s c d m a 技术标准是由我国提出的，具有我国自主知识产权的一个移动通 信标准。这是我国首次在国际电联( i t u ) 提出一个系统标准并且获得最后的通过。 他的提出向全世界宣告了中国人有能力独立设计一个完整的移动通信系统，大大的 提高了民族通信产业界的士气。 t d s c d m a 系统的研究和开发对于提高民族通信产业的水平具有极为重要的意 义。随着中国加入世界贸易组织( w t o ) ，通信产业将直接面对国外高水平通信 公司的竞争。 如果能够抓住开发第三代移动通信系统这个锲机开发出我们自己的 卜h s c d m a 系统，不仅对通信产业，对整个国家也是极为重大的贡献。 第二章信道估计与多用户检测 第二章信道估计与多用户检测 2 1 多用户检测的发展和意义 在蜂窝c d m a 系统中，一个小区总的干扰为i = “，十归，+ 厶。+ 如 其中五“，为本小区中用户的干扰，f 为其他小区的干扰与本小区m a i 之比( 也称外 溢比) ，i n o i s e 为接收机收到的热燥声，如为用户信号的码间干扰。对于上述四 种干扰，有不同的消除方法。实际系统中，热噪声的影响远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 l 可以使用升余弦滤波器等方法 来避免；另一种造成i s i 的原因是由无线信道的多经等特性造成的，这种干扰是实 际系统无法避免的，可以通过均衡等办法进行消除。同频其它用户造成的干扰分 为两部分，小区间的干扰和小区内的干扰。小区间的干扰是指其它同频小区信号造 成的干扰，这部分干扰可以通过合理的小区配置来减小其影响。有资料显示，即使 在最恶劣的情况下小区间干扰功率也不超过内部干扰功率的6 0 ，因此系统容量 主要取决于对m a i 的处理。 在传统的单用户接收机中，对每个单用户采用匹配相关分别检测出各自的信 号，而对多址干扰不做处理。仅仅通过扩频码波形的设计、功率控制、f e c 编码、 扇行自适应天线的方法来降低多址干扰的影响。所谓多用户检测就是对每个单用户 都利用多个用户的信息去实现接收或数据检测。多用户检测的概念实际上是为了有 别于传统匹配滤波器接收机而提出来的。从信息论的观点来看，传统接收机是把 k l a i 等效为高斯噪声，它把有用的信息看成噪声丢弃了，因而使得误码率增多。而 多用户检测技术则充分利用系统传输的相关有用信息( 如用户的码元、定时、信号 幅度以及相位等信息) 来联合检测单个用户的信息，从而获得最佳的判断效果。 应用多用户检测技术可以提高系统的用户容量和性能；降低系统对”远近”效应的敏 感度；简化功率控制系统的设计，甚至取消功率控制系统( 当然，功率控制还可用 于其他目的) 。有资料表明，在理想的多用户检测系统中，本小区的m a i 将会完 全消除，此时i = 伍w 。对应的采用多用户检测以后的最大系统容量增益因子为 ( 1 + f ) 几在蜂窝系统中，典型的间5 5 ，这表明最大系统容量增益为2 8 倍。 1 9 7 9 年s c h n e i d e r 第一次提出了将多个用户的码字和定时( 还可能包括振幅和 相位) 信息联合起来检测每个用户的信息的多用户检测的思想并研究了迫零算法。 龟t d - s c d m a 系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现 随后，k a s h i h a r a 和k o h n o 提出了多址干扰消除接收机，s c h n e i d e r 和k o h n o 还给出了 异步多用户通信中使用v i t e r b i 算法的最优接收机。多用户检测真正引起广大研究者 的关注得益于v e r d t l 的工作， 他在1 9 8 6 年发表的文章提出了基于匹配滤波器组加 v i t e r b i 译码的最佳多用户接收机。他的研究结果表明，基于最佳多用户检测方法的 c d m a 系统不是干扰受限的系统，而且可以抗远近效应。文章也表明了匹配滤波器 组的输出为最佳检测提供了充分统计量。最佳多用户接收机使我们能够在信号选择 和接收机复杂性之间进行折衷。s v e r d t l 的这篇文章在多用户检测的研究中具有重要 的意义，美中不足的是s v e r d t l 提出的最优多用户检测器和最大序列检测器的实现复 杂度随用户数的指数级增长，实用意义不大。但正是由于s v e r d t i 等人的研究才激励 了众多的研究者寻找用合理的复杂性实现较优化的性能的多用户检测器，才出现了 现在的各种次优化检测方法蓬勃发展，使多用户检测进一步走向了现实。 在多用户接收机中，为了提高系统的容量和对多用户信号正确分离与检测接 收通常需要采用以下几种技术结合运用： 1 ) 自动功率控制( 抗远近效应) 技术； 2 ) 智能天线( 进行空间分集及赋形) 技术； 3 ) 同步( 上行和下行同步，如采用自动提前发送或自动延时控制等) 技术； 4 ) 选择具有良好相关特性的特征扩频码： 5 ) 同步c d m a 技术； 6 ) 信道估计技术等。 其中，这六种技术是相辅相成、互相补充的，而且可以说它们最终是为多用户 检测算法服务的。 2 2 多用户检测的分类及主要性能指标 在多用户检测中，一个重要的假设是多个用户的扩频序列对接收机来说是预知 的。如果把多址干扰看作不同用户的“码间干扰”，那么可将多用户检测的方法与 均衡器的方法相类比来分析。 多用户算法的分类如图2 1 所示。一般，多用户检测可以按照最优或次优方 法来分为两类。第一类是最优( o p t i m u m ) 多用户检测，它是通过将所有用户的信号 联合起来解一个最优化问题来确定所要接收的码元信息，这虽然从根本上改善了系 统的性能，但由于其运算规模随用户数的增加呈指数上升，因而当系统容量较大 时，根本无法实现；第二类是次最优( s u b o p t i m u m ) 多用户检测，它尽量保持最优 第二章信道估计与多用户检测 9 图2 - 1 多用户检测的分类 化性能的前提下，降低运算复杂度，以增加其实用性。各国学者已经相继提出了许 多次最优方案，但是有些次最优检测器随用户量增加，会带来重复运算或者不收 敛、迷失全局最优等一系列问题，使得检测器的运算次数和误码率大增。可见实际 应用中，应该根据实际系统的需要在性能和复杂度之间折中考虑。 对于多用户检测起的性能，最常用的衡量指标是接收误码率p e 。除此之外， v e r d u 等人还定义了效率，渐近效率等性能指标。 令儿( t ) = 6 表示归一化信噪比，其中是每比特信号的能量，。2 是 0 a w g n 的双边功率谱密度。 效率是指对某一用户k ，在无m a i 时，检测器为达到某一误码率所需的有 效信噪比y 。( 女) ，与有多用户干扰信号时，检测器达到同样的误码率所需的信噪 比n ( t ) 之比，其值介于0 和1 之间。 而第k 个用户的渐进效率巩( ) 是指当0 _ 0 时的效率，即 ，7 ：l i m r k c k ) “ - + 。“( t ) 可以看出，效率和渐进效率都表征了由于某种原因m a i 存在所引起的检测器性能 的损失，但渐进效率更突出的描述了检测器在抑制m a i 方面的能力，即仇越趋近于 1 ，其系统抑制m a i 能力越强。 为了更直接表示检测器的性能，人们通常喜欢采用接收点处平均信噪比尹( 七) 与 未编码误码率e 的关系来衡量。接收点处的平均值嗓比是这样定义的 ： 信号的方差 ( 噪声+ 此t ，+ z 跚的方差 事实上，把它称为平均信号噪声干扰比( s i g n a t o - n o i s e - a n d - i n t e r f e r e n c e 一i o t d s c d m a 系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现 r a t i o ，s n i r ) 更为确切。为了简化起见，本文直接使用其最大值即 k = 嚣糕作为接收点处平均信噪比a 下面先从同步c d m a 系统中系统模型与最优化的检测方法入手，然后给出同步 c d m a 系统中次优化的线性与干扰消除算法的详细的数学推导。至于异步系统可以 类推。 2 3系统基本模型 2 3 1 连续时间的系统模型 通信系统中，考虑具有屹个接收天线的情况，第屯个天线接收机收到的信号可 以一般地表示为： k p ( “1 ( f ) = y j ( 帕( 卜v ( k , k a ) + 珂f 枷( f ) ( 2 1 ) 百 其中，s 佛酬例是第七口个天线收到的第k 个用户( 七= j ，2 ，k ) 的信号，r “是第七 个用户的时延( 对于同步系统来说，r “- 0 , k = l ，z k ) ，h 俐表示第屯个天 线收到的噪声和干扰信号( 根据信道环境和处理方法的不同，干扰信号可能被归入 噪声，也可能被归入其它用户信号表示) 。 实际的多址接入系统中，在发射端，用户信号必需调制到载频上再发射出 去；而在接收端必须将收到的信号解调后进行低通滤波后再进行基带处理。为了 便于进行讨论，上面分别用了s 传和”脚表示它们的复带通信号的等效低通部 分，即s e t , 纠为接收的用户k 信号的等效复基带信号。 假设通信系统采用线性数字调制，收到的第k 个用户的信号为： 一l s “o ) = “( 疗) 小“( t - n t ) ( 2 - 2 ) n - - 0 其中，倒是数据符号( 对b p s k ，m 1 ，+ 1 ) ：对q p s k ，驴蜘阳 - l - j ， 1 + j ，l - j ，l + j ) ，r 是符号间隔，a 他划是幅度。需要注意的是，为了表示不同用户信号 载波调制的随机初始相位，4 以捌是复数有一个随机的相位因子e l 。上式中的 b a _ 蚓，我们称之为第t 个用户的组合信道冲激响应( 归一化) ，它实际包含了发 送符号特征波形成形、信道的冲击响应和接收信道滤波。对于时变信道，上述响应 第二章信道估计与多用户检测 是随时间变化的，可记为6 限柳r f r ，。对于采用短码的系统，一般可以认为其在一 个码元( 或一个数据帧) 内是不变的( 由数据速率和多普勒频移确定) 。 ( 2 2 ) 式 中的是用户数据的符号( 码元) 数。这里有两种情况： 第一种情况可以称之为块处理，我们考察接收信号的时间单位是一个帧的时间间 隔( 包括时间响应扩展) ，也即每次检测和处理一帧的数据，v 是每个用户每帧 ( 或分组) 数据的符号数。按帧处理的条件是信号具有帧同步，帧与帧之间有保护 间隔。各帧可以分别处理。这里也包括用户数据只有n 个符号的情况。 第二种情况可以称之为流处理，我们考察接收信号的时间单位是一个符号的时间 间隔也即每次检测和处理一个符号( 码元) 的数据，即n 等于1 。这时， ( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 可以改写为： r l g ( b ( f ) = e a c k l , m d ( 1 p ( 1 妇( f ) + n t 如( r ) ( 2 3 ) 如果数据码元是同步的，且接收滤波器时间扩展不超过一个码元( 或没有码间干 扰) ，则j u ；足，驯倒= 6 限捌。如果数据码元是异步的，可以把其它用户不同 码元的干扰当成不同的用户对待，这样，刖 置，而p 佛纠是6 佛划例的延时在本码 元间隔的截取。 为了简化信号的表示，我们可以把信号的幅度、相位、时延都包含在组合信道冲 激响应6 f t 蚓中。这样，( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式分别变为： g p ( “( f ) = s ( 妯( f ) + 月( “( ，) ( 2 - 4 ) n l s ( t t a ) ( r ) = d ( h ) 水“( t - h r ) ( 2 5 ) r l p “( r ) = d “p “( f ) + n 怕( f ) ( 2 - 6 ) k l = i 这个模型具有普遍意义，它可以表示采用不同的通信体制和系统结构、具有不同 的信道类型的各种系统。由系统模型我们也可以看到，接收信号中存在着各种类型 的干扰：热噪声的干扰，多址干扰( m a d 和码间干扰( i s l ) 等。 如果是单天线接收系统，接收信号可以用下式表示： t d s c d m a 系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现 k p ( f ) = s 1 ( f ) + h ( f ) ( 2 - 7 ) k = l n l s ( ，) - d ( n ( t - n z ) ( 2 - 8 ) n = o k 1 e ( r ) = d 川p1 1 ( ，) + h ( f ) ( 2 9 ) 对于发送端是多天线的情况，体现在各用户的( 组合) 信道冲击响应不同，由发 送端的波束成型决定。 2 3 2 离散化的基本模型 在数字化接收机中，我们通常通过采样( 或更一般地，通过一个确定的相关运 算) 把收到的连续信号转换成为时间离散信号。我们记采样间隔为t s ，( 2 - 5 ) 式的 采样信号为： n i ( 月) 扩“( f 瓦- n t ) ( 2 - 1 0 ) n = 0 设系统响应6 限蚓何时间受限且是因果的，其时延扩展为t + t w 。我们记 m = t t s ，w = t w t s 。则信号6 ”剧存在的区间为【o ，t + t w 】对应离散信号0 s i 兰m + w 一1 ；信号舻纠存在的区间为 o ，n t + t w ，对应离散信号0 s i ! n m + w 一 1 。 所以，公式( 2 - 4 ) 的离散形式为： e j = s + n j 纠 k n - l 6 端+ 疗j 蚓 ( 2 - i i ) t ；ln = 0 n - l j 妒) - 甜叫( 。k , k a ( 2 1 2 ) n = 0 f l p ：上a = e d “p ，1 知+ 玎：b 1 ( 2 1 3 ) k l = l 一 一三童堡型皇墨旦生趔一 旦 同样，公式( 2 7 ) 的离散形式为： k 铲e n t = i 2 3 _ 3 离散化模型的矩阵表示 公式( 2 1 4 ) 写成矩阵形式为： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) p r ”+ h ， ( 2 - 1 6 ) e = a d + u 对于( 2 1 6 ) ，也即流处理模型，其中， e = ( r 0 ，1 ，一1 ) 7 d = ( d “) ，dc “，d 似”) 7 a = v = ( p o ，p 牡，p ”) p m = b 窖。p _ _ ，。确一 对于( 2 2 4 ) ，也即块处理模型，其中， e = “，1 ，r n m + 。) 7 d = ，d 弘，群，研”，d “，一，d d 譬 v = ( b ( 1 ) ，b 忙，b ) b = ，蟛。， i 、 m a n ，n ( 2 ，1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 6 ) h+ ，州啦 女 以 。 = 如以 c l = p d m = p 勉蚴撕 r d 1 4 t d s c d m a 系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现 我们可以看到，块处理模型中的v 矩阵( ( m + w 一1 ) ( k ) 阶矩阵) 相当 于流处理模型中的a 矩阵，只是v 矩阵包含了超过一个码元的时延扩展，这对有码 间干扰和异步的情况是非常有用的。块处理模型中的a 矩阵( 式( 2 - 2 6 ) ) 是由n ( 码元符号数) 个v 矩阵排列再填零得到的( n m + w 1 ) x ( n k ) 阶矩阵。 2 3 4c d m a 系统基本模型 首先，我们定义第女个用户的等效信道冲激响应为 如( f ) = g s ( f ) + gc k , k ( r ) + g r ( f ) ( 2 2 7 ) 其中，g s ( r ) 是发送码片的波形，毋r j 是接收端一个信道滤波器( 码片匹配滤波) g 仉纠是信道的冲激响应。对于多径信道，其冲激响应可表示为： g 加( f ) ( 2 2 8 ) 其中，厶是第k 个用户的信道的多径数，删和t - k 分别是相应的复增益和时延。对于 无线移动信道情况，可以用r a y l e i g h ( 或r i c e a n ) 分布来描述平坦衰落信号或独立 多径分量包络的统计时变特性。 对于采用线性码片调制方案的c d m a 系统，第k 个用户的组合信道冲激响应可 表示为： 0 铲“( f ) = c 1 ( q ) 舻“( 卜g 疋) ) ( 2 - 2 9 ) 其中，c 俐是扩频码序列，q 扩频系数。设m c = t c t s ， ( 2 2 9 ) 式的采样信号为 口 6 。知( 峨) = c ( g ) ”抽( 吗一g ) 口= l 所以，公式( 2 - 2 9 ) 的离散形式为 0 c ( g ) 栌“( i t s q m c 疋) ( 2 3 0 ) q = l 妒= c 茹：+ ( 2 3 1 ) h r一 0 占 - 鼋 占 第二章信道估计与多用户检测 ( 后面是否加l ，看两数起点：起点都是0 ，不加l ；前面从l 开始，加l 。) 若每码片只采一个样点，有m = q ，m c = l 。公式( 2 3 1 ) 变为： 6 j 协) - 兰。呲等( 2 - 3 2 ) q = l 公式( 2 - 1 2 ) 变为： 一i s 掣= d ：k b 篙 公式( 2 3 2 ) 的卷积形式为( 线性卷积) ： b ( ) = c ( 1o h 其中 b 删= 研，6 ，略。y r c 冉= c ，刮r h 内= g ， 夕， ) r ( ) = c l c 2 c c 一ic w - 2 c w c 一l c 口。口一 c 口 c 1 c 2 c c 口一妒+ l c 0 一+ 2 c 口c 口一l c 口 r 2 3 9 ) 公式( 2 3 2 ) 的矩阵形式为： b f = m h ( ( 2 - 3 8 ) 其中，硝耐是一个( q + w 1 ) ( w ) 阶矩阵 在t d s c d m a 系统中，扩频码由w a l s h 码和p n 码的乘积形成。 2 4 传统的单用户接收机 l s ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 拗l 耄跏协。协 肌 咿咿 堕t d s c d m a 系统中信道估计与多用户检测算法的研究及实现 最简单、最直接的就是单用户接收机，也即2 - 2 中没有多用户检测部分( 直 通) 。传统的单用户检测方法利用扩频码之间的准正交性来分离各用户的信号。接 收端用一个和发送地址码( 波形) 相匹配的匹配滤波器( 相关器) 来实现信号分 离，在相关器后直接解调判决。这种方法只有在理想正交的情况下，才能完全消除 多址干扰的影响，对于非理想正交的情况，必然会产生多址干扰，从而引起误码率 的提高。从矩阵来看，传统的单用户检测方法( 在不考虑l s i 时! ) 把a 1 a ( 相关 矩阵) 当成对角矩阵，忽略了非对角线上值( 对块处理模型，有多用户干扰，也有 码间干扰) 。而在现代通信系统中，往往只具有准正交性，多址干扰必然带来系统 性能的恶化，而且这种恶化无法通过提高信噪比来改善。多址干扰对性能的影响主 要有两个方面： 第一，系统的频谱利用率较低。在采用传统单用户检测方法的系统中，若要求达 到