（通信与信息系统专业论文）同步dscdma通信系统的非线性多用户检测.pdf

在码分多址( c d m a ) 通信系统中，不同的用户指定不同的扩频码波形，而 不同用户信号在同一个通信频带内同时传输。在接收端，我们接收到淹没在噪 声中的这些用户的和信号。当用户码是彼此正交时，我们可以通过一组正交滤 波器组实现用户信号的解调。但是，在实际上由于带宽的限制、同步信息的缺 乏以及其它设计的约束等，我们很难实现正交扩频码。因此，实际的问题是如 何在非正交码情形实现用户信号的解调。近年来发展的多用户检测技术提供了 一个有效的解调手段，如何降低多址于扰已成为当前多用户检测技术中的一个 重要研究方面。 本文研究的是同步码分多址通信系统中的多址干扰对消技术，重点开展了 如下工作： 1 分析了同步直接序列c d m a 系统中用户间多址干扰产生的原因及其对 通信系统性能的影响；：介绍了几种较为典型的多用户检测算法，并对其基本原 理、结构及性能特点进行了分析与比较。， 2 过羞塑王拨抵逍捡捌篓垡堡王遂? ! 笪丑究，模拟分析了检测器附加噪 声分量的统计特性。4 结果表明该噪声分量近似高斯噪声分布。) 3 在分析并行干扰算法每级输出信号组成的基础上，提出了一种改进并 行王选抵趟捡型簦鲨：i 乎算法使用了塑坌王热堑渔独筮判决技术，极大地改进 了多址干扰的抵消效果。4 4 基于最d , z 乘参数估计算法和c d m a 通信信号的循环平稳特性，发展 了一个序贯最小二乘循环谱参数估计算法，咳算法可以有效地对并行干扰算法 所要求的参数进行估计。j 5 把改进并行干扰算法推广到多径衰落通信环境，建立了多径衰落信道 的数学模型。( 在分析了多径信号处理方法的基础上，提出了多径重构的概念， 堕皇些三盔堂塑! 兰丝堡兰 塑望 并据此给出了多径信道下改进并行干扰抵消多用户检测器的结构。该检测器具 有与单径信道下检测器相同的处理用户数。 根据本文的研究结果，我们认为并行干扰抵消多用户检测算法对c d m a 通信系统中的多址干扰具有很好的抑制效果。特别地，本文发展的改进型并行 干扰抵消算法及相应的参数估计算法可以极大地提高系统的容量，降低对功率 控制的要求，因而它是一种很有发展潜力的多用户检测算法。 关键词：码分多址多址干扰、多用户检测干扰抵消 参数估计分集接收 i i 南京删t 人学删! f 学位论文 a b s t r a c t i nac o d e d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( c d m a ) s y s t e m ，s i g n a l so fd i f f e r e n tu s e r sa r e t r a n s m i t t e d s i m u l t a n e o u s l y o v e rac o m i n o n c h a n n e l u s i n gp r e s c r i b e d c o d e w a v e f o r m s i nr e c e i v e rt e r m i n a l ，t h er e c e i v e rw i l lr e c e i v et h es u mo ft h e s i m u l t a n e o u s l yt r a n s m i t t e ds i g n a l si nt h ep r e s e n c eo f a d d i t i v en o i s e i ft h e p r e s c r i b e d w a v e f o r m sw e r eo r t h o g o n a l ，ab a n ko f o r t h o g o n a l ( m a t c h e d ) f i l t e r sw o u l db e u s e dt o d e m o d u l a t et h e s i g n a l s o ft h ed i f f e r e n tu s e r s i n p r a c t i c e ，h o w e v e r , o r t h o g o n a l c o n s t e l l a t i o n sa r em o r et h ee x c e p t i o nt h a nt h er u l eb e c a u s eo fb a n d w i d t hl i m i t a t i o n s ， l a c ko fs y n c h r o n i z a t i o ni n f o r m a t i o n ，o ro t h e rd e s i g n c o n s t r a i n t s t h e r e f o r e ，t h e p r a c t i c a l c a s ei sh o wt od e m o d u l a t et h er e c e i v e d s i g n a l s w h e nt h e p r e s c r i b e d w a v e f o r m sa r en o t o r t h o g o n a l t h em u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e sd e v e l o p e dd u r i n g p a s tt e ny e a r sp r o v i d et h ec d m as y s t e mw i t ht h ee f f i c i e n td e m o d u l a t i o ns c h e m e s t h ec o r r e s p o n d i n g m u l t i p l e - a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) r e d u c t i o nb e c o m e sak e y r e s e a r c ha r e ao f t h em u l t i - u s e rd e t e c t i o n t e c h n i q u e s t h i st h e s i ss t u d i e st h e v i a lc a n c e l l a t i o ni nt h e s y n c b r o n o u sc d m a s y s t e m sa n d c o n d u c t st h ef o l l o w i n gt h ew o r k s ： 1 d i s c u s st h em e c h a n i s mo ft h em a if o r m u l a t i o ni nt h ec d m a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n di t s e f f e c to nt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，i n t r o d u c es e v e r a lt y p i c a l m u l t i u s e rd e t e c t i o n a l g o r i t h m s a n da n a l y z ea n dc o m p a r et h e i rf i m d a m e n t a l p r i n c i p l e s ，i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s 2 t h o r o u g h l ys t u d yt h ec o n v e n t i o n a lp 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 ( p 1 c ) a n d a n a l y z e t h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ea d d i t i o n a ln o i s e b yc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en o i s es i g n a lh a sa p p r o x i m a t e l y g a u s s i a nd i s t r i b u t i o n 3 p r o p o s e a ni m p r o v e dp i cd e t e c t i o ns c h e m eo nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h es i g n a l i i i c o m p o n e n t si nt h ee a c hs t a g eo f t h ec o n v e n t i o n a lp i cd e t e c t i o na l g o r i t h m t h e p r o p o s e da l g o r i t h mu t i l i z e st h ep a r t i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na n ds o f td e c i s i o n t e c h n i q u e s ，a n dh e n c eg r e a t l y r e d u c e st h em a i s i g n a l s 4 d e v e l o p ar e c u r s i v el e a s t s q u a r ec y c l i cs p e c t r u mp a r a m e t e r s e s t i m a t i o n a l g o r i t h mf o rt h ee s t i m a t i o no fu s e rs i g n a l s t h ea l g o r i t h mi sd e r i v e df r o mt h e r e c u r s i v el e a s t s q u a r ea l g o r i t h ma n dt h ec y c l o s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c o ft h e c d m a s i g n a l s ，a n dc a nb eu s e d t oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r so f u s e rs i g n a l sw h i c h a r er e q u i r e di nt h ep i ct e c h n i q u e s 5 g e n e r a l i z et h ei m p r o v e dp i ca l g o r i t h mt ot h ec a s eo ft h em u l t i p a t hf a d i n g c h a n n e l s b ya n a l y z i n gt h em u l t i - p a t hs i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ec o n c e p to fm u l t i p a t h r e c o n s t r u c t i o ni si n t r o d u c e da n da n i m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r eo ft h e i m p r o v e dp i ca l g o r i t h mi nt h em u l t i p a t hf a d i n gc a s ei sg i v e n t h es t r u c t u r ec a n h a v et h es a m en u m b e ro f u s e r sa si nt h ec a s eo f t h e s i n g l ep a t hc h a n n e l a c c o r d i n gt o t h ea b o v er e s u l t s ，i tc a r lb e t h o u g h tt h a t t h ep i cm u l t i u s e r d e t e c t i o n a l g o r i t h m s a r ee f f i c i e n tt or e d u c et h em a ii nt h ec d m as y s t e m s p a r t i c u l a r l y , t h ei m p r o v e dp i ca l g o r i t h mu s i n gt h ep a r a m e t e r se s t i m a t i o na l g o r i t h m d e v e l o p e di nt h i st h e s i sc a ng r e a t l yi n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t ya n dd e c r e a s et h e r e q u i r e m e n t o nt h e p o w e r c o n t r o l t e c h n i q u e s h e n c e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e i m p r o v e dp i ca l g o r i t h mh a sg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h em u l t i - u s e rd e t e c t i o n s c h e m e s k e y w o r d s ：c d m am u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c em u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o np a r a m e t e r se s t i m a t i o n d i v e r s i t yr e c e p t i o n l 萄京删1 _ 人学坝i 学位论义 绪论 1 1 移动通信技术发展 第一章绪论 在当今社会，通信技术的发展对人们的日常生活和社会的进步有着深刻的 影响。随着科学技术的发展，人们期望能够随时随地、及时可靠、不受时空限 制地进行信息交流。移动通信系统由于综合利用了有线和无线传输方式，因而 能满足人们在活动中与固定终端或其它移动载体上的对象进行通信联系的要 求。因此，移动通信系统作为现代通信网中不可缺少的一种通信手段，得到了 广泛的研究与应用。 所谓移动通信，就是指通信双方或至少有一方是处在移动中进行信息交流 的通信。移动通信于2 0 世纪2 0 年代开始在军事及某些特殊领域使用，4 0 年 代才逐步向民用扩展，供社会使用。而最近1 0 多年才是移动通信真正蓬勃发 展的时期。当前，移动通信系统发展的总趋势是容量越来越大，系统越来越先 进，组网和接人网方式越来越灵活。 按照人类的活动范围移动通信可划分为陆地、水上和航空移动通信三大 类。其中，陆上移动通信系统已成为移动通信领域中发展最快的一个分支。特 别是蜂窝式公众移动电话系统已成为公众通信网的及其重要的组成部分。 蜂窝移动通信系统的概念和理论是六十年代末期由美国贝尔实验室等研究 机构提出来的。蜂窝移动通信系统的发展从技术上目前可大致划分为三个阶 段，即所谓的三代系统f ”。 自本世纪七十年代中期至八十年代这段时期，蜂窝移动通信系统以模拟方 式为主，称为第一代移动通信系统。其主要特征是采用频分多址( f d m a ) 和 模拟调试技术口】。所谓的f d m a 是以不同频率的信道实现不同用户通信的。就 是说，在一个相对窄带信道里，信号功率被集中起来传输，不同用户的信号被 南京理1 人学坝| 学位论殳 绪论 分配到不同频率的信道中，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这 样在规定的窄带里只能通过本用户信号的能量，而任何其它频率的信号被排斥 在外。因此，在f d m a 系统中，不同用户的信号在频域上互不相交。北美的 a m p s 和英国的t a c s 等蜂窝移动系统是其主要代表【2 】【3 】。 八十年代初以来，以时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和数字调 制技术为代表的第二代移动通信系统经历了前所未有的发展。t d m a 是以不同 的时隙实现不同用户的通信的。现在使用的t d m a 蜂窝系统实际上都是f d m a 与t d m a 的组合”i 。即t d m a 系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多 个时隙，不同用户的信号被分配在不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信 道的干扰。这个矩阵中的每一点都是一条信道，它在基站控制分配下，可以为 任一移动用户提供通信业务。因此，在t d m a 系统中，不同用户的信号在时 域上互不相交。目前，采用t d m a 的主要蜂窝系统有北美的d a m p s 和欧洲 的g s m 等系统，特别是g s m 系统以及在g s m 系统技术基础之上又发展起来 的d c s l 8 0 0 系统【4 】。g s m 系统采用了信道数字复用、数字调制、低速率语音 编码等技术。与模拟系统相比，g s m 系统在频谱利用率，系统容量，提供业 务种类以及通信安全性方面都有很大的提高，同时g s m 系统也为移动数据业 务的实现提供了更加可靠快捷的技术平台口l 。 c d m a 是基于扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 的- - 5 0 0 无线多 址接入技术。所谓c d m a 就是不同用户的信号被分配一个相互正交的伪随机 二进制序列进行扩频，各用户的信号的能量被分配到不同的伪随机序列中。在 接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压 缩其频谱。因此，在c d m a 系统中，不同用户的信号在时域和频域上都是相 互重叠的，具有很高的频谱效率。随着通信与数字信号处理理论的发展和超大 规模集成技术与数字信号处理芯片的应用，码分多址技术经过理论论证和实践 检验，被认为是在移动通信中极具竞争力和发展潜力的技术1 6 1 。许多研究学者 也意识到c d m a 用于公众数字移动通信网将会有更好的前景，于是展开了 堕皇些! 叁兰丝! ! 兰丝堡兰! i ! l c d m a 移动通信的研究开发热潮。日前，采用c d m a 的主要蜂窝系统有北美 的q c d m a 和欧洲爱立信的b c d m a l l l 等。 进入九十年代以来，世界各国都逐渐把注意力转移到了第三代移动通信技 术和系统的研究与开发上来。第三代移动通信系统的基本思想是集多种移动通 信技术于一体，具体包括如蜂窝移动电话、卫星通信、无绳电话等，并以此为 基础，以个人信息服务为对象，突出对多种业务( 如语音、数据和视频等) 的 灵活支持，实现全球范围内的无约束的通信 7 1 【8 】。国际电联( i t u ) 将该系统命 名为i m t - - 2 0 0 0 ，并正在全世界范围内对i m t - - 2 0 0 0 的目标及其实现进行标 准化工作0 】。与第二代系统相比，i m t - - 2 0 0 0 有很多突出的优点： 1 系统的全球性。第三代系统具有全球性的标准，主要体现在设计上具 有高度通用性，具有世界范围的公用频段和漫游能力，具有世界范围的市场和 对现有设备的兼容性。 2 业务的多样性。为了满足二十一世纪对信息业务的需求，不仅要求能 满足话音与数据等常用业务，还要满足图象及多媒体等新业务需求。 3 满足高质量业务的需求。各类移动通信的服务质量达到与固定网相比 拟的高质量业务要求。 4 高度灵活性。按需分配带宽，以支持大范围、可变速率信息的传送， 大范围的工作环境。 5 通信安全性进一步改善。满足具有巨大需求的个人通信安全性要求。 无线多址接入方式是移动通信的个关键技术环节。在当前的移动通信系 统中，绝大多数采用了t d m a 与c d m a 方式，f d m a 方式由于其频带利用率 低等原因已很少单独使用。t d m a 技术较为成熟，在各种移动通信系统中都有 很好的应用，这一点已得到了通信专家和移动用户的认可【9 i 。而c d m a 技术以 其独特的技术优势受到人们的青睐。在i t u 已收到的关于第三代蜂窝移动通信 标准的建议中，几乎所有的建议都以c d m a 方案为基础n 。i 。扩频多址通信可 以采用直接序列( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 及组合( h y b r i d ) 等方式扩 南京理工大学硕士学位论文 绪论 展信号频谱。在移动通信及个人通信网中，一般采用直接序列扩频通信，即 d s c d m a 。 1 2d s c d m a 通信系统及其特点 d s c d m a 是基于直接序列扩频( 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 ) 通信的一种无线多址接入技术，因此在讨论d s c d m a 系统的原理之前，有必 要先介绍一下直接序列扩频通信的基本原理。 1 2 1 直接序列扩频通信基本原理 对直接序列扩频技术的真正研究是5 0 年代中期在美国开始的【l 】，尤其是军 事部门。c c i r 第八研究组于1 9 9 0 年1 月在有关f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n d m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 的技术报告中1 5 】，第一次明确建议采用直 接序列扩频技术。 广义扩频通信的含义是：假定一基带数据流的速率为风b i t s s ，发送系统 将此数据变换为w 频宽的传输信号。若w 远大于风( 通常达2 - - 3 个数量级 以上) 且扩展信号编码序列与原始信号不相关，则可认为信号获得了频谱扩展。 在d s s s 通信系统中，发送端采用一速率远高于基带数据速率的码序列作 为扩频码，将此扩频码与要发送的基带信号直接相乘，获得频宽远大于基带数 据的扩频信号( 宽带信号) ，然后再进行传输，直接序列扩频因此而得名。在 d s s s 系统的接收端采用与一发送端完全一致的扩频码对所接收到的宽带信号 进行解扩。所谓解扩就是将本地扩频码与所收到的宽带信号进行相关运算和判 决。经过解扩之后，接收端就可以从已被扩频的宽带信号中还原出原来的基带 数据信号，从而实现用户信息的传送过程，见图1 1 。 j ! 皇些! 墨兰! ! ：! = 1 兰! ! 堡皇! ! ! l 基带 扩频码调制载波 调制载波扩频码 图1 1 直接扩频通信系统工作原理 数据 在d s s s 通信系统中，在发送端，用户信号经扩频后，频谱被展宽为宽带 谱：在接收端，经过相关解扩处理后，用户信号频谱又被还原为窄带谱。宽带 内的无用信号( 如背景噪声) 与接收端扩频码不相关，因此不能够解扩，仍为 宽带信号；而宽带内的窄带信号( 如人为干扰) 则被接收端扩频码扩展成为了 宽带谱信号。这样，由于无用的干扰信号为宽带谱信号而有用的信号被恢复为 窄带谱信号，我们就可以在接收端用一个窄带滤波器除去带外的干扰，大大地 提高窄带内的信噪比，这也是d s s s 通信系统显著的优点之一。另外，由于在 d s s s 通信系统中，接收端的扩频码必须与发送端的扩频码完全一致，否则将 无法正确解扩，所以，d s s s 通信系统也还具有很好的安全性能。 1 2 2d s c d m a 通信系统基本原理 d s c d m a 通信系统是建立在d s s s 通信基础之上的，它利用了d s s s 系 统能够在解扩时对其他用户信号进行去除这一特性来实现多址。具体来说，在 d s c d m a 通信系统中，各个用户都占用同一频段、时隙和空间，唯一不同之 处在于各用户采用互不相同且相互正交( 由于在实际应用时的局限，通常采用 准正交码集) 的扩频码( 又称为地址码) 加以区别。接收端对各个用户的信号 分别进行独立的解调( 分别采用与各用户对应的扩频码) ，见图1 2 。 十4 ，、 ! 皇些二! ：! ：塑 兰丝堡兰二! ! l 灶 、 用 信 道 图1 2d s c d m a 通信系统原理 数据1 数据2 数据k 在传统的d s c d m a 通信系统中，对每个用户而言，其他用户的信号仅当 做噪声来对待。因此，每个用户接收机的输出信号为本用户信号和来自其他用 户信号的干扰之和。从d s c d m a 的原理可以看出，代表系统中各用户的扩频 码( 扩频码组) 之间的正交性将对整个系统的性能产生重要的影响。目前较多 使用的扩频码组有r n 序列( 即p n 序列) 、g o l d 序列和w a l s h 序列1 7 j 等。 d s c d m a 通信系统又可分为同步d s c d m a 系统和异步d s c d m a 系统。 所谓同步d s c d m a 系统是指基带数据和扩频码都严格同步的d s c d m a 系 统；而在异步d s c d m a 系统中，基带数据和扩频码都是非同步的。同步与异 步的d s c d m a 系统中的用户间干扰情况也是不完全一样的，但是又有一定的 联系，即在一定条件下异步d s c d m a 系统可以等效映射为一同步d s c d m a 系统1 2 0 i ，所以，针对同步d s c d m a 系统的研究结果也可以在一定程度上反映 出异步d s c d m a 系统的特性。 1 2 3d s c d m a 通信系统的主要特点“ 塑塞些三查兰塑i 兰些丝兰堑! 生 d s c d m a 通信系统主要具有以下特点： 1 通信容量大。从理论上讲，通信容量完全由信道特性来决定，但实际 的系统很难达到理想的情况，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。 d s c d m a 是干扰限制性系统，任何干扰的减少都可直接转化为系统容量的提 高。因此一些能降低干扰功率的技术，如话音激活( v o i c ea c t i v i t y ) 技术等，可 以自然地用于提高系统的容量。一般来说，在同样条件下，d s c d m a 系统容 量约是采用t d m a 或f d m a 方式容量的4 6 倍，是采用模拟f m f d m a 系 统容量的2 0 倍i 。 2 系统的软容量特性。t d m a 、f d m a 系统中可以同时接入的用户数是 固定的，而在d s c d m a 系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降， 不会出现通信硬阻塞现象。这对于解决通信高峰期的通信阻塞问题和提高用户 越区切换的成功率无疑是十分有益的。 3 独特的分集方式。在d s c d m a 中，由于采用了宽带传输，使它具有 了特有的频率分集特性，即当信道具有频率选择性时，对d s c d m a 系统中信 息传输的影响较小“】。移动信道在一般情况下是一个多径衰落信道，d s c d m a 系统有分离多径的能力，可以实现多径分集，将多径信号分离出来，分别接收。 这样不但克服了多径衰落带来的不利影响，还等效增加了有用信号的接收功 率。这两种特有的分集形式以及其它措施使d s c d m a 系统的发射功率相对很 低。相比而言，t d m a 系统为克服多径造成的码间干扰而采用的均衡器增加了 接收机的复杂度，同时也影响到了越区切换的平滑性【8 】。 4 系统软切换。在d s c d m a 系统中，所有小区( 或扇区) 都可以使用 相同的频率。当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移 动台发送相同的信号，移动台能同时接收并合并这些信号。当某一基站的信号 强于当前基站信号且稳定后，移动台切换到该基站的控制上去，而这一过程并 不需要移动台收发频率的切换，而只需要在扩频码序列上作相应的调整，在通 信过程中平滑地完成】。另外，由于d s c d m a 系统的软容量特性，越区切换 塑皇! ! ! 叁兰坚生兰些丝墨堕堡 的成功率要大于模拟f d m a 系统和数字t d m a 系统，尤其是在通信的高峰期。 5低信号功率谱密度。在d s c d m a 系统中，信号功率被扩展到比自身 频带宽度宽上百倍的频带范围内，因而其功率谱密度大为降低。由此可得到两 方面的好处。其一，具有较强的抗窄带干扰能力。其二，对窄带系统干扰很小， 有可能与其它系统共用频段，使有限的频谱资源得到更为充分的利用2 1 。 6 良好的通信安全性。d s c d m a 系统采用扩频技术，使发射的信号频 谱被扩展得很宽，从而使发射的信号完全隐蔽在噪声，干扰之中，不易被发现 和接收。另外，各移动台所使用的地址码各不相同，在接收端只有码型和相位 完全相同的用户才能接收到相应的发送数据，对于非相关的用户来说则是一种 背景噪声。所以d s c d m a 系统可以有效地防止有意或无意的窃取，具有很好 的通信安全性。 以上这些特点使c d m a 技术成为新一代移动通信以及未来个人通信中最 有前景的无线多址技术。 由于c d m a 系统是以不同的扩频码来实现多址的。而c d m a 系统使用的 扩频码集一般并非严格正交，其非零的互相关系数会引起各用户间的相互干 扰，即多址干扰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 ) ，在异步传输信道以及多径传 播环境中多址干扰将更为严重i ”】。多址干扰的存在将会导致两方面的问题。一 方面，系统容量受到了限制。随着同时接入系统用户数的增加，多址干扰的功 率也在增加，致使误码性能下降，因此尽管c d m a 系统容量虽然大于t d m a ， 但仍然受限于多址干扰。另一方面，“远近效应”严重影响系统性能m 】。由于 移动用户所在的位置处于动态变化之中，基站接收到的各用户信号功率可能相 差很大，即使到基站距离相同的各用户，其到达基站的信号由于经历的深衰落 而各不相同，强信号对弱信号会有明显的抑制作用，会使弱信号用户的接收性 能很差甚至无法正常通信。 在商用化的c d m a 系统中，同时接入的用户数与军用系统相比大大增加， 多址干扰的功率谱密度远高于背景噪声的功率谱密度，当系统带宽和信息信号 绪论 带宽确定以后，多址干扰就成为了限制系统容量的主要因素，同时多址干扰也 成为“远近效应的主要根源。如何克服多址干扰带来的不利影响成为一个引 人注目的课题。对此问题，人们在扩频码的设计，功率控制，前向差错控制等 方面进行了努力i 。近年来提出的多用户检测理论和技术又给出了更好的解决 办法。 1 3 多用户检测理论与技术发展概况 多用户检测理论和技术的基本思想是利用多址干扰中包含的用户间互相关 信息来估计干扰，降低或消除干扰的影响【1 6 】。这方面的工作目前处于研究阶段， 己取得的研究结果显示，这一领域的研究有着诱人的前景。s v e r d u 于1 9 8 6 年 做了多用户检测的开创性研究，设计和分析了高斯噪声信道中的最优多用户检 测器【1 9 1 。该检测器显示了c d m a 系统巨大的容量潜力和性能改善潜力。虽然 在现阶段s v e r d u 的成果还难以实用，但却激励人们去探求实现上相对简单的 多用户检测器。随后学者们在性能与实现复杂度的折衷研究中作了大量的探 讨，提出了多种次优的多用户检测方案。这些算法的实现大致可分为两类：线 性多用户检测算法和非线性检测算法( 详细讨论见第二章) 。线性检测算法是 将相关输出的统计矢量作线性映射，得到另一组新的统计矢量，从而改变各分 量间的相互关系，为判决信息提供更有利的背景。非线性检测算法则根据各用 户扩频信号的互相关值估计多址干扰，然后从接收信号中减去相应的多址干 扰。 在线性多用户检测算法方面，最具有代表性的是解相关检测器。r l u p a s 和s v e r d u 于1 9 8 9 年和1 9 9 0 年导出了解相关检测算法( d e c o r r e l a t i n g a l g o r i t h m ) 2 1 1 。它通过对相关输出的处理，可以完全消除由于扩频序列间非正 交性所产生的多址干扰，彻底避免由此产生的“远近效应”的影响，而且每个 解调符号的计算复杂度只与当时接入系统的用户数呈线性关系f 2 l i 。然而，这种 堕皇些! ：叁兰堡兰兰篁堡壅 堕堡一 能力的获得是以增大背景噪声的功率为代价的。在解相关检测算法基础之上， 人们又提出了m m s e 检测算法【2 0 1 ，多项式展开( p e ) 检测算法2 2 1 和自适应检 测算法【2 2 1 等。 另外，z x i e 等直接从最优检测器出发，给出了另一种次优的检测算法。 s v e r d u 的最优检测器结构是匹配滤波器后加v i t e r b i 译码算法。z x i e 等讨论 了以序贯译码算法代替v i t e r b i 译码算法时的系统性能。序贯译码是v i t e r b i 译 码的一种次最优解法，是根据局部测定来选择最佳路径，而不像v i t e r b i 算法 那样从所有可能的路径中选择最佳路径。由此带来的好处是，序贯译码的算法 复杂度仅与用户数呈线性关系，其代价是误码性能有一定的恶化【1 9 l 【2 2 1 。 非线性检测算法主要有两种结构【2 6 】。一种是各用户信号依次检测、干扰抵 消形成的串行结构，另一种是同时用户检测和干扰抵消，但需多级实现的并行 结构。 a j v i t e r b i 在1 9 9 0 年以及y c y o o n 等在1 9 9 3 年分别提出了串行结构的多 用户检测算法，让各用户信号顺序检测判决，用先判决所估计到的信息去形成 人为干扰，依次抵消后判决的用户信号中的多址干扰。这种算法的优点是实现 简单，性能优于传统检测器，不足之处是容易产生错误传播1 2 3 1 1 2 4 1 。从实现可靠、 性能优化的角度看，消除强用户产生的多址干扰，可获得更好的性能改善，而 高信噪比用户的判决比低信噪比用户的判决更为可靠。因此p p a t e l 和j h o l t z m a n 建议从解扩的信号中选出最大用户的信号，然后形成干扰进行抵消【2 3 1 。虽然串 行接收的顺序干扰抵消在结构上较为简单，而且可以提供优于传统检测器的性 能，但在具体实现上会有一些延时，因此也需要在用户数与可容忍时延之间的 折衷方案中做选择。 1 9 9 0 年m k v a r a n s i 和b a a z h a n g 提出了并行结构实现的多级检测算法l 。 其基本思想是多址干扰影响下传统检测器的判决并不作为最后的检测判决，用 判决结果形成人为的多址干扰去抵消相关输出中的多址干扰，再进行第二次判 决，此时的判决结果自然会优于第一次判决，如此反复进行多次( 多级) 检测。 堕室型! 叁望：! ! 川：兰：些堡塞塑：! 一 虽然随着判决级数的增多，最后的检测将趋于最优的判决结果，但级数的增多 也增加了硬件实现的复杂性和系统时延。当m k v a r a n a s i 等看到r l u p a s 等提 出的解相关算法后，又分析了第一级采用解相关算法时的性能，指出此时的检 测器优于单级解相关检测器1 2 6 i 。r p a t e l 和j h o l t a m i n 对串行结构和并行结构作 了比较，指出了各自的优点与不足l 。 上述工作都未考虑多径传播带来的影响，而实际的移动信道在一般情况下 是一个多径衰落信道，多径传播会引起附加的多址干扰，这更给接收机的设计 增加了难度。1 9 9 4 年s v a s u d e v a n 和m k v a r a n a s i 讨论了瑞利衰落信道中的多 用户检测问题m 1 。通过将衰落信道等效成具有符号间干扰的高斯信道，导出了 最佳线性检测器，其结构是分集合并与等效信道中解相关检测算法的结合。 1 4 本文的主要工作 本文对d s c d m a 系统的多用户检测理论和技术作了深入研究，讨论了多 址干扰对系统性能的影响，提出了新的多用户检测方法以及与之相应的信号参 数估计算法，并给出了这些方法在不同环境之下的性能。 首先，本文简要介绍了多用户检测方法。对单径同步信道下的传统检测器， 最佳多用户检测器，线性多用户检测器中的解相关检测器，m m s e 检测器和多 项式展开检测器以及非线性多用户检测器中的串行干扰抵消和并行干扰抵消检 测器等作了阐述，并对各种检测器的优缺点做了分析与比较。 随后，本文对并行干扰抵消算法做了重点研究。在分析了传统并行干扰抵 消算法性能基础上，提出了采用部分干扰抵消和软判决的改进并行干扰抵消算 法，并就该算法的性能作了理论分析和计算机模拟。结果表明本文方法的性能 优于传统方法，尤其是在低信噪比和存在强多址干扰的环境下。 然后，本文针对非线性干扰抵消算法对接收信号的参数估计敏感性这一缺 点，对同步d s c d m a 系统中的用户信号参数估计问题进行了研究。提出了利 堕皇型! 叁兰塑! 兰些堡兰 笪堡 用信号循环平稳特性的序贯最4 , - 乘循环谱参数估计算法。通过对该参数估计 算法的实时性和收敛速度等性能的分析，指出该参数估计法能够明显提高并行 干扰抵消算法的实际性能，具有一定的实用价值。 最后，本文讨论了处于多径衰落信道中的改进并行干扰抵消算法。分析了 多径衰落对多用户检测器性能的影响，先给出了一种分集合并接收与改进并行 干扰抵消结合的检测算法，并在此基础上提出了多径恢复这一概念。尔后本文 又提出了采用多径恢复的改进并行干扰抵消算法。通过分析得出了该算法具有 较好的抗多径衰落和抑制多址干扰的性能，并且易于实时实现的结论。 学位论义 多用户检测方桤、简介 2 1 引言 第二章多用户检测方法简介 在d s c d m a 通信系统中，系统采用的扩频码集并非严格正交，扩频码间 存在非零互相关值，加之多径传播造成的各路径之间非零互相关的存在，不可 避免地会产生多址干扰。随着用户数的增加，m a i 也会随之增加，最终造成等 效噪声功率的增加，从而使通信系统的误码性能和容量都下降，c d m a 系统的 潜能不能够充分地展现。传统的信号检测器在检测恢复某一用户信号时没有考 虑其他用户的存在，即采用的是单用户检测策略。但是，在商用的c d m a 系 统中，由于存在着大量的用户，这种方案将使系统性能受到m a i 的严重影响i ”i 。 多址干扰与一般的人为干扰不同，前者并非完全不为系统所了解，它是与扩频 码集的互相关性及接收到的各用户信号的比特能量联系在一起的。由于系统完 全预知码集的相关特性，而接收信号功率可通过实时估计得到，因而减少乃至 消除多址干扰是可能的。这种检测恢复某一用户信息时用到其他用户信号与解 调信号互相关信息的检测策略就称为多用户检测，由这一策略得到的检测器就 是多用户检测器。 考虑到高斯信道的研究是无线信道研究的基础，其结论具有理论指导意义， 也是衰落信道研究的必要准备7 j ，本章从高斯信道着手，介绍几种常见的多用 户检测算法，并对其在同步d s c d m a 系统中的性能进行分析比较。 2 2 同步系统模型 我们考虑一个同步d s c d m a 系统。分析同步系统的原因有以下几个方 面。首先，它在一点对多点( 如基站到移动台，卫星通信) 通信中确实有可能 南京垲1 人亨f 1 1 j ! l 学位论义 存在；其次，它为异步系统的分析提供了简单可靠的工具，起到深入浅出的 效果；再次，l u p a s 等学者指：_ h ，每一个信息长度为n ，用户数为m 的异步系 统均可以看成一个等效用户数为m n 的同步系统f 2 0 】，因而在同步系统下所作的 分析在一定程度上又能反映出其在异步系统下对应检测器的性能。 在同步d s c d m a 系统中，接收信号在一个比特周期期间与用户过去和未 来输入数据无关，因此可以考虑一个特定的信息比特。设共有m 个用户信号 作用在接收系统1 。第f 个用户的信号为： ( f ) = e m ，( f ) s 。( f ) ，i = 1 , 2 ，m ( 2 1 ) 其中e ，为第i 个用户的信息比特的功率：m ，( f ) 是第f 个用户的数据信号；s ，( f ) 为第i 个用户的扩频码序列，则在加性高斯白噪声n ( f ) 环境下接收机收到的信 号为 m ，( f ) = 扛，( ，) s ，( ，) + n ( ，) ( 2 2 ) = l 设 一l ，+ 1 ) 代表第i 个用户在第k 个码元时间里的信息比特取值，瓦为信息 码元宽度，p ( t ) 为单位幅值的矩形脉冲波形成型信号( p u l s es h a p i n gf u n c t i o n ) 则第i 个用户的数据信号m ( f ) 可表示为 ( f ) = p ( t k t p = 咖 ( 2 3 ) 设玎= 瓦疋为系统的扩频增益( t 为扩频码宽度) ， ) 是第i 个用户的二进 制( 1 ) 伪随机序列，则在区间0 t 瓦