（通信与信息系统专业论文）cdma通信系统中多用户检测技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 码分多址技术( c d m a ) 是扩频通信技术一种，其已经成为第三代移动通 信主流技术，但仍还有许多关键技术要解决，其中最关键的技术就是要克服 c d m a 系统中多址干扰( m a i ) 的问题。本文介绍了多址干扰在c d m a 系统中的 成因，并提出通过多用户检测技术可抑制多址干扰( m a i ) ，从而提高c d m a 系 统的容量和性能。多用户检测技术主要分为线性多用户检测和非线性多用户检 测两种，文中对各种多用户检测的特点进行了分析比较研究。本文特别针对常 规单用户、解相关、最小均方差检测器进行仿真实验，通过仿真数据表明，不 同的用户检测器有着不同的性能，最小均方差检测器要优于解相关检测器，解 相关检测器要优于常规单用户检测器。 同时，为了克服现有多用户检测技术的算法复杂、无法克服小区间干扰问 题，本文提出一种适合于动态环境的盲自适应多用户检测算法，仿真结果表明 其对“远近”效应、动态强多址干扰有较好的抑制效果。 多用户检测技术的发展还应配合一定硬件设备的改进，智能天线就是关键 硬件技术之一，现在只有t d s c d m a 第一次在c d m a 通信系统中实现了智能 天线和联合检测技术的有机结合。本文重点研究了在t d s c d m a 系统中联合 优化使用智能天线和多用户联合检测技术的原理和方法，并在规定的环境下对 其进行了仿真，结果表明所研究的算法满足系统性能要求，并具有良好的工程 可实现性。 关键词：码分多址；多址干扰；多用户检测；盲自适应多用户检测；智能天线 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) t e c h n o l o g yi so n ek i n do ft h es p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi s t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et l l i r d g e n e r a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m st h a tn e e dt o b es o l v e d ，o fw h i c ht h em o s ti m p o r t a n t t h i n g i st o s u p p r e s sm u l t ia c c e s s i n t e r f e r e n c e ( m a i ) sp a p e ri n t r o d u c e sc a u s eo ff o r m a t i o no fm a ii nc d m a s y s t e m s ，a n dp o i n t so u tt h a tm 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 yc a ni m p r o v e c a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fc d m at h r o u g hs u p p r e s s i n gm a i ，n l e d t e c h n o l o g yi sm a d eu po ft w ok i n d s ，o n ei sl i n e a rm u l t i - u s e rd e t e c t i o na n d a n o t h e ri s n o n l i n e a rm u l t i u s e rd e t e c t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e o fv a r i o u sd e t e c t i o n s ，e s p e c i a l l y a n a l y z e s t h ef r a m e w o r ka n da l g o r i t h mo f d s c d m am u l t i u s e rd e t e c t o r , c o i u 迮l a t i o nm u l t i u s e rd e t e c t o r ，m m s e m u l t i - u s e rd e t e c t o ri s f r o mt h es i m u l a t i o n se x p e r i m e n t ，w ec a nk n o wt h em m s e m u l t i u s e rd e t e c t o ri sb e a e rt h a nt h ec o r i 也l a t i o nm u l t i u s g l d e t e c t o rw h i c hi s b e t t e rt h a nt h ed s - c d m am u l t i u s e rd e t e c t o r m o r e o v e r , t h i sp a p e ru s e st h eb l i n da d a p t i v ed e t e c t o rt os o l v et h ep r o b l e m st h a t t h eu s u a lm u l t i u s e rd e t e c t o rh a v et h ec o m p l e xa r i t h m e t i ca n dc a n te l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ed i f f e r e n tr e g i o n s i nt h ee m u l a t i o n a le x p e r i m e n t ，t h e a l g o r i t h mo fb 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 r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d 1 1 1 e r e s u l tf r o ms i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h i sa l g o r i t h mh a sg o o ds u p p r e s s i o ne f f e c to n d y n a m i cs t r o n gm 舢a n d “n e a r - f a r e f f e c t h a r d w a r ei sa l s ov e r yi m p o r t a n ti nt h ed e v e l o p m e n to ft h em u dt e c h n o l o g y s m a r ta n t e n n ai so n eo ft h ek e yh a r d w a r et e c h n o l o g i e sw h i c hh a v eb e e na d o p t e di n 3 gs y s t e m s m a r ta n t e n n aa n dt h e mt e c h n o l o g ya r ec o m b i n e dt o g e t h e rf i r s t t i m ei nt d s c d m as y s t e m t 1 1 i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do f s m a r ta n t e n n aa n dj o i n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nt d - c d m as y s t e m s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t , s m a r ta n t e n n aa n dj o i n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a v ev e r yg o o d p e r f o r m a n c ea n d c a nm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rr e a l - t i m ep r o c e s s i n g k e yw o r d s ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ；m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ；m u l t i u s e r d e t e c t i o n ；b 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 n ；s m a r ta n t e n n a i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章引言 第三代数字通信，即所谓3 g ，它的全称为3 r dg e n e r a t i o n 。1 9 9 5 年问世的 第一代模拟制式手机( 1 g ) 只能进行语音通话；1 9 9 6 到1 9 9 7 年出现的第二代 g s m 、t d m a 等数字制式手机( 2 g ) 便增加了接收数据的功能，如接受电子邮 件或网页。而3 g 最大的特点是在传输声音和数据的速度上的提升，它要求能 在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形 式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。同时3 g 的发 展也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性，即无线网络必须能够支持不同的 数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s ( 兆比特每秒) 、3 8 4 k b p s ( 千比特每秒) 以及1 4 4 k b p s 的传输速度。此外， 近十几年来，由于移动通信的迅猛发展，移动用户的数量在以惊人的速度在扩 张，这种扩张却使移动通信质量下降。这样，如何在用户数量不断增长情况下 提供各种高质量的移动通信新业务同时又可以与前代系统相兼容通信服务就是 3 g 时代要解决的重大课题。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定w 二c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件( ( 2 0 0 0 年国际移 动通讯计划( 简称i m t 之0 0 0 ) 。c d m a 是c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sf 码 分多址) 的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用 频分多址( f d m a ) 的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令 干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址( t d m a ) 的数字调制方 式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但t d m a 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。c d m a 系统以其频率规划简单、 系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换 等特点显示出巨大的发展潜力。 在c d m a 系统中，通过给每个用户分配特定的扩频码来区分用户信号，实 现多址接入。首先容易想到的方法是给每个用户分配互相正交的扩频码。这样， 武汉理工大学硕士学位论文 在理想情况下( 完全解决了用户之间的同步问题) ，各用户之间无多址干扰。但 是，对于完全正交的码，其扩频码的个数是有限的。而且以c d m a 码分多址作 为接入方式的系统必须用到的扩频码序列很难完全实现正交，所以用户的扩频 信号之间必然存在一定的相关性，这就是c d m a 系统中存在多址干扰 ( m u l t i a d d r e s si n t e r f e r em a i ) 的根源。虽然由个别用户产生的干扰很小，但随 着用户数的增加或者用户信号功率的加强，就会成为系统中的主要干扰，这样 多址干扰m a i 就成为影响系统容量和性能的主要因素。 多用户检测( m u l t i - u s e rd e t e c t i o nm u d ) 技术是一种从接收机端的设计入手 以消除多址干扰的技术。在实际系统中，多用户检测技术应用于基站，对用户 信号进行联合检测。传统检测技术是按照经典直接序列扩频理论直接对匹配滤 波器的输出进行判决，以获得期望信号，没有考虑多址干扰的影响，当用户增 加时多址干扰相应增大，远近效应( 不同用户到达基站的功率有差异，进而强功 率用户抑制弱功率用户，即称为远近效应) 变得突出，使得系统性能严重下降。 多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户 信号信息对多用户做联合检测，从而具有优良的抗干扰性能，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，显著提高系统容量。 目前，商用上主要采用传统功率控制技术来抑制c d m a 系统的多址干扰， 但功率控制法只能减弱多址干扰的影响，而不能从根本上消除多址干扰。而正 如前面所述，多用户检测技术在有效地消除多址干扰和远近效应方面效果显著， 在这种背景下，研究如何完善多用户检测技术在c d m a 系统的运用；如何通过 多用户检测技术提高系统效率以及如何克服多用户检测技术的局限性是非常具 有理论及现实意义的。通过多用户检测技术的发展，将会使第三代移动通信系 统更加完善，得到更大范围的商用。 1 2 移动通信及多用户检测技术的研究现状 多用户检测的想法最早在1 9 7 9 年由k s s c h n e i d e r 提出。1 9 8 4 年v e r d u 提出并分析了基于最大似然序列( m l s e ) 的最佳多用户检测算法，然而不幸的是 它太复杂。v e r d u 的研究激励了后来的多个研究者寻找次最优化的多用户检测 器，以便用合理的可实现的复杂度实现接近最优化的性能。研究首先集中在寻 2 武汉理工大学硕士学位论文 找针对加性高斯白噪声( 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【l l ，随后研究的潮流是研究衰落多径信道适用的检测器，先是慢衰落，然 后是相对快的衰落。 1 9 8 9 年l u p u s 提出了线性解相关检测器【2 j 1 3 j 。其主要原理是对匹配滤波器 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，解相关多用户检测器能够完全消除多址干扰，但是它同时也放大了 信道噪声，使得其性能无法与对应的单用户相比。这里的“对应”是指让所有的干 扰用户功率都为零，而待解调用户噪声功率不变。 1 9 8 9 年r l u p u s 和s v e r d u 提出最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r e e r r o r ，m m s e ) 1 4 l 多用户检测器。在背景噪声起主导作用时，m m s e 检测器类 似于传统的匹配接收机；当多址干扰较大时，它相当于解相关检测器，所以它 既能克服多址干扰又能抑制高斯噪声。而且与其它多用户检测相比，m m s e 检 测不再需要估计干扰用户的信号参量，可以由自适应算法自动调整滤波器系数， 使之收敛到最优值。 1 9 9 5 年m i l l e rs l 提出了自适应m m s e 多用户检测器【5 】。其基本原理是 通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 能量比较小时，自适应滤波器系数难以迅速收敛到最小均方误差；无法跟踪信 道参数的变化，造成性能下降；而且由于训练序列的存在，将加大系统实现的 复杂度。 总之，在过去十年内有许多不同的多用户检测方案被提出，其方法大体可 分为两大类：最佳多用户检测器和次最佳多用户检测器。最佳多用户检测理论上 可完全消除多址干扰，每个用户都能达到最小的误码率。但算法的复杂度随着 用户的增加成指数2 k 增长，且需要知道所有用户的信号幅度、特征序列和相位， 故该算法在理论上性能最佳而在现实中难以实现。为了寻求算法复杂度与性能 上的折中，人们提出了多种次最佳多用户检测算法，次最佳多用户检测算法可 分为线性多用户检测算法与非线性多用户检测算法两大类。 1 3 本文的创新点 本文的创新点主要有以下两点： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过仿真实验比较了盲多用户检测技术与常规单用户、解相关、最 小均方差多用户检测技术在b e r 性能、远近比( n f r ) 性能、信噪比( s n r ) 性能、比特数性能、稳健性能的不同，并分析了盲多用户检测技术的优越性。 ( 2 ) 提出将智能天线和联合检测技术相结合观点，使多用户检测技术更 具有工程实践性，并进行了链路级仿真实验，证实两者的结合比传统的接收机 在抗干扰方面更优化。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章扩频通信基本理论 码分多址( c d m a ) 技术作为第三代移动通信系统的多址接入方案，是建 立在正交编码、相关接收的理论基础上，以扩频通信技术为基础的多址技术。 扩频通信技术是通过在信号发端用一高速伪随机码与数字信号相乘，由于伪随 机码的速率比数字信号的速率大得多，进而扩展了信息传输带宽。然后，在收 端用相同的伪随机码序列与接收信号相乘，进行相关运算将扩频信号解扩【6 】。 由于扩频通信系统是将基带信号( 即信息序列) 的频谱扩展到很宽的频带然后再 进行传输的一种通信系统，因此，这种通信系统需要占用的带宽比基带信号的 带宽要宽得多。乍看起来扩频系统似乎违反通信系统的压缩频带的设计准则， 但是，“信息论”充分证明，使用宽带通信系统是正确的，也是解决目前抗干扰、 高密集通信以及无线通信中多址的较好途径。 2 13 g 标准与扩频通信原理 2 1 13 g 标准 第一代移动通信系统采用频分多址( f d m a ) 的模拟调制方式，这种系统的主 要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时 分多址( t d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令， 使系统性能大为改善，但t d m a 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。 c d m a 系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、 通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力，成为第三代移动 通信系统的基础。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定n d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 为第三代移动通信系统的三大主流无线接口标准，并写入3 g 技术 指导性文件( 2 0 0 0 年国际移动通讯计划( 简称i m t - - 2 0 0 0 ) ，这三大主流无线 接口标准都是以c d m a 为基础。 下面分别介绍一下3 g 的几种标准： ( 1 ) w - c d m a 武汉理工大学硕士学位论文 全称为w i d e b a n dc d m a ，也称为c d m ad i r e c ts p r e a d ，意为宽频分码多重 存取，这是基于g s m 网发展出来的3 g 技术规范，是欧洲提出的宽带c d m a 技术，它与日本提出的宽带c d m a 技术基本相同，目前正在进一步融合。其支 持者主要是以g s m 系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包 括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的n t t 、富士通、 夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的g s m 网络上，对于系统提供商而言 可以较轻易地过渡，而g s m 系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料 会相当高。因此w o d m a 具有先天的市场优势。该标准提出了 g s m ( 2 g ) g p r s e d g e w c d m a ( 3 g ) 的演进策略。g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ( 通用分组无线业务) 的简称，e d g e 是e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s m e v o l u t i o n ( 增强数据速率的g s m 演迸) 的简称，这两种技术被称为2 5 代移动通 信技术。 ( 2 ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a ( c d m ai s 9 5 ) 技术发展而来的宽带c d m a 技 术，也称为c d m a m u l t i - c a r r i e r ，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、 l u c e n t 和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套 系统是从窄频c d m a o n e 数字标准衍生出来的，可以从原有的c d m a o n e 结构 直接升级到3 g ，建设成本低廉。但目前使用c d m a 的地区只有日、韩和北美， 所以c d m a 2 0 0 0 的支持者不如w 二c d m a 多。不过c d m a 2 0 0 0 的研发技术却 是目前各标准中进度最快的，许多3 g 手机已经率先面世。该标准提出了从 c d m ai s 9 5 ( 2 g ) c d m a 2 0 0 0 1 x c d m a 2 0 0 0 3 x ( 3 g ) 的演进策略。c d m a 2 0 0 0 1 x 被称为2 5 代移动通信技术。c d m a 2 0 0 0 3 x 与c d m a 2 0 0 0 1 x 的主要区别在于应 用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一 方案向3 g 过渡，并已建成了c d m ai s 9 5 网络。 ( 3 ) t d s c d m a 全称为t i m ed i v i s i o n s ) m c h r o n o u sc d m a ( 时分同步c d m a ) ，该标准 是由中国大陆独自制定的3 g 标准，1 9 9 9 年6 月2 9 日，中国原邮电部电信科学 技术研究院( 大唐电信) 向i t u 提出。该标准将智能无线、同步c d m a 和软 件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活 性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场， 该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可 6 武汉理工大学硕士学位论文 以支持t d - - s c d m a 标准。该标准提出不经过2 5 代的中间环节，直接向3 g 过渡，非常适用于g s m 系统向3 g 升级。 2 1 2 扩频通信理论基础 扩频通信的理论基础是信息论著名的“香农公式”啊其表达式为： c = b l 0 9 2 ( 1 + p ：! ( 2 一1 ) 公式( 2 1 ) 中：c 一信道容量，b i t s b 信道宽带，h z p 一 信号平均功率，w n 一 噪声平均功率，w p n 一信噪比 而香农公式可以化为另一种形式： c = b l 0 9 2 ( i + p n o b ) ( 2 2 ) 公式( 2 2 ) 中： i l o 一噪声功率谱密度 从公式( 2 2 ) 可以得出，一个信道的容量受“三要素”b ，n o ，p 的限制， 即信道宽带，噪声功率密度，信号平均功率的限制。只要“三要素”确定了，信 道容量c 也就确定了。要增大信息传输速率，就必须增大信道带宽b 和信噪比 ( p n o b ) 。但是由于公式中的对数部分变化缓慢，因此，增加带宽b 比增加信 噪比( p n o b ) 更有效。也就是说，信道带宽增加时可以使信道容量增加很快。 香农公式说明了一个重要概念：即在一定的信道容量条件下，可以用减少 发送信号功率、增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求：也可以用减小 带宽而增加信号功率的办法来达到。这就是说信道容量可以通过带宽与信噪比 的互换而保持不变。 2 1 3 扩频通信重要指标 ( 1 ) 扩频增益 扩频技术的基本参数是扩频增益q ，其定义为频谱扩展后的信号带宽b t 与频谱扩展前的带宽b i 之比。扩频增益在数值上等于扩频解调后与扩频解调前 的信噪比之比，也等于信息比特内所包含的p n 序列码元数。其表达式为： 7 武汉理工大学硕士学位论文 gp = 滁 ( 2 3 ) 扩频增益g 是扩频通信中扩频解调处理对信噪比改善度的度量，因此也称 扩频处理增益。这种对信号( 包括有用信号和干扰信号) 的扩频与解扩处理， 大大提高了系统的信噪比，增强了通信系统的抗干扰能力。为了提高抗干扰性， 应增加g 。 ( 2 ) 干扰容限 干扰容限表示系统在一定干扰电平条件下，能够实现通信的能力。干扰容 限既考虑了一个可用系统输出信噪比的要求，又考虑了系统内部信噪比损耗( 包 括：射频滤波器的损耗，相关处理器的损耗，放大器的信噪比损耗等) 。其表达 式为： 呜= q 一卜( 剐 4 ， 公式( 2 4 ) 中： 厶妒系统内部损耗，d b 专 删相关解扩输出端( 即基带滤波器输出端) 要求的信噪比，d b 由此可见，抗干扰容限m ，与扩频处理增益r g 正i ：l ，扩频处理增益提高 后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常 的扩频设备总是将用户的信息带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能 地提高处理增益。 2 2c d m a 通信系统概述 2 2 1c d m a 通信系统原理 在多址通信系统中，许多用户共享一个共同的信道带宽，因此，存在来自 其他用户的干扰。在任一给定时间内，一部分用户可同时在该共同信道上向相 应的接收机发送信息。假设所有用户对各自的信息序列采用相同的编码规律编 码和译码，那么，该共同频谱上的各发送信号可通过在每一发送信号中叠加不 8 武汉理工大学硕士学位论文 同的伪随机图样( 也叫伪码) 来彼此区分。因此，对于特定的接收机，由于已知 相应发送机采用的伪随机图样( 密钥) ，因而能恢复发送给它的信息。这种允许 多用户同时使用一条共同信道来传输信息的通信技术，通常称为码分多址 ( c d m a ) f 8 】。 c d m a 系统给每一用户分配一个唯一的码序列( 扩频码) ，并用它对接收 到承载信息的信号进行编码，由于编码过程扩展了信号的频谱，所以也称编码 为扩频调制，扩频调制所产生的信号就称为扩频信掣9 】。 扩频信号主要有这样两个用途： ( 1 ) 对抗或抑制干扰的有害影响，如人为干扰、信道中其他用户引起的 干扰以及多径传播引起的自干扰。 ( 2 ) 保密信号，以低功率发送来隐蔽信号，使窃听者难以在背景噪音中 检测到信号。 c d m a 系统中的扩频信号设计是至关重要的，影响扩频信号的设计第一个 主要因素是编码。由于扩频信号的带宽b 。远大于信息带宽b i ，那么两者的比 b 。b i ，即扩频增益就远大于1 ，那么扩频系统的信道带宽b 扩展因子就远大于 1 。由于编码波形也用大于1 的信道带宽扩展因子来表征，那么编码是引入冗余 度的一种有效的方法。利用扩频信号中这种固有的大冗余度，可用来克服在移 动通信中传输数字信息时遇到的严重干扰。影响扩频信号的设计第二个主要因 素是伪随机性。伪随机性可使接收的信号听起来像随机噪声，使预定之外的其 他接收机很难解调。 因此，在c d m a 通信系统中，正交编码和伪随机序列是其关键技术。 ( 1 ) 正交编码 最理想的扩频码是正交编码，首先说明正交的概念，若两个周期为死的模 拟信号s l ( t ) 和s 2 ( t ) 互相正交，则有： f 6s l ( f ) s 2 ( t ) d t = 0 ( 2 - 5 ) 同理，若m 个周期为t 的模拟信号s k t ) 、8 2 ( t ) 、s n ( t ) 构成一正交 信号集合，则有： 卜( t ) s j ( t ) d t - o ( 2 - 6 ) 式中，i j ，i ，j = l ，2 ，m 对于二进制数字信号，也有上述模拟信号这种正交性。由于数字信号是离 9 武汉理工大学硕士学位论文 散的，故可以把它看作是一个码组， 论二进制且码长相同的编码情况下， 系来表述。 并且用一数字序列表示这一码组。在只讨 两个码组的正交性可用如下形式的互相关 设长为n 的编码中码元只取值+ 1 和- l ，以及x 和y 是其中两个码组： x = ( x l ，x 2 ，x 3 ，x n ) ( 2 - 7 ) y = ( y 1 ，y 2 ，y 3 ，y 。) ( 2 8 ) 式中，x i ，y ie ( + 1 ，一1 ) ，i = l ，2 ，1 1 ，则x 和y 间的互相关系数定义为 雕，力2 吉善薯乃 ( 2 9 ) 若码x 和y 正交，则必有p ( x ，y ) = 0 。4 个数字信号s l ( t ) 、s 2 ( t ) 、s 3 ( t ) 、s 4 ( t ) ，构成如下4 个码组： s l ( t ) ：( + l ，+ l ，+ l ，+ 1 ) 是( ，) ：( + l ，+ 1 ，- 1 ，- 1 ) 屯o ) ：( + 1 ，一1 ，一1 ，+ 1 ) & ( ，) ：( + l ，一1 ，+ 1 ，一1 ) ( 2 1 0 ) 据式( 2 9 ) 计算可得，这4 个码组中任意两者之间的相关系数都为零，即 这4 个码组两两正交。这种两两正交的编码就是正交编码。 ( 2 ) 伪随机序列 在某种情况下，为了实现最有效的通信，可采用具有白噪声的统计特性的 信号，即伪随机噪声。伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时 又便于重复产生和处理。伪随机噪声可以由数字电路产生的周期序列( 经滤波 等处理后) 得到的。而这种周期序列称为伪随机序列，又可称为伪随机码( p n 码) 。 2 2 2c d m a 通信系统优点 与f d m a 和t d m a 相比c d m a 系统主要有下列优点： ( 1 ) c d m a 系统通信容量大 理论上讲；信道容量完全由信道特性决定，因而不同的多址方式可能有不 同的通信容量。c d m a 是干扰受限系统，任何干扰减少都直接转化为系统容量 的提高。当前频率资源已显得紧张而宝贵，而c d m a 能充分扩展通信容量，更 有效果的利用频率资源，在同样条件下，采用c d m a 方式的容量是t d m a 或 j o 武汉理工大学硕士学位论文 f d m a 方式容量的4 - - - 6 倍o l 。 ( 2 ) c d m a 系统抗干扰性能好 c d m a 系统中发射信号功率谱密度大幅度降低，这使它具有强的抗窄带干 扰能力，一定的抗宽带干扰及抗多径能力。 ( 3 ) c d m a 系统保密性能好 由于c d m a 采用码周期很长的伪随机码，具有类似白噪声的特性，因而普 通的侦察和破译方法不易识别和发现信号。 ( 4 ) 平滑的软切换 c d m a 系统所有小区使用相同的频段，越区切换时，某基站信号强于当前 基站并且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去。由于切换在通信过程中 完成，所以称为软切换。 ( 5 ) 一定程度的扩展性 t d m a 或f d m a 系统中可同时接入的多用户数固定，而c d m a 系统用户 按地址码区分，只要地址码未分配，则可以增加新用户，而代价只是使通信质 量略微降低，不会出现硬阻塞现象。 2 2 3c d m a 通信系统的种类 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【l l 】。在数字移动通信中，一般 选用直接序列( d s ) 扩频通信，本文的研究也是在直扩系统下展开的。 ( 1 ) 直接序列扩频系统( d s ) 直扩系统是用一个高速伪随机序列与信息数据相乘或模加，由于伪随机序 列的带宽远大于信息数据的带宽，从而扩展了发射信号的频谱【1 3 】。这是目前扩 频通信系统最常使用的扩频通信方式。 ( 2 ) 跳频扩频系统( f h ) 跳频系统是把可用的信道带宽分割成大量相邻的频率间隙( 简称频隙) ，在 任一信号传输间隔内，发送信号占据一个或多个可用的频隙【1 4 1 。在每个信号传 输间隔内，按照伪随机码发生器的输出伪随机地选择一个或数个频隙。由于发 射频率在一组预先指定的频率上按照所规定的顺序离散地跳变，扩展了发射信 号的频谱。 ( 3 ) 跳时扩频系统( t h ) 武汉理工大学硕士学位论文 跳时系统与跳频系统类似，区别在于跳频系统是控制频率，跳时系统是控 制时间。在跳时系统中，时间间隔远大于信息速率的倒数，该时间间隔被划分 大量的时隙，根据伪随机序列选择时隙，控制信号发射时间和发射时间的长短。 ( 4 ) 复合式扩频系统 将以上三种系统组合的混合系统。如d s f h ，它是伪随机码序列与跳频的 结合。单个跳频中发送的信号是由相干解调的d s 扩频信号组成的。来自不同 跳频的接收信号是以非相干方式合并的，因为在一跳内进行相干检测，所以优 于纯f h 系统。然而，性能上利益的代价是增加了系统的复杂性，提高了成本 以及对定时的更严格要求。又如d s t h ，它不像d s f h 那样实用，主要是因为 系统复杂性增加了，而且对定时的要求更严格了。还有如f h t h 及d s t h f h 等混合系统。 2 2 4c d m a 通信系统模型 c d m a 通信系统一般工作原理如下图2 1 所示。 在发射端，比特率为的输入数据h ( t ) ，被速率很高的伪随机序列( p n 码) c k ( t ) 进行调制后，输出信号占有的带宽被扩展，这个过程即为扩频调制。 然后再对频谱扩展后的序列进行射频调制，每一个数据h ( t ) 产生一个对应的扩 频信号s k ( t ) 。将成为宽频谱的射频信号s k ( o ，经天线发射出去，发射机输出的 信号是所有这些扩频信号的和： s q ) = b , ( t ) c , q ) c o s ( 2 7 r l t + 吼) ( 2 - 1 1 ) k = o 在接收端，由本地射频发生器将射频信号进行变频，将其变为中频信号， 即射频解调。调制后的信号与由本地产生的与发端伪随机序列( p n 码) 相同的 本地c k ( t ) 进行扩频解调，使宽带s ( t ) 变为窄带b k ( t ) 信号。窄带b l 【( t ) 通过匹配 滤波器( 信息解调器) 进行解码，恢复原始数字信号。 由此可见，c d m a 通信系统一般的都要进行三次调制和三次解调，一次调 制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制；一次解调为射频 解调，二次解调为扩频解调，三次解调为信息解调。与一般通信系统比较，c d m a 通信就是多了扩频调制和解扩部分1 1 2 j 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1c d m a 扩频通信一般原理图 信号的扩频与解扩原理如图2 2 ( a ) 与图2 2 ( b ) ，图2 1 中的信息数据 h ( t ) 是宽为t b 的+ 1 或1 的矩形波信号，扩频码是码长为n 个码元( 宽度为t 。) 的+ 1 或- 1 的矩形波信号。其中t b 称为比特时间( b i t s ) ，t 。称为切谱时间( c h i p ) 。 若t b = n t c ，信息数据正好对扩频序列作周期调制，信息数据为+ l 时，扩 频码极性不变；信息数据为1 时，扩频码倒相。 始数据 j 码 1 五 7 带信号 图2 - 2 ( a ) 中为扩频原理，在对信息数据进行扩频时，先将数据与p n 码进 行模2 运算得到如图2 2 ( a ) 所示的基带信号，从中可以看到，基带信号的前 半部分为p n 码调制正电平后的己扩信号，它相当于完成一次反相运算；后半 部分为p n 码调制负电平后的已扩信号，它与原p n 码信号相同( 故在进行仿真 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 时，输入信号应该包括这两部分) 。然后将已扩信号进行移相键控调制( b p s k ) 成为射频信号发送出去。由图2 - 2 ( a ) 可以看到每一个比特的数据被扩展称若干 个切谱数据。 带信号 卜r _ 一 j 码 l 始数据 图2 2 ( b )解扩原理示意图 图2 - 2 ( b ) 为解扩原理，当已扩信号与本地p n 码同步以后，将基带信号与对 应的本地p n 码信号再次进行模2 运算，即可还原出原始信号。要实现解扩， 就必须使本地码的频率和相位与接收到的伪随机码的完全一致，所以，只有实 现了p n 码的同步，收发两端相关的信号在频率上相同、在相位上一致，整个 系统才能正常工作，否则解扩出来的数据将是一系列的噪声数据，即无法恢复 原始数据。而所谓p n 码同步就是保持其时差( 传输码元的延迟) 为o 状态i l 引。 2 3 本章小结 本章介绍了香农理论，它是扩频通信的理论基础；同时扩频通信的重要指 标，它是衡量一个扩频系统优劣的重要参数。本章还介绍了扩频通信的基本原 理及c d m a 通信系统模型，重点阐述了信号扩频和解扩的过程，这是作为进一 步研究扩频通信方式和研究扩频系统中的多用户检测技术的基础。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章多用户检测模型的建立和分析 在c d m a 通信系统中，由于多个用户的随机接入，所使用的扩频码集一般 不能严格完全正交，码片之间的非零互相关系数将引起各用户间的干扰，称为 多址干扰( m a i ) 。多址干扰的存在不仅会严重限制系统容量，而且强多址信号会 淹没较弱的有用用户信号，使“远一近”效应的影响加剧，因此如何消除多址干 扰及远近效应是一个重要的研究方向。多用户检测技术( m u l t i u e r d e t e e t i o n ，m u d ) 能够有效地消除m a i ，提高系统性能。因此多用户检测技术越来越受到人们的 重视，成为一个研究的热点。 3 1 多址干扰产生的原因及其消除的途径 若c d m a 系统含有k 个用户并共用同一频率，传送的是二进制码元信号， 即， - l ，+ 1 ) ，宽度为t 。 另外，对于每一个用户，在每个码元的时间t 。，都含有扩频码s k ( f ) ，t e 0 ， t 。】，扩频码长度为q ( 即扩频增益) ，满足t b = g p t 。在一个时间周期t b 内， 扩频码互相不完全正交，不失一般性，k 个扩频码互相关，即满足 f 5 & ( f ) 2 d t = 1 ( 3 - 1 ) 在接收端，经过扩频解调的第k 个用户的基带信号可以表示为 i tp 以( f ) = 彳巧b 。，si ( f j f 一彳t ) + 胛( f ) ( 3 2 ) 七= l _ ，= 一p 式( 3 2 ) 中： 彳酊用户k 的第j 个信号幅度值； 以用户k 的信号时延； n ( t 卜是加性高斯白噪声，其均值为0 ，方差为0 2 。 么b 是一个多用户信道非常重要的变量，它的表示如下 r 一 彳。=wue xp ( 秒灯) ( 3 - 3 ) 其中，w i j 表示接收到的用户k 第j 个信号的能量值，而表示接收到用 武汉理工大学硕士学位论文 户k 第j 个信号的相位值。 匹配滤波器接收到吒( ，) ，进行信息解调后的输出为： y ( f ) = f 6 咯( ，) s 女( t ) d t = 么t b k + 彳j b jf 6s ( f ) s ，( t ) d t + f 5s i ( f ) 刀( t ) d t ( 3 - 4 ) j = k j 甜 从上式可得，输出信号几( t ) 包含有三个部分： 第一项a 。b 。为输入信号b l 【，即所需信号；第二项为其他用户接入产生的多 丁 址干扰( m , 4 i d ；第三项氏6s 。( t ) n ( t ) d t 为加性高斯白噪声形成的干扰信号。 可见为了得到准确的通信信号，就要将第二项消除掉。传统的检测方法是 根据每个用户事先分配到的扩频码，利用相关匹配滤波器来对系统中的每个用 户单独地进行相关检测，并通过对匹配滤波器所输出直接进行符号判决来恢复 发送的信息数据。在整个检测过程中完全忽略了多址干扰的存在，即忽略了不 同用户的扩频信号之间存在的互相关性，仅将多址干扰当作噪声来处理。这种 方法具有易于实现的优点，在一般的扩频多址通信系统中获得广泛的应用，但 是它的一个最大的缺点就是，没有考虑多址干扰( m