（通信与信息系统专业论文）dscdmatdscdma系统中多用户检测技术的研究.pdf

中文摘要 摘要：c d m a 是第三代移动通信系统中最主要的多址技术，本文研究了 d s c d m a 系统和t d s c d m a 系统中多用户检测算法、检测器结构和性能，目标 是在工程可实现的复杂度下，寻找性能优良的接收机结构，使之能够有效地抑制 多址干扰、多径干扰，并具有比较好的抗远近效应能力，以提高系统容量。该工 作对促进我国第三代移动通信系统t d s c d m a 自主产业的发展，具有非常重要的 意义。本文的主要工作有： 1 在d s c d m a 系统中提出了基于约束最小平均峰度( l e a s tm e a nk u r t o s i s ： l m k ) 准则的盲多用户检测算法，分析了该算法的收敛特性。通过理论分析得出 无噪情况下，带约束条件的l m k 算法全局收敛，在全局收敛点上，基于l m k 多 用户检测算法的最优解符合解相关条件。通过仿真验证了该算法的性能与s v d 子 空间分解多用户检测算法的性能很相近，且能够动态跟踪信道的变化。算法的实 现复杂度相对较低，具有一定的研究和实用价值。 2 针对d s c d m a 系统，提出了基于恒模算法( c o n s t a n tm o d u l u s a l g o r i t h m ：c m a ) 的多用户检测器结构，该结构适用于a w g n 信道。通过改进 c m a 的代价函数，提出一种基于符号错误恒模s e c m a ( s i g ne r r o rc m a ) 的多 用户检测算法。仿真分析表明，无论是收敛速度还是稳态性能，这种改进算法都 明显优于c m a 算法。最后，将s e c m a 多用户检测算法应用到多径衰落信道中。 仿真结果表明在多径衰落信道下，s e c m a 多用户检测算法的收敛性能、稳态性 能和子空间多用户检测算法相当，其实现复杂度明显低于子空间多用户检测算法， 易于工程实现。 3 。基于t d s c d m a 系统的帧结构，建立了连续和离散的时间传输模型，将 解相关多用户检测算法和m m s e 多用户检测算法应用在t d s c d m a 系统中，比 较了常规单用户接收机与m m s e 多用户接收机的检测性能。提出了多小区联合检 测算法并和单小区联合检测算法进行了比较，仿真表明多小区联合检测可以有效 的消除来自i 临小区强干扰用户的影响。 4 在t d s c d m a 系统中提出了基于p i c ( 并行干扰消除) 和s i c ( 串行干 扰消除) 的多小区的信道估计技术，并给出了在这两种信道估计模式下多小区联 合检测的性能。仿真表明，基于p i c 和s i c 的多小区信道估计技术可以明显的提 高系统的性能，在采用了这两种信道估计方式后，即使使用单小区联合检测也能 提高系统的性能，其中基于p i c 的多小区信道估计技术与多小区联合检测技术相 结合，可以获得更大的增益。 5 高速移动导致的多普勒频移对t d ，s c d m a 系统会产生严重的影响，大大 降低检测性能。提出了一种频偏估计和频偏校正的方法，该方法首先根据数据域 的信息精确估计出系统的多普勒频移，然后使用原有的联合检测算法解调出每个 用户的每个符号，最后在符号级将多普勒频移的影响校正回来。在高速环境下， 这种方法可以极大的提高系统的性能，为t d s c d m a 在高速铁路环境下的应用奠 定了基础。 关键词：d s c d m a ：t d s c d m a ；多用户检测；联合检测 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：c d m ai sam a i nm u l t i - a c c e s st e c h n o l o g yi nt h et h i r dg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ( 3 g ) t h ef o l l o w i n gt o p i c sa r ed i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ：t h es t r u c t u r eo fm u l t i u s e rd e t e c t i o n ；t h ea l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so f m u l t i u s e rd e t e c t i o nf o rd s c d m aa n dt d s c d m as y s t e m s ；t h em u l t i u s e r d e t e c t i o no ft d s c d m as y s t e mi nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t s a l lt h e s e t o p i c sp l a y a s i g n i f i c a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s e3 gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mt d - s c d m a t h em a i nr e s e a r c h e si n c l u d et h ef o l l o w i n g p o i n t s ： 1 w eh a v ep r o p o s e dt h em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h er u l eo fl e a s t m e a nk u r t o s i s ( l m k ) f o rd s - c d m as y s t e m t h e n ，t h ec o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sa l g o r i t h mi ss t u d i e d a n a l y t i c a l l y w eh a v ep r o v e dt h a tt h ec o n d i t i o n a ll m k a l g o r i t h mi sg l o b a lc o n v e r g e n c eu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tn o i s ei sn o tp r e s e n t a l s o ，w e h a v ed r a w nt h a tt h el m ka l g o r i t h mi st h eb e s ts o l u t i o na tt h eg l o b a lc o n v e r g e n c ep o i n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sc l o s e t ot h a to ft h es v d s u b s p a c em u l t i u s e rd e t e c t i o n m o r e o v e r , t h i sa l g o r i t h mc a l lt r a c e t h ec h a n n e ld y n a m i c a l l y t h ec o m p l e x i t yo ft h i sa l g o r i t h mi sr e l a t i v e l yl o w , t h u si th a s s o m es t u d ya n d p r a c t i c a lv a l u e 2 w eh a v es t u d i e dt h es t r u c t u r eo fm u l t i u s e rd e t e c t o rb a s e do nt h ec o n s t a n t m o d u l u sa l g o r i t h m ( c m a ) i na w g nc h a n n e lf o rd s c d m as y s t e m w eh a v e o p t i m i z e dt h ec o s tf u n c t i o no fc m aa l g o r i t h ma n dp r o p o s e dab l i n d e dm u l t i u s e r d e t e c t i o na l g o r i t h m ，i e s i g ne r r o rc m a ( s e - c m a ) f u r t h e r m o r e ，w eh a v ea n a l y z e da n d e v a l u a t e dt h ea l g o r i t h mi na w g nc h a n n e la n dm u l t i - p a t hc h a n n e lt h r o u g hs i m u l a t i o n t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a ts e c m ab l i n d e da l g o r i t h mi se x c e l l e n t ，s t a b l ea n ds i m p l e i np r a c t i c e ，t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h i sa l g o r i t h mi sl o wa n d e a s yt or e a l i z e 3 w eh a v es t u d i e dt h ec o n t i n u o u sa n dd i s c r e t et r a n s m i s s i o nm o d e l sf o r t d s c d m as y s t e m t h em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) a l g o r i t h ma n dz e r o f o r c e ( z f ) a l g o r i t h ma r ea p p l i e dt ot h em u l t i u s e rd e t e c t i o no ft d - s c d m as y s t e m t h e n ，w eh a v ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fn o r m a ls i n g l e u s e rr e c e i v e rw i t ht h e m u l t i u s e rr e c e i v e r i nt h el a s t ，w eh a v ep r o p o s e dt h em u l t i c e l lj o i n td e t e c t i o n a l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm u l t i - c e l lj o i n td e t e c t i o nc a ne f f i c i e n t l y r e d u c et h ee f f e c to f h i g hi n t e r f e r e n c ef r o ma d j a c e n tc e l l v j 丝塞交道太堂盟堂僮途塞垦墨! b 1 4 m u l t i - c e l lc h a n n e le s t i m a t i o ni s p r o p o s e d b a s e do np a r a l l e li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( p i c ) a n ds u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( s i c ) f o rt d - s c d m a s y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm u l t i c e l lc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np i c a n ds i cc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mw i t hm u l t i c e l lj o i n td e t e c t i o nc o m b i n e dw i t hm u l t i c e l lc h a n n e le s t i m a t i o n i ss t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n 5 w i t ht h ep r e v a i lt r e n do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n si nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a yi n o u rc o u n t r y , f i r s t l y , w eh a v es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr a d i oc h a n n e lw i t hh i g h - s p e e d i no r d e rt or e d u c et h ee f f e c to fd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t ，w eh a v ep r o p o s e dt h em e t h o d s o ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n df r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o n t h er e s u l t sh a v es h o w n t h a tt h e s em e t h o d sc a nh i g h l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft d s c d m as y s t e mi nt h e c i r c u m s t a n c e so fh i g h - s p e e dr a i l w a ym o b i l i t y k e y w o r d s - d s c d m a ；t d - s c d m a ；n u l t i - u s e rd e t e c t i o n ；j o i n td e t e c t i o n c i a s s n 0 t n 9 2 95 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师冯玉珉教授的悉心指导下完成的，冯玉珉教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感 谢多年来冯玉珉老师对我的关心和指导。 卢燕飞、吴吴、艾渤、许荣涛等教师悉心指导我完成了实验室的科研工 作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心 的谢意。 王欣、吕飞燕、刘亚伟、刘莉等博士对于我的科研工作和论文都提出了 许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，付立、霍炎、李常茗等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1绪论 无线移动通信经过了几十年的发展，深刻地影响和改变着人们的生产生活方 式。未来的无线移动通信系统将能够实现人们在任何时间、任何地点、和任何人 以任何方式进行通信的愿望。对于铁路的应用环境，无论调度通信，列车控制， 还是旅客通信，都期待能够使用先进的通信技术，进行可靠、高速的信息传输【l 捌。 为了实现这一目标，各种各样的通信新技术层出不穷，如何利用有限的频谱资源 提供高速可靠的宽带数据业务更是成为了当前学术界和产业界所关心的焦点。 本章首先概括了论文的选题背景，然后重点阐述了多用户检测技术的研究进 展和无线信道特性，最后介绍了本论文的主要研究内容、创新点和体系结构。 1 1选题背景 各移动运营商考虑到移动用户对业务的需求，不断的调整移动通信网络，从 第一代、第二代移动通信系统更替到第三代移动通信系统，与此同时，对未来新 一代移动通信系统的研究也已经提上了日程【1 0 1 8 】。尤其在有些移动通信发达的国 家，话音业务基本饱和，有些国家则把话音和数据业务作为其拓展。运营商和设 备制造商纷纷寻找新的模式来提高各自的利润。运营商和制造商都想努力提供和 固网宽带数据业务同样好的无线移动数据业务来满足用户。这些数据业务由于对 数据速率提出更高的要求，从而将占用更多的带宽。这些数据业务主要采用近年 发展起来的新技术，从电路交换向分组交换转变，不仅可以降低运营和设备的成 本，而且向分组交换网络转变，有利于运营商们优化自身的网络，满足移动用户 日益增长的需求。 第三代移动通信系统采用了许多关键技术，与第一代、第二代移动通信系统 最大的区别就是码分多址技术，通过不同的码来区分用户，是个多用户系统。实 现码分多址必须采用扩展频谱技术，其中直接序列码分多址d s c d m a ( d i r e c t s 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 ) 己成为提供高速宽带数据业务的 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 以及t d s c d m a 系统中最主要的无线多址技术 1 9 。 北京交通大学博士学位论文 为了提高d s c d m a 系统的容量，最主要的方法是抑制多址干扰( 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 ) 的影响。可利用多用户检测、自适应天线以及语音激活 等技术来提高系统容量。d s c d m a 系统中的许多先进信号处理技术可以直接或间 接应用于多载波调制、多速率以及空时编码的c d m a 系统中【2 0 2 2 】，因此， d s c d m a 系统中信号处理技术的研究具有很强的通用性和普遍性。 公网移动通信技术不断更新，日新月异，演进迅速。第三代移动通信全球商 用技术演进路线分为两种。一种是针对c d m a 运营商沿着c d m a 2 0 0 0 路线演进。 当前，c d m a 2 0 的e v - d o 已经开始大范围商用，接下来就是e v - d o r e v a 版本， 有效的提升上行速率，预计在今后一两年内会进入商用阶段。在紧接着的e v - r e v b 版本，其中包含了多载波技术。另一种是针对g s m 和t d m a 的运营商，例如我 国的g s m 运营商将沿着w c d m a 和t d s c d m a 到h s d p a 、h s u p a 、长期演进 l t e 的方向发展。l t e 是长期演进的技术，目标是在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下 行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率。 三种第三代移动通信系统标准：w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 的主要 技术性能比较见表1 1 。 表1 1 三种第三代移动通信系统标准主要技术性能比较表 w c d m at d s c d 撇c d m a 2 0 0 0 载频间隔5 m h z 1 6 m h z1 2 5 m h z 码片速率3 8 4 m c s1 2 8 m c s1 2 2 8 8 m c s 帧长 1 0 m s 1 0 m s ( 分为两个子帧) 2 0 m s 基站同步不需要 需要 需要，典型方法是g p s 快速功控：上、下 功率控制 俨一2 0 0 h z反向：8 0 0 h z 行1 5 0 0 h z 下行发射分集支持 支持 支持 支持，可用压缩模支持，可用空闲时隙进 频率间切换 支持 式进行测量 行测量 检测方式相干解调 联合检测相干解调 信道估计公共导频d w p c h 、u p p c h 、中间码 前向、反向导频 编码方式卷积码、t u r b o 码 卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 t d s c d m a 是我国提出的，已经成为第三代移动通信的三大标准之- - 2 4 - 3 3 】， 是我国移动通信领域的一次重大突破。从2 0 0 2 年到2 0 0 4 年，我国信息产业部组 织了3 g 实验，在三部委支持下，进行t d s c d m a 研究开发和产业化，建立了产 业链。t d s c d m a 设备从无到有，从只有单一的厂家变成一个真正由多厂家构成 2 绪论 的较为完整的产业链，在应用技术实验中，加强了芯片和终端等薄弱环节。从2 0 0 6 年2 月到2 0 0 7 年上半年，网络规模应用技术试验进入“全面验证和完善 阶段， 2 0 0 7 年进入扩大的规模网络应用技术试验新阶段，并争取2 0 0 8 年实现商用。国家 八六三“十五 项目已经将t d s c d m a 向下一代移动通信系统演进列入研究计划 【3 4 3 7 。我国移动通信研究开发的主要目标是面向未来1 0 年无线通信领域的发展 趋势与需求，研究新一代蜂窝通信空中接口技术，建立相关关键技术验证系统， 支持面向未来的无线通信新业务，形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标 准。 t d s c d m a 系统是基于同步码分多址技术( s c d m a ) ，使用时分双工( t d d ) 方式的未来陆地通信系统。该系统采用了联合检测、智能天线、上行同步、接力 切换等关键技术，在系统容量、频率利用率和抗干扰能力等方面具有突出的优势。 联合检测是解调性能好的多用户检测技术。接收机是空间分集、时域均衡以及多 用户检测进行联合检测接收。 一个通信系统的质量优劣在很大程度上取决于接收系统的性能。影响信息可 靠传输的不利因素( 信道特性不理想及信道中存在噪声等) 将直接作用到接收端， 对信号接收产生影响。在高速移动通信系统中，考虑到无线信道的物理特性，由 于多径衰落和多普勒扩展的影响，移动无线信道是非平稳的，其时变特征明显。 衰落、扩展和干扰对任何一种调制技术的误码率都有着很强的负面影响，会引起 接收端信号畸变。因此，作为t d s c d m a 标准关键技术之一的多用户检测技术研 究就显得格外重要。 1 2多用户检测技术研究进展 通信是在有扰情况下对结构信号完成传输与检测的过程。通信是否成功，取 决于所检测出来的信息在多大程度上是原来的信息。因此，通信系统中信号的设 计、信道的研究以及接收机检测算法的采用都是为了准确可靠有效传递能量与信 号，为信息的可靠传递奠定基础，本论文主要研究有扰结构信号的检测。 关于有扰结构信号检测的研究，我们主要关注以下几个方面：l 、对干扰的抑 制效果；2 、对信道知识假定的多少和内容；3 、算法的复杂度；4 、算法的收敛性 与稳定性；5 、实现的成本。 第三代移动通信系统三大标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ，各移动 北京交通人学博+ 学位论文 通信系统中主要采用c d m a 多址接入技术，在码分多址方式中，多个用户同时利 用公共的频道传输信息，每个用户具有特定的地址码，只有与之相应的接收机才 能检测出信号。c d m a 的主要特征是个多用户系统，必须用地址码对信号进行扩 频调制，地址码相互具有正交性，以区别用户。与第二代移动通信系统中采用的 t d m a 和f d m a 技术相比，c d m a 系统具有频谱效率高、软容量、保密性好、易 于无缝切换和宏分集等优点，但同时也要克服多径衰落、多址干扰和远近效应这 些严重影响系统容量的因烈邛j 。 多径衰落：这个问题存在于所有的移动通信系统中。无线电波在传播过程中 将发生折射、反射和散射，从而产生多条传播路径。不同路径的信号到达接收机 时，它们具有不同的时延、幅度和相位，叠加之后产生严重的衰落现象。数据传 输速率越高，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过信道相干带宽 时，符号间的干扰就明显存在，即存在频率选择性衰落，从而限制了移动通信的 数据传输速率。 多址干扰( m a i ) ：由于干扰信号与期望信号不正交，所以期望用户的一般匹 配滤波器的输出会含有来自多址干扰的因素。因此，即使接收机热噪声电平趋于 零，匹配滤波器接收机的错误概率也会由于多址干扰的存在而表现出非零的下界， 这就使得相关接收机很难达到低误码率。 远近效应：非同步或同步，当特征波形不正交的情况下，如果干扰用户比期 望用户距离基站近得多，干扰信号在基站的接收功率会比期望信号的接收功率大 很多，扩频序列与干扰之间的相关就有可能比扩频序列与期望用户信号之间的相 关性大，于是常见的相关接收机可能输出较多的多址干扰分量，期望用户信号甚 至有可能淹没在干扰信号中。也就是说，这些接收机的误码率对期望用户和干扰 用户的接收能量之间的不同相当敏感，除非使用严格的功率控制，否则是不可能 正确解调的。 1 2 1 常见接收机 我们常见的接收机有：相关接收机、匹配滤波接收机和r a k e 接收机【4 。常 见接收机采用传统的c d m a 信号检测技术，根据直接序列扩频( d s c d m a ) 理 论对基带接收信号进行地址码相关计算，独立处理每个用户的信号，例如：相关 检测。 相关接收机是基于最大似然准则设计的，匹配滤波接收机是基于最大信噪比 准则推导的，而r a k e 接收机是使用一组相关接收机( 匹配滤波接收机) ，采用分 4 绪论 集合并的思想( 把多径分支进行加权合并成为一个输出，加权系数根据输出信噪 比最大准则选择) 设计的接收机。在多径情况下，相关接收机性能比较差，匹配 滤波接收机和r a k e 接收机尽管都可以有效地克服多径衰落，但匹配滤波接收机 未采用多径分集，而r a k e 接收机却利用了多径能量，因而r a k e 接收机在这方 面优于匹配滤波接收机 4 8 1 。但这三种接收机都仅利用简单的信号处理技术，对于 结构干扰，主要是多址干扰( m a i ) 与码间干扰( i s l ) 并不能有效地抑制，因为 它们把这种结构干扰都当作白噪声处理了。 由于多址干扰( m a i ) 与码间干扰( i s i ) ，多径时变衰落信道环境下的 d s c d m a 通信系统是一个干扰受限系统，采取有效的干扰抑制技术是系统设计的 一个重要问题，这不仅是增加系统容量的一个关键手段，而且是设计接收机的重 要性能指标【4 引。在实际通信系统中，由于多径等原因，扩频序列的正交性很难得 到满足，因此传统的相关接收机对干扰( 结构干扰) 的抑制就没有那么有效。由 于各用户的发射功率不等和信道衰落，使得各用户在接收端的信号功率不等，从 而产生远近效应【删，远近效应会极大地影响弱信号用户的接收性。处理这类问题 的典型方法是功率控制，使所有用户发射功率受控，以便从所有用户接收到的信 号功率相等。这就增加了系统的复杂性，而且功率控制的不精确性会对系统性能 产生不利的影响。 在第二代移动通信系统中，扩频序列比较长( 像i s 9 5 c d m a ) ，其周期是符 号周期( s y m b o lp e r i o d ) 若干倍，这就使从一个符号到另一个符号的干扰随机变化。 通常使用长码的系统也使用大的扩频因子，在每个c d m a 信道中有大量的用户， 尽量使干扰进一步随机化，以使匹配滤波接收机更加有效。而第三代和未来的移 动通信系统将使用短码，利用干扰的结构，把高级信号处理结合起来，抑制结构 干扰，增加系统容量。短码也就意味着相对小的扩频因子和少的用户，也就减少 了复杂度，方便使用高级信号处理技术。当然，小的扩频因子也就意味着小的频 带扩展，但每赫兹提供的用户数并不减少。 常见的接收机不能有效地抗多径衰落、多址干扰和远近效应。为了抑制多址 干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统采用的关键技术有选 择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、分集、功率控制 技术【3 9 。4 3 1 。其中，选码和智能天线能够有效地抑制多址干扰，多载波调制和r a k e 接收机具有很好的抗多径衰落效果，功率控制能够克服远近效应。但是码字性能 存在w e l c h 界，而智能天线只能部分抑制多址干扰，当用户比较密集或者用户很 多时，多址干扰仍然严重地影响系统性能，而r a k e 接收机不能抑制多址干扰， 同时要达到理想的功率控制，设备比较复杂，因此以上技术仍然不能很好地解决 实际系统中存在的多址干扰和远近效应问题，多用户检测技术则能给上述问题提 5 北京交通大学博士学位论文 供一个良好的解决方案 4 4 - 4 6 】。 1 2 2 多用户检测分类和性能比较 移动通信系统中，为了从发射机传输技术中获得最大增益、充分利用无线信 道的分集增益、减少无线信道的损失，接收机信号处理技术一直受到广泛的关注。 这些技术包括：抗弥散的信道均衡技术、利用可辨多径的r a k e 合成技术、减轻 多址干扰的多用户检测技术、抑制信道间干扰的技术、利用空间差异的波束成形 技术以及同时利用信号环境时间和空间特性的空一时处理技术等等。 克服多址干扰与增强抗远近效应的有效方法是多用户检测技术。多用户检测 ( m u l t i u s e l d e t e c t i o n ：m u d ) ，又称联合检测技术、干扰消除、共信道干扰抑制或 多用户解调，是一种接收机技术，既可用于上行链路的基站，也可用于下行链路 的移动创5 1 。5 2 1 。多用户接收机是用多址干扰的各种可知信息对目标用户的信号进 行联合检测，从而具有较好的抗多址干扰能力，可以更加有效地利用反相链路频 谱资源，显著提高系统容量，而且由于多用户检测技术具有抗远近效应的能力， 可以降低系统对功率控制的要求。 多用户检测是近十年来在相关检测基础上发展起来的一种有效的抗干扰技 术。在实际的c d m a 通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是 多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的 增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。 传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频 码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；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单个用户的信号进行检测，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链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户 检测技术的不断发展，各种高性能、计算复杂度低的多用户接收机算法不断提出， 因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。 1 2 2 1 最佳的多用户检测 从信息论角度来看，c d m a 系统是一个多输入多输出的系统，采用传统的单 入单出检测方式，如匹配滤波器，不能充分利用用户间的边信息，而将多址干扰 认为是高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。1 9 8 6 年，v e r d u 提出了多用户检测 思想，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，他在文献 5 3 】中以匹配滤波器辅 6 绪论 助以维特比算法，理论上证明采用最大似然序列检测( m a x i n u m l i k e l i h o o d s e q u e n c ed e t e c t i o n ：m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，并有效地克服了远近效应， 大大地提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。 c d m a 系统是多用户共用频带，因此每个用户都会受到其它用户信号构成的 多址干扰。传统的最佳接收方式通常是在高斯信道中推导得来，如匹配滤波器。 推导时，将多址干扰看成高斯白噪声，不能充分利用用户信号的边信息，因此大 大降低了通信质量和系统容量。多用户检测中，认为多址干扰是具有一定结构的 有效信息，理论证明多用户情况下采用最大似然序列检测可以逼近单用户接收性 能，并能有效克服远近效应，提高系统的容量。 若不同用户的特征波形是正交的，不存在多址干扰，信号与特定用户的扩频 序列相关接收机则是最佳接收机。然而，由于用户之间的不同步以及不同用户的 信号是以不同的时间延迟到达接收机的，所以不可能使特征波形在所有可能的相 对时延范围内正交。虽然通过设计具有低互相关的特征码可以实现扩频波形的近 似正交，但只有当所有用户的信号到达接收机具有大致相等的功率时，使用近似 正交扩频波形的匹配滤波接收机才能有效工作。由于多址干扰的存在，传统的匹 配滤波接收机或相关接收机存在着多址干扰、远近效应问题。 最优多用户检测器包含一组匹配滤波器( 一个匹配滤波器对应一个用户，这 里没有考虑多径，也没有考虑多普勒频移) ，其后是由最大似然( m a x i m u m l i k e h o o d ) 序列估计准则实现的v i t e r b i 算法，因此最优多用户检测又称为最大似 然多用户检测。 “最优 区分一个物理系统不同状态的理论。这里所指的最优并非绝对或纯 粹的最优，只是特定含义下的“最优”，也就是某准则之下的“最优。例如：在 检测理论中常用的就有b a y e s 准则、最大后验概率( m a p ) ，最大似然概率( m l ) 准则、最小差错概率准则、理想观察者准则以及n e y m a n p e a r s o n 准则等。不同的 准则，最优的含义是不同的。 s v e r d u 等人研究了高斯信道下的多用户检测问题阱】。如假定发送的信号符号 序列是等概率的，则最优多用户检测就是满足最大似然准则的多用户检测。在同 步高斯信道中，其实质就是在2 k ( k 为用户数) 个可能的信息向量中找到与接收 信号之间欧氏距离中最小的一个，可用维特比算法实现，其计算复杂度为o ( ) 。 由于最优多用户检测算法的复杂度随激活用户数成指数幂级增长，即2 k ，而且该 接收机还需要知道每个激活用户信号的时延、相位、扩频序列、功率和信道参数。 因此最优多用户检测器只是提供了理论上的依据，在实际中并不太实用，为此人 们开始寻求次优的多用户检测方法，希望找到一种性能与复杂度的折衷。 7 北京交通大学博士学位论文 由于最优多用户检测技术的复杂度太高无法实现，在以后的十几年里，出现 了许多的次优多用户检测方案，主要分为线性多用户检测、非线性也即是干扰消 除多用户检测、及其它多用户检测等。线性多用户检测对传统接收机的输出进行 解相关或其他的线性变换以利于接收判决，而干扰消除利用可靠已知信息对干扰 进行估计，然后在原信号中减去估计干扰以利于接收判决。线性多用户检测包括 最小均方误差准则( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ：m m s e ) 多用户检测、解相关多 用户检测、约束最小输出能量( c o n s t r a i n e dm i n i m u mo u t p u te n e r g y ：c m o e ) 多 用户检测、盲子空间多用户检测等，非线性多用户检测包括串行干扰消除( s i c ) 多用户检测、并行干扰消除( p i c ) 多用户检测和判决反馈多用户检测。随着信道 编码、神经网络技术、多天线技术的发展，考虑到未来的无线高速宽带数据业务 的需求，考虑到系统的非线性、非平稳性和非高斯性，多用户检测与先进信号处 理技术相结合，产生了盲自适应多用户检测、基于t u r b o 的多用户检测、基于神经 网络的多用户检测、多速率下的多用户检测、高阶统计特性多用户检测、空时多 用户检测等等。 1 2 2 2 线性多用户检测 最大似然多用户检测方法表明匹配滤波器组的输出能为优化检测提供充分的 统计量，各种不同次优的多用户检测方法都是在匹配滤波器的基础上，加上不同 的数字信号处理方法构成的。一类重要的次优多用户检测是由l u p a s 和v e r d u 给出 的线性多用户检测【5 5 1 ，其中包括更早些时候由s c h u e i d e r 提出的解相关多用户检测 i s 6 。这些接收机对匹配滤波器组的输出进行线性变换，然后对线性变换后的输出 作符号判决。解相关线性多用户检测通过选择扩频序列相关矩阵的逆作为变换， 移去了用户之间的所有交叉相关。c h e n 和r o y 给出了解相关多用户检测的自适应 实现【5 7 1 ，并表明解相关多用户检测具有最优的抗远近性。这意味着接收机检测性 能对用户功率的差异不敏感且降低了要知道所有用户功率的要求。使用简单的求 逆运算可能引起潜在的问题：在某些情况下相关矩阵是奇异的，这时将使用广义 逆矩阵，接收机仍具有最优的抗远近性；类似于迫零均衡方法，噪声增强仍然是 个问题。 线性多用户检测是匹配滤波器的输出经过一个线性变换矩阵后再进行判决。 解相关多用户检测的线性变换矩阵就是扩频码互相关矩阵的逆矩阵【5 引。解相关多 用户检测可以在不知道其他用户功率的情况下，有效地抑制多址干扰，具有最佳 的抗远近性。解相关多用户检测的特点是完全消除了多址干扰，其代价是增强了 绪论 背景噪声。当多址干扰较小而噪声较强时，其性能会下降，有可能比传统的单用 户检测还差。 为了改进解相关接收机在背景噪声较大时的性能，z x i e 在 5 9 】中提出一种最 小均方误差( m m s e ) 算法。m m s e 多用户检测的基本思想是使估计数据与原始 数据间的均方误差最小化。它考虑了背景噪声的影响，在消除多址干扰和增强背 景噪声之问得到一个折衷，一般来说，性能要优于解相关多用户检测。 s m o s h a v i 在文献【6 0 】中提出了一种称为多项式扩展的多用户检测方法。这一 算法的基本思想是应用矩阵多项式来逼近一个线性变换。基于多项式扩展的多用 户检测有一个最重要的特点：在长码系统和短码系统中同样容易实现。但基于多 项式扩展的多用户检测实质上还是解相关检测或者是最小均方误差检测，只不过 提出了将线性变换阵展开的一种方法。 1 2 2 3 干扰消除多用户检测 另一类次优多用户检测就是非线性多用户检测，采用干扰消除多用户检测技 术( i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ) 1 5 1 ，其基本思想是先 对多址干扰做出估计，然后从接收信号中减去多址干扰，以提高判决的可靠性。 主要分为：并行干扰消除、串行干扰消除和判决反馈。干扰消除检测技术运用最 大似然m l 多用户检测，假设除了期望的符号之外其它符号都是己知的，这个期 望的符号对相关器输出的贡献在于：减去已知的干扰符号的贡献之后分离出来传 递到判决器。这里所谓并行是指处理符号可以以任何顺序或并行的事实。在早期 的文献中，并行干扰消除( p i c ) 6 1 1 使用传统的接收机输出作为干扰符号的初步估 计，可以使用任何多用户检测方法提供的干扰符号的判决，而且p i c 的过程可以 是迭代的即所谓的多级方式【6 2 1 。 如果在p i c 中不是以任意的顺序，而是按照用户功率下降的顺序来处理符号， 那么在某一处理时刻就处理特定用户的符号，指过去或未来的用户其实是指功率 较强或较弱的用户，所有用户的符号都位于相同的符号周期。这种串行干扰消除 ( s i c ) 技术6 3 1 可以看作p i c 的变种。即在p i c 中，在当前迭代中，把以前检测的 符号作为过去的符号而把未来的符号( 即没消除的) 看作为零。由于未来符号的 干扰没有被消除，因此按用户功率下降的顺序执行处理极为重要。这就使初始的 判决最可靠以对未来符号消除的效果最大化。研究表明，当用户的功率成指数分 9 北京交通大学博士学位论文 布时，所有用户的误码率是相同的。在用户功率差异很大的情况下，s i c 特别适合。 在p i c 技术中，如果把当前的迭代取值作为过去符号的估计，则p i c 与s i c 的思 想就合二为一了。 还有一种干扰消除技术就是所谓的判决反馈多用户检测( d fm u d ) 1 6 4 ，在 这种方法中，未来符号的影响通过三角矩阵分解和线性变换消除，而过去符号的 影响就像在s i c 技术中一样被进一