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北京邮电大学硕士论文 d s - - c d m a 系统多用户检测技术算法 的研究与性能分析 摘要 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 都已经成为了第三代移 动通信的方案，而其中的一些关键技术基本一致。c d m a 通信系统 的关键技术包括高效信道编译码技术、软件无线电技术、智能天线技 术、多用户检测和干扰消除技术等。在直扩码分多址( d s - - c d m a ) 系统中，多址干扰是影响系统性能和容量的重要因素之一。多用户检 测是一种从接受端的设计入手的干扰抑制方法。它主要解决的问题 是：如何从相互干扰的数字信息序列中可靠地解调出某个特定或全部 用户的信息。多用户检测技术在传统检测技术的基础之上，充分利用 所有用户信号信息对多个用户进行联合检测或从接收信号中减掉相 互间干扰的方法，从理论上有效地消除多址干扰的影响，从而改善系 统性能，增大系统容量。 本文从d s c d m a 的优势和存在的问题出发，引出了多用户检 测的必要性。并且在对现有典型多用户检测算法进行分析和对比的基 础上，提出了两种新的降低算法复杂度的多用户检测算法：“低复杂 度多项式逼近算法”和“频域d f t 快速分组检测算法”，并对它们的 性能进行了详细分析和研究。理论分析和计算机仿真结果标明，这两 种算法均显示出了优良的性能。其中，前一种算法立足多项式扩展检 测的经典结论，同时将g a u s s - - s o d d 迭代方法引入其中，最终将矩 阵求逆转化为泰勒级数近似的形式。这样不但使得矩阵求逆的庞大运 算量有了显著削减，而且级联结构清晰，具体实现简单。后一种算法 属于“信道盲均衡”范畴，从分析最优化代价函数和约束条件着手， 将i d f t 的定义式引入时域输出表达式，最终推导出滤波器抽头更新 系数与“输入符号”和“恒模”之间的关系。该算法在保证系统性能 ( 误码率) 的前提下，滤波器抽头系数的更新复杂度得到了大幅度降 低。这两种算法都属于线性检测算法，在较恶劣信道环境下，依然能 北京邮电大学硕士论文 摘要 够保持优良性能和对于“远近效应”的抵抗。 关键词：c d m a 多用户检测多址干扰多项式扩展 d f t 快速分组复杂度 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t r e s a e r c ha n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f m u 【t i i ，s e rd e t e c t i o na l g o i u 哪m s i nd s c d 【as y s l e m a b s t r a c t w c d m a 、c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m aa r et h es c e n a r i o so nt h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s o m ek e yt e c h n i q u e sa r e c o n s i s t e n ti nt h e s es c h e m e s a n d i n c l u d i n g ：h i g h l ye f f e c t i v ec h a n n e l e n c o d i n g d e c o d i n g 、s o f t w a r er a d i o 、s m a r ta n t e n n a 、m u l t i u s e rd e t e c t i o n a n di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ne t c i nd i r e c t - s e q u e n c e ( d s ) c d m i as y s t e m , m u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h e s y s t e m a t i cp e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t y m u l t i u s e rd e t e c t i o ns u p p r e s s e st h e i n t e r f e r e n c ea tt h er e c e i v e t t h ep r o b l e mt h a ti ts h o u l ds o l v ei s ：h o w d e m o d u l a t et h eb i ti n f o r m a t i o nr e l i a b l yo fs o m es p e c i f i cu s e ro ra l lo ft h e u s e r sf r o md i g i t a lb i t ss e q u e n c et h a ti n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l yb yj o i n t d e t e c t i o no rs u b t r a c tt h em a if r o mt h er e c e i v i n gs i g n a la c c o r d i n gt ot h e k n o w l e d g eo fs e q u e n c e so fa l lu s e r sb a s i n go nt r a d i t i o n a ld e t e c t i o no f f i l t e rb a n k t h u si tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n d i n c r e a s e sc a p a c i t yo f t h es y s t e m ， t b i sp a p e re d u c e dt h en e c e s s i t yo fm u l t i u s e rd e t e c t i o nb ya n a l y s i s t h ea d v a n t a g e sa n dp r o b l e m so ft h ed s c d m as y s t e mi ne x i s t e n c e o n t h ea n a l y s i sa n dc o n t r a s tb a s e do ne x i s t i n gt y p i c a l a l g o r i t h m s o n m u l t i u s e rd e t e c t i o n t w on e wm 【d a l g o r i t h m s a r ep r e s e n t e df o r l v - 北京邮电大学硕士论文a b s t r a c t i m p r o v i n gc o m p u t i n gc o m p l e x i t y ： ”l o w c o m p l e x i t y p o l y n o m i a l e x p a n s i o nc l o s e d ”a n d ”f a s te q u a l i z a t i o nb yu s i n gf r e q u e n c yd o m a i n b l o c kc o n s t a n tm o d u l u s ”t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wd e t e c t o r si s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i li nt h i sp a d e lt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e rs 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 e s et w oa l g o r i t h m sh a v e s h o w nag o o dp e r f o r m a n c e a m o n gt h e m ，f o r m e rp o l y n o m i a le x p a n s i o n d e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ec l a s s i cc o n c l u s i o n g a u s s s e i d e l i t e r a t i v em e t h o dw h i c hw i l l i n t r o d u c et h es a m et i m e i n v e r s em a t r i xw i l l e v e n t u a l l yf o r i l li n t oat a y l o rs e r i e sa p p r o x i m a t i o n t h i sn o to n l ym a k e sn h u g ea m o u n to fc o m p u t a t i o nm a t r i xi n v e r s i o nh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l y r e d u c e d 。b u tc a s c a d es t r u c t u r ec l e a r s i m p l er e a l i z a t i o n t h el a t t e r a l g o r i t h mi sa ”b l i n dc h a n n e lb a l a n c i n g ”a r e a s f r o mt h ea n a l y s i so ft h e c o s tf u n c t i o na n dc o n s t r a i n t so p t i m i z a t i o np r o c e e d 。i d f ti n t r o d u c t i o nt o t h et i m e d o m a i n d e f i n e do u t p u te x p r e s s i o nu p d a t i n gf i l t e rc o e f f i c i e n t s d e r i v e du l t i m a t e l yt a p ”i n p u ts y m b o l s ”a n d ”c o n s t a n tm o d u l u s ”t h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h e m t h ea l g o r i t h mg u a r a n t e es y s t e mp e r f o r m a n c e ( b e r ) o nt h ep r e m i s et h a tt a pt h ef i l t e rc o e f f i c i e n tu p d a t eh a sb e e n s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dc o m p l e x i t y t h e s e t w o a l g o r i t h m s a r el i n e a r d e t e c t i o na l g o r i t h mi nar e l a t i v e l yp o o rc h a n n e le n v i r o n m e n t s t i l lb ea b l e t om a i n t a i ng o o dp e r f o r m a n c ea n df o rt h e 。 n e a r - f a r 。o f t h er e s i s t a n c e k e yw o r d s ：c d m am u l t i u s e rd e t e c t i o nm u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e p o l y n o m i a l e x p a n s i o n d f tf a s tb l o c k c o m p l e x i t y v 一 北京邮电大学硕士论文 符号说明 a w g n b e r b p s k c d m a c m a d e c d f d f r d s f d m a f d d i s i l m s l s t 队l 呼 m l s d m 蹦0 m m s e m o e f l d p e p i c s i c s n r s 己 t d d t d m a 符号说明 a d d i c t i v e m i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t i o b i n a r yp h a s es h i f ik e y c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n s a a i n e dm o d u l u sa i g o r i t h m d e c o r r e l a t i o n d e c i s i o nf e e d b a c k d i s e r e t ef o u r i e rt r a m f o r m d i r e c ts m 己a d f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s tm e a ns q u a r e l a y e rs p a c et i m e m u l t ia c e g f l si n t e r f e r e n c e m a r c h e df i l t e r m a x i m ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e r e c t i o n m u l t i - - i n p u t - - m u l t i - - o u t p u t m i n i m u mm c a ns q u a r ee r r o r m i n i m u mo u t p u te n e r g y m u l t i u s e rd e r e c t i o n p o l y n o m i a le x p a n s i o n p 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 s 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 g n a lt on o i s er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i “s i o nm u l t i p l ea c c 髓s 4c d m a 系统用户k 的幅度 北京邮电大学硕士论文 符号说明 c d m a 系统第k 个用户发送比特信息符号 c d m a 系统第k 个用户的归一化扩频特征波形 具有单位功率谱密度的零均值高斯白噪声 第k 个用户的第一条路径的“衰落因子” 第k 个用户的第一条路径的“延迟” 扩频码字之问的互相关值 接收机接受到的信号 扩频序列的周期 符号判决量 检测用户i 与干扰用户- ，的互相关函数 第k 个用户的功率 解相关检测器的第k 个用户的抗远近效应能力 某种检测方式下，第k 个用户的误码率 c d m a 系统用户总数 信道模型的冲激响应 均衡器在n 时刻的冲激响应 y ( n ) - 与g p 的p ( p 为正整数) 阶差量的统计挚值 第k 个接收机的接收符号块 经过d f t 变换后得到的t 输出向量 时域滤波器输出 频域系数向量 时域输出向量 f ) ) ) a 0 ， i 蚴 蝴 m 州 r 嘲 最一仇群 州 墨 以 咯 c 欺 北京邮电大学硕士论文 符号说明 频域最终输出向量 求方差 x n 】的复共轭 d f t 变换的总点数 迭代中自适应学习速率 符号函数 扩频码的频带宽度 扩频增益 码元能量 范数 仰 嵋 耳砌n卢正g毛嗍 北京邮电大学硕士论文 声明 声明 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丝! 日期：型2 ：= 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 翩e 器t 曩 期：兰! ：兰： 日期：丝盟：! ：! 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 移动通信系统 1 1 1 移动通信的发展历程 第一章绪论 移动通信是指通信的双方或者一方在运动过程中进行信息传递的通信方式。 移动通信的发展经历了从模拟通信到数字通信的巨大变革，依次是：第一代模拟 系统、第二代数字系统，现正向第三代多媒体系统发展。2 0 世纪8 0 年代最先诞 生的第一代模拟系统采用频分多址( f d m a ) 模拟调制技术。该系统由于技术落 后，标准不统一，话音质量差，漫游范围有限，现已趋于淘汰。随着数字信号处 理技术和超大规模集成电路的发展，9 0 年代初期诞生了以时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术为基础的第二代数字移动通信系统。它们所提供的容 量和系统性能比第一代移动通信系统有了明显提高，但其业务种类主要限于话音 和低速数据。但是随着移动通信用户数量的急剧增长和互联网技术的迅猛发展， 频率资源日益紧张，传输高速数据以及多媒体业务的需求不断高涨，使第二代移 动通信系统不再满足社会的需求。于是以满足人们对多媒体通信的需求、并适应 个人通信为目标的第三代移动通信系统应运而生【2 , 3 1 。第三代移动通信系统的理 论研究、技术开发和标准制定工作早在2 0 世纪8 0 年代就开始进行了。国际电信 联盟( r r u ) 从1 9 8 5 年开始研究，最初成该系统为未来公众陆地移动通信系统 ( f p i m r s ) ，后来改称为国际移动通信2 0 0 0 ( m 盯2 0 0 0 ) 。 1 1 2 第三代移动通信特点 第三代移动通信与第一代和第二代移动通信系统相比，其性能有了很大提 高，它的基本特点为【9 1 ： ( 1 ) 全球无缝漫游第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第共代移 动通信系统将是一个在全球范围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 ) 具有支持多媒体业务的能力【1 6 1 ，特别是支持i n t e m e t 业务现有的移动通信 系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供1 0 0 2 0 0 k b i t 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 i t s 第三代移动通信的业务能 力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音分组数据到多媒体业务：应能根 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 据需要，提供合适的带宽。i t u ( 国际电联) 规定的第三代移动通信无线传输技术 的最低要求中，必须满足以下三种环境的要求，即表1 2 所示。 ( 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w c d m a 使用与g s m 相同的网络协议结构( 信令) ，通过对g s m 系统增加w c d m a 系统无线接入并运行于两种系统中，这样将能够使用现有的 g s m 网络作为核心网络基础设施。因此，w c d m a 为g s m 运营公司提供了在 现有投资上建立第三代无线接入的机会f 2 9 l 。 ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。但是在复杂的移动通信 环境和有限的频率资源下，要达到高容量、高质量、高速率的通信。 根据r r u 的标准，世界各大电信公司联盟均己提出了自己的第三代移动通 信系统方案，主要有以日本d o c o m 。公司为首提出的w - c d m a 、美国l u c e n t 和m o t o r o l a 等公司提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出的 t d c d m a 以及我国提出的拥有自主知识产权的t d w c d m a 。这三种技术都采 用c d m a 制式，但是各自又有区别，区别如表1 1 所示。 表1 1 三种宽带c d m a 技术的主要区别 、枣统名称 w c d m ac i ) m l 1 2 0 0 0 t d c d m a 比较指标、 最小带宽要求5 m h z1 2 5 m h z 的整数倍1 6 m l i z 扩频技术类型 单载波的宽带d s多载波和宽带d s 时分同步c d m a 双工方式f d d 肿d f d dt d d 码片速率3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s 1 2 8 m c ，| 基站间同步异步( 不需要g p s )同步( 需要g p s )同步( 主从同步) 帧长1 0 m s2 0 m s1 0 m s 调制方式 q p s k b p s k q p s k b p s kq p s k $ p s k ( 正向，反向) 扩频因子4 5 1 2 ( 3 8 4 m c s )4 2 5 6 ( 3 6 8 4 c s )l 1 6 ( 1 2 8 m c ，覃) 反向信道结构导频1 1 p c ，业务信道，导频，控制信道，基本导频h c ，业务信道， 信令，分组业务码时信道，补充信道码时信令，分组业务码时 分复用分复用 分复用， 同步检测与导频信令相干与导频信令相干与( 正向，反向) 时隙 ( 正向反向) ( 导频i q 复用) 相干 切换软切换软切换接力切换 功率控制速度 1 5 h z8 z 1 4 0 0 i i z 正向信道导频公共导频和专用导频公共导频信道( 与其导频和其他信道时分 ( 采用导频符号，与 他业务和控制信道码复用 其他数据和控制信息分复用c d m ) 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 时分复用t d m ) 语音编码器 自适应多速率语音编 n j 殳堤翠i s 一7 7 3 ， 码器( a i r ) i s 一1 2 7 业务信道编码 卷积码，码率1 1 2 或卷积码，码率l ，4 、l 2卷积码，码率1 2 或 1 3 ，约束长度k = 9 ，或1 3 ，约束长度1 3 ，约束长度k - - - - - 9 ， t u r b o 码k - - 9 ，t u r b o 码；反t u r b o 码 向，卷积码，码率1 2 ， 约束长度= 9 ，高速用 t u r b o 码 1 1 3 第三代移动通信的关键技术 第三代移动通信系统采用了多种新技术，其关键技术主要有田删： 初始同步技术：c d m a 系统接收机的初始同步包括p n 码同步、帧同步、 码元同步和扰码同步。c d m a 2 0 0 0 采用与i s 9 5 系统相类似的初始同步技术，而 w c d m a 系统的初始同步分三步进行。 多径分集接收技术：c d m a 通信系统采用宽带信号进行无线传输，接收 端可以分离出多径信号，因而可以采用多径分集接收技术，即r a k e 接收机来完 成接收过程，在很大程度上降低多径衰落信道所造成的不利影响。 高效信道编译码技术：信道编译码技术是第三代移动通信的核心技术之 一。在3 g 的主要提案中，除采用与i s 9 5 相类似的卷积编码与交织技术之外， 还建议采用t u r b o 编码技术及“r s 一卷积”级联码技术。由于第三代移动通信 系统中，对移动通信业务的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，因此， 达到尽可能高的频谱利用率就成为一个十分重要的课题。近年来提出的空时码就 是能够有效提高无线频谱利用率的最重要的方案之一，并可以得到更高的通信质 量，以最终实现系统容量的扩大。在空时码的研究中，主要有分层空时码( l s t ) 和基于发射分集空时码两方面。分层空时码将信源数据分为几个子数据流，独立 的进行编码、调制：发射分集空时码是在发射延迟分集的基础上提出的。由于发 射分集被认为是今后提高无线链路性能的一项重要技术，因此，发射分集空时码 的研究正在更深入的进行中。 智能天线技术：所谓智能天线技术就是雷达系统自适应天线阵列技术在通 信系统中的新应用。智能天线技术包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发 射的电波方向进行到达( d o a ) 估计，并进行空问滤波；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。 多用户检测技术：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。由于c d m a 系统 北京邮电大学硕上论文第一章绪论 是一个多输入多输出( m i m o ) 系统，传统的检测方式如匹配滤波器采用单入单出 检测方式，不能充分的利用用户的边信息，而将多址干扰看作是高斯白噪声，因 此大大降低了系统容量。多用户检测技术利用各用户之间码字的非正交性来消除 多用户之间的相互千扰，将造成多址干扰的所有用户信号信息均看作是有用信号 信息，利用其对单个期望信号解调，来降低多址干扰和远近效应的影响，也降低 了系统对控制精度的要求，进而提高了通信系统的容量。成为第三代移动通信系 统提高性能的关键技术之一。 功率控制技术：在c d m a 系统中，由于各用户使用相同的频带，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，功率控制的目的就是使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产 生干扰。功率控制技术将成为c d m a 系统中最为重要的核心技术之一。常用的 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。在w c d m a 和c d m a2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭坏和外环 功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。 信道结构以及上层协议信令，3 g 系统的用户数目巨大，且要实现全球范 围的漫游，那么各种资源的管理控制必然十分复杂和庞大，这就要求信道结构合 理，各种协议信令完善。3 g 系统的无线空中接口将采用分层结构及协议，这些 协议包括用户平面、控制平面和信令。例如：呼叫控制、移动性管理、无线载波 控制、无线资源管理等等。 软件无线电：软件无线电是对无线传输系统的革命，它被称为“无线电世 界的个人计算机”。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用a d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件来定义无线电的功能。 这样利用一个同一的平台，通过软件生成g s m ，i s 9 5 、i m 1 2 0 0 0 等不同体制 的终端，并且可以适应未来技术的发展。它与宽带综合业务网的基础传输模式一 样能够适应未来业务的发展，并与软件定义的电信信息网络发展相一致。 以上几种关键技术应用在第三代移动通信系统中的物理层以提高系统性能， 将各项技术有效的结合起来进行应用研究，则更有利于系统性能和服务质量的提 高。 1 2 码分多址 1 2 1 移动通信中的多址接入方式 在移动通信系统中，基站与移动台之间交互信号的基本结构和方式称为多址 方式。多址接入方式关系到系统容量、频谱利用率、信道利用率以及系统的复杂 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 性等。 目前广泛应用的多址方式有三种：时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 、 码分多址( c d m a ) 。它们分别在时域、频域、码域对共用频谱资源进行划分。 其中f d m a 是第一代模拟蜂窝系统和无绳电话系统的核心技术；t d m a 是第 二代数字蜂窝系统和无绳电话系统的主流技术；c d m a 是第三代移动通信系统 的主流技术。 时分多址( t d m a ) 在t d m a 系统中，各用户使用的无线频谱按照时间被分成若干互不交叠的 时隙，一个时隙就是一个信道，在每个时隙内，只有一个用户允许发送或者接收 数据，这些时隙用一种循环的方式分配给特定的用户。该多址接入方式具有抗干 扰能力强，频率利用率高，系统容量大、越区切换简单等优势，t d m a 使用不 同的时隙发射和接收，因此不需要双工器；但是解决t d m a 系统的同步问题比较 困难，传输时延过大时将产生码间串扰。 频分多址( f d m a ) 在f d m a 系统中，无线频段被分割成若干等间隔不相互交叠的频道，分配 给特定用户作为载波频率，基站根据不同的载频来区分用户，同一频道不能被不 同用户同时使用。该多址方式结构简单，码间干扰不大，但是该多址接入方式频 道分配复杂频率利用率低，越区切换复杂，并且由于发射机和接收机同一时间工 作，f d m a 系统必须使用双工器。 码分多址( c d m a ) 在c d m a 通信系统中，不同用户传输的信号靠各自不同的编码序列即扩频 码来区分，不同用户的扩频码具有正交性，以区别地址，而在频域和时域上都可 能是重叠的。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 承载信息的信号进行编码( 扩频) 【2 耵。知道该用户扩频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 m m u l t i p l e a c c e s s ，s s m a ) 来表征。 1 2 2 码分多址的特点 相对于其他两种多址方式，c d m a 具有以下特点： 软容量 由于c d m a 系统是干扰受限的，在不影响通信正常进行的情况下可通过降低 系统服务质量来提高系统容量，因此它具有“软容量”。在一定情况下，允许增 北京邮电夫学硕士论文第一章绪论 加一定的用户数而不出现阻塞现象。尽管这时系统中每个用户的通信质量有所下 降，但可使系统容量增加。 保密性好 由于扩频信号的功率谱密度很低。而c d m a 采用扩频技术，所以可在很低 的信号功率谱密度上进行通信，从而具有很低的被截获概率。 抗多径衰落能力强 c d m a 采用扩频技术，可以采用r a k e 接收技术，使多径干扰已不再是一 种干扰，而成为多路分集的有用信息。从而使其具有优良的抗多径衰落的能力。 抗干扰能力强 在c d m a 系统中，信息码元被扩频码调制，展成了很宽的频谱，如果在接 收端用匹配滤波器提取信号，当接收机本地解扩码与用户扩频码一致时，就将扩 频信号恢复为原来的信息，而其它干扰，尤其是单频或窄带干扰等通过匹配滤波 器其频谱被扩散，从而落入到信号通带内的干扰强度被大大地降低了。 软切换 由于c d m a 系统相邻小区共用同一频带，所以移动台过境时可以采用软切 换，即在切换过程中与原小区和新小区同时保持联系，直到与新小区的保持正常 接通为止，这样可以保证通话的不间断。c d m a 系统采用软切换技术，大大降低 了切换掉话的可能性，改善了用户处于小区边界时的通信质量。 频率规划简单 在c d m a 系统中不同用户按各自不同的序列码区分，所以不同c d m a 载 波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 另外, c d m a 技术具有发射功率低、过渡方便等优点。因此，c d m a 技术 已成为第三代移动通信系统首选的多址方式，同时也成为国内外研究的热点课 题。 1 2 3 码分多址通信系统中的主要千扰 c d m a 蜂窝移动通信系统中主要存在以下几种干扰 加性白噪声：它是所有通信系统中都存在的一类可加性噪声。主要由通信设 备的有源、无源器件所产生，它一股遵从高斯分布且功率谱是平坦的，故称为加 性白噪声。 多径干扰：它主要是由于电波传播中的多径反射引起的。这种干扰可以通过 均衡技术或者分集技术来解决。 多址干扰：主要是由不同用户的地址码间的互相关系数不为零所引起的多个 用户之间的干扰。实际通信系统中，加性白噪声的影响远小于多径干扰和多址干 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 扰。当小区中同时通信的用户数较多时，多址干扰成为影响系统性能和系统容量 的最主要的因素。 1 3 多用户检测技术 1 3 1 多用户检测引入的必要性和意义 在用户接收机完全同步并采用理想正交扩频地址码的条件下，各用户之间不 会产生多用户干扰。但在多径衰落信道中，理想的完全同步难以实现，因此扩频 码也难以保持完全的正交性。理论上己证明，同时具有理想自相关和理想相关特 性的二进制扩频码是不存在的，这就是著名的w e l c h 烈”。在实际c d m a 通信 系统中，各用户信号之间存在一定的相关性，这就是m a i 存在的根源。由于个 别用户产生的m a i 固然很小，但随着用户数增加或信号功率增人，m a i 就成为 宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰，限制系统的容量和性能。m a l 分小区间 干扰和小区内干扰两部分。小区间干扰是指其它同频小区信号造成的干扰，可通 过合理的小区配置来减小其影响。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小区内干扰的处理i l o j 。 多用户检测是引用信息论基本原理并通过严格的理论分析后提出的一种新 型抗多址干扰技术，它充分利用扩频序列的结构信息和统计信息来克服多址干 扰，其基本思路是： ( 1 ) 从信息论的角度来看，c d m a 系统是一个多输入多输出的系统，基于信 息论中的最佳信号检测理论，来寻求蜂窝码分多址通信系统中多用户的最优联合 检测理论。 ( 2 ) 充分利用扩频序列的已知结构信息，在通常的码分多址通信系统接收机 中都将多径干扰和多址干扰看作等效白噪声的无用信息来处理。实际上，不论多 址干扰还是多径干扰，本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有着强烈结构性的 伪随机序列信号，而且用户间与各条路径间的相关函数都是己知的，因此从理论 上看，完全有可能利用这些伪随机序列的己知结构信息和统计信息来进一步消除 它所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。 ( 3 ) 多径干扰与多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序列，若能充分 利用扩频序列的己知结构信息和统计信息，两者是可以同时消除的，同时消除和 削弱了多址干扰和多径干扰，也必然消除和削弱了远近效应，因此一箭三雕的方 案是可行的。 ( 4 ) 最优的联合检测方案同时也是可能的。基于上述充分利用扩频序列的己 知结构和统计信息在信息论最佳信号检测理论指导一下，在对多个用户的匹配滤 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 波接收的基础上，进行多用户联合检测，并充分利用己知伪随机序列的结构信息 与统计信息，设法消除其它所有用户对有用用户干扰的方案，理论上是完全可行 的。 1 3 ，2 多用户检测理论的研究现状 多用户检测的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r t ”】提出。1 9 8 3 年k o h n o e t a l 发表了对多址接入干扰接收机的研究【2 2 1 。1 9 8 4 年v e r d u 6 1 做了开创性的研究，提 出并分析了最优多用户检测器和最大似然序列检测器，然而不幸的是它实现实在 是太复杂了，因为它的复杂性以用户数的指数函数增加。 后来v e r d u 的研究激励了多个研究者寻找次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优化的性能。研究主要集中在寻找针对a w g n 信 道的次优化检测器。解相关检测机、最佳线性检测机、线性m m s e 检测机、决 策反馈检测机在随后的几年中纷纷被提了出来。它们在高斯白噪声信道中同步和 异步结构中的误码率和远近效应等等问题被进行了深入而细致的研究。 在1 9 9 5 年m i c h a e lh o n i g 和s e r g i ov e r d u 提出了盲多用户检测1 3 s 】的概念，这 种多用户检测机仅需要和传统检测机相同的信息，就可以检测出所发送的信号， 使得多用户检测技术向实用化又前进了一步自适应滤波的原理在其中得到了广 泛的应用，l m s r s l k a l m a n 等等各种算法纷纷被应用到多用户检测的系统 中。 在1 9 9 8 年x i a o d o n gw a n g 和h v i n c e n tp o o r 提出了子空间盲多用户检测技 术将盲自适应信道估计盲自适应阵列响应估计【2 0 1 与盲多用户检测技术结合在一 起，和用基于子空间【4 1 】的高分辨方法对接收的信号进行多用户检测。在1 9 9 9 年 他们又将多径c d m a 信道中接收天线阵列技术与盲多用户检测技术相结合，提 出了空时多用户检测技术。从而掀起了多用户检测技术研究的新的浪潮。 同时多用户检测技术在其他方面的研究也迅速展开，研究者将其它技术和多 用户检测技术相结合进行系统分析，以达到更好的系统性能。如与信道编码技术 相结合，研究t u r b o 。码对系统性能的影响：如将与r a k e 接收机瞄】结合，提高 多用户检测技术在多径衰落下的性能。 通过回溯发展过程，我们发现经过众多先辈的研究，多用户检测己经发展成 为一个内容丰富、研究价值很高的抗多址于扰的新技术。 1 4 论文主要工作 本文对d s c d m a 系统的多用户技术的理论与技术进行系统的分析与研究， 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 提出了两种检测方法；“低复杂度的多项式扩展逼近算法”和“基于d f t 的频域 分组c m a 算法”，并且分别进行了仿真。 “低复杂度的多项式扩展逼近算法”根据多项式扩展检测的经典文献结论， 对其表达式成立条件进行了深入分析与讨论；与此同时。结合常用的g a u s s - s e i d d 迭代算法，简化推导得到了矩阵求逆的级数分解形式。然后，比照归一化分解矩 阵与经典结论的相互关系，最终将矩阵求逆转化为泰勒展开近似的形式。该算法 立足于了经典结论，又将其作了展开与近似。相对而言，该算法结构更为明晰、 实现更为简单。仿真结果表明，无论在高斯信道还是在瑞利信道下，该算法都表 现出“能够兼得性能( 误码率) 和计算复杂度”，尤其对于“远近效应”也显示 出与理论值的紧密贴近。即使在远近效应能量恶劣的时候，该算法的低阶近似依 然性能表现优秀。 “基于d f t 的频域分组c m a 算法”实际上是“盲信道均衡”的一种，它从分析 代价函数和约束条件着手，将i d f t 的定义式引入时域输出表达式；同时借鉴数 字信号处理中的“重叠保留法”，最终推导出滤波器抽头更新系数与“输入符号” 和“恒模”之间的关系。它的主要优点在于：算法简捷，低复杂度优势非常明显： 而且无需矩阵求逆，也无奇异值的问题。它的缺点在于：当自适应学习速率值 较小时，稳定性好但是收敛较慢；值较大，收敛较快但是稳定性差。 1 5 论文结构安排 各章的主要内容安排如下： 第一章：从移动通信的发展历程角度分析介绍了c d m a 技术出现的背景和 期望解决的实际问题。从d s - - c d m a 的优势和存在的问题出发，引出了多用户 检测的必要性。 第二章：对d s - - c d m a 系统的原理和模型进行了理论阐述和图示；并且对 传统匹配滤波器组检测的性能进行了理论分析。 第三章：介绍了多用户检测的基本思路和分类。并且对线性检测器的性能进 行了分析与对比；阐述了非线性检测器原理并以框图示意。 第四章：介绍了“多项式扩展”检测的一般原理，并且根据经典结论表达式 简化出低复杂度的逼近形式，最后给出了仿真结果与说明。 第五章：介绍了“盲均衡c m a ”的基本原理与表达形式，结合数字信号处 理中的“重叠保留法”推导出了快速分组检测形式，最后给出了仿真结果与说明。 9 北京邮电大学硕士论文 第二章d s - - c d m a 系统模型 第二章d s - - c d m a 系统模型 直接扩频( d s ：d i r e c ts p r e a d ) c d m a 系统每一个用户的系统信号都可以表 示为信息比特和扩频码的直接相乘。 薯( f ) = 包( f